Question

如圖所示，用帶有水桶的滑輪組把水從蓄水池中提到h=7m高的陽臺，空水桶B的質量為2kg，POQ為固定支架，輕質杠桿MN可繞固定支點O轉動，OM：ON=5：1，A為正方體配重，底面積為10^-2m²，用繩索與杠桿N端相連，并保持杠桿水平．小明用力F₁可勻速提升一滿桶水，用力F₂可勻速提升半桶水，且F₁-F₂=150N，F₁：F₂=32：17，（不計定滑輪的質量、繩子的質量及輪與軸的摩擦，g=10N/kg）求：
（1）水桶的容積；
（2）提升半桶水時滑輪組的機械效率；
（3）若提升滿桶水從水面到陽臺用時70s，則小明做功的功率為多少？
（4）提升滿桶水與半桶水時，配重A對水平地面的壓強差為多少？

Answer 1

【答案】分析：①由圖知，作用在動滑輪上的繩子有3段，不計繩重和摩擦，根據滑輪組的拉力和重力之間的關系以及前后兩次拉力之差，求出水的重力的大小，再根據G=mg=ρVg的變形公式求出水桶的容積；
②不計繩重和摩擦，施加的動力F需要克服水重、桶重和動滑輪重，根據滑輪組的拉力和重力之間的關系以及前后兩次拉力比例關系，可以得到動滑輪重，已知桶的質量，水重，利用η=求出機械效率；
③已知水上升的高度，可以得到繩子拉下的長度，已知拉力和繩子拉下的長度，根據W=FS求出拉力做的功；已知拉力做的功和做功時間，根據P=求出功率；
④已知作用在M點的拉力和杠桿力臂之間的關系，利用杠桿平衡條件得到前后兩次壓力的變化量△F，然后根據p=得到壓強的變化量．
解答：已知：n=3  F₁-F₂=150N  F₁：F₂=32：17 m_桶=2kg  g=10N/kg  ρ=1.0×10³kg/m³  h=7m  t=70s  OM：ON=5：1  S=10^-2m²
求：（1）V=？（2）η₂=？（3）P₁=？（4）△p=？
解：
（1）當小明用力F₁提升一桶水時F₁=（G_水+G_動+G_桶）   
當小明用力F₂提升半桶水時F₂=（G_水+G_動+G_桶）    
∵F₁-F₂=150N
所以（G_水+G_動+G_桶）-（G_水+G_動+G_桶）=150N   
解得G_水=900N
V=V_水===0.09m³．
（2）桶受到的重力為G_桶=m_桶g=2kg×10N/kg=20N
∵= 
∴=
解得G_動=40N   F₁=320N    F₂=170N   
η₂===×100%≈88.2%．    
（3）W₁=F₁S₁=320N×3×7m=6720J；
P₁===96W．  
（4）F_M=G_水+G_動+G_桶-F₁=900N+40N+20N-320N=640N，
  F’_M=G_水+G_動+G_桶-F₂=×900N+40N+20N-170N=340N；
F_N===3200N，
F’_N===1700N；
△F=△F_N=F_N-F′_N=3200N-1700N=1500N
△p===1.5×10⁵Pa．
答：（1）水桶的容積為0.09m³；
（2）提升半桶水時滑輪組的機械效率為88.2%；
（3）若提升滿桶水從水面到陽臺用時70s，則小明做功的功率為96W；
（4）提升滿桶水與半桶水時，配重A對水平地面的壓強差為1.5×10⁵Pa．
點評：此題涉及到功、機械效率、功率、壓強的計算，知識點較多，難度較大，解決的關鍵是掌握公式或規律，對物體進行正確的受力分析．