试题

题目:
青果学院(2013·北京一模)如图甲所示,通过滑轮组打捞河水里一个圆柱形重物A,打捞前重物A下表面受到水的压强是5×104Pa.在整个打捞过程中,重物A始终以0.02m/s的速度上升.滑轮组绳端的拉力F的功率随时间变化的图象如图21乙所示,t2-t1=50S;重物在水面下被提升的过程机械效率为η1,当重物完全被打捞出水后机械效率为η2,η1:η2=15:16;第二次打捞重物B时,重物B在水面下被提升的过程中滑轮组的绳端所受拉力为140N,机械效率为η3.已知A的密度为ρA,体积为VA,B的密度为ρB,体积为VB,ρA:ρB=4:3,VA:VB=5:8.忽略水的阻力、绳重,g取10N/kg.求:
(1)物体A的密度        
(2)t1       
(3)η1:η3
答案
解:(1)设A物体在水下时A所受绳的拉力为T1,滑轮绳端拉力为F1,打捞出水面后A所受绳的拉力为T2,滑轮绳端拉力为F2
由图象知,物体出水前的拉力功率为P1=24W,出水后的功率P2=30W,绳子的移动速度v=3v=3×0.02m/s=0.06m/s,
∵P=Fv
∴出水前的拉力:F1=
P1
v
=
24W
0.06m/s
=400N,
出水后的拉力:F2=
P2
v
=
30W
0.06m/s
=500N,
出水前的机械效率:η1=
W有用
W
=
(GA-F浮A)h
F1×3h
=
ρAgVA-ρgVA
3F1

出水后的机械效率:η2=
W有用
W
=
GAh
F2×3h
=
ρAgVA
3F2

∵η1:η2=15:16
η1
η2
=
ρAgVA-ρgVA
3F1
ρAgVA
3F2
=
(ρA-ρ)F2
ρAF1
=
15
16

解得:ρA=4×103kg/m3
(2)设物体A的高度为h,打捞前A的下表面到水面的距离为H,
∵p=ρgH
∴打捞前A的下表面到水面的距离:
H=
p
ρg
=
5×104Pa
1×103kg/m3×10N/kg
=5m,
物体的高度:h=v(t2-t1)=0.02m/s×50s=1m,
物体到水面的距离:s=H-h=5m-1m=4m,
物体上升的时间:t1=
s
v
=
4m
0.02m/s
=200s;
(3)重物B在水面下被提升的过程中滑轮组的机械效率:
η3=
W有用
W
=
(GB-F浮B)h
3F3h
=
ρBgVB-ρgVB
3F3

又因为:ρA:ρB=4:3,VA:VB=5:8,
所以:
η1
η3
=
ρAgVA-ρgVA
3F1
ρBgVB-ρgVB
3F3
=
A-ρ
5
8
F1
×
F3
3
4
ρA-ρ
=
5
8
×140
400×2
=
21
64

答:(1)物体A的密度为4×103kg/m3
(2)时间t1为200s;
(3)η1:η3=21:64.
解:(1)设A物体在水下时A所受绳的拉力为T1,滑轮绳端拉力为F1,打捞出水面后A所受绳的拉力为T2,滑轮绳端拉力为F2
由图象知,物体出水前的拉力功率为P1=24W,出水后的功率P2=30W,绳子的移动速度v=3v=3×0.02m/s=0.06m/s,
∵P=Fv
∴出水前的拉力:F1=
P1
v
=
24W
0.06m/s
=400N,
出水后的拉力:F2=
P2
v
=
30W
0.06m/s
=500N,
出水前的机械效率:η1=
W有用
W
=
(GA-F浮A)h
F1×3h
=
ρAgVA-ρgVA
3F1

出水后的机械效率:η2=
W有用
W
=
GAh
F2×3h
=
ρAgVA
3F2

∵η1:η2=15:16
η1
η2
=
ρAgVA-ρgVA
3F1
ρAgVA
3F2
=
(ρA-ρ)F2
ρAF1
=
15
16

解得:ρA=4×103kg/m3
(2)设物体A的高度为h,打捞前A的下表面到水面的距离为H,
∵p=ρgH
∴打捞前A的下表面到水面的距离:
H=
p
ρg
=
5×104Pa
1×103kg/m3×10N/kg
=5m,
物体的高度:h=v(t2-t1)=0.02m/s×50s=1m,
物体到水面的距离:s=H-h=5m-1m=4m,
物体上升的时间:t1=
s
v
=
4m
0.02m/s
=200s;
(3)重物B在水面下被提升的过程中滑轮组的机械效率:
η3=
W有用
W
=
(GB-F浮B)h
3F3h
=
ρBgVB-ρgVB
3F3

又因为:ρA:ρB=4:3,VA:VB=5:8,
所以:
η1
η3
=
ρAgVA-ρgVA
3F1
ρBgVB-ρgVB
3F3
=
A-ρ
5
8
F1
×
F3
3
4
ρA-ρ
=
5
8
×140
400×2
=
21
64

答:(1)物体A的密度为4×103kg/m3
(2)时间t1为200s;
(3)η1:η3=21:64.
考点梳理
滑轮(组)的机械效率;液体压强计算公式的应用.
(1)由图读出物体在水中时和出水后拉力的功率,根据P=Fv求出拉力大小,根据机械效率公式η=
W有用
W
列出等式,求出物体A的密度;
(2)设物体A的高度为h,打捞前A的下表面到水面的距离为H,求出物体上表面到液面的距离,根据v=
s
t
求出时间;
(3)根据机械效率公式η=
W有用
W
列出第三次机械效率的等式,求出第一次和第三次机械效率的比值.
本题是力学计算的压轴题,几乎包括了力学的各种计算.本题包括力的分析、平衡力、浮力、绳子的段数、功率、压力、液体压强、体积、速度、密度、重力、机械效率等,综合性很强,难度很大.
压强、液体的压强;功、功率、机械效率.
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