Question

如圖是液壓汽車起重機(jī)從水中打撈重物的示意圖．A 是動滑輪，B 是定滑輪，C 是卷揚(yáng)機(jī)，D 是油缸，E是柱塞．作用在動滑輪上共三股鋼絲繩，卷揚(yáng)機(jī)轉(zhuǎn)動使鋼絲繩帶動動滑輪上升提取重物，被打撈的重物體積V=0.5m³．若在本次打撈前起重機(jī)對地面的壓強(qiáng)p₁=2.0×10⁷Pa，當(dāng)物體在水中勻速上升時起重機(jī)對地面的壓強(qiáng)p₂=2.375×10⁷Pa，物體完全出水后起重機(jī)對地面的壓強(qiáng)p₃=2.5×10⁷Pa．假設(shè)起重時柱塞沿豎直方向，物體出水前、后柱塞對吊臂的支撐力分別為N₁和N₂，N₁與N₂之比為19：24．重物出水后上升的速度v=0.45m/s．吊臂、定滑輪、鋼絲繩的重以及輪與繩的摩擦不計．（g取10N/kg）求：
（1）被打撈物體的重力；
（2）被打撈的物體浸沒在水中上升時，滑輪組AB的機(jī)械效率；
（3）重物出水后，卷揚(yáng)機(jī)牽引力的功率．

Answer 1

【答案】分析：作為一個實際場景中的問題，要學(xué)會和我們學(xué)過的知識聯(lián)系起來，建立和場景對應(yīng)的物理模型．本題的物理模型有兩個：一是AB組成的滑輪組；二是OFB組成的杠桿．對AB這個滑輪組來說，有三段繩子在承重；對OFB這個杠桿來說，O是支點，B和F分別是阻力和動力的作用點．要把題目所有的已知和求解的物理量分解到這兩個物理模型中去，哪些是AB這個滑輪組中的，哪些是OFB這個杠桿中的，再看題目要求解的，利用相應(yīng)的公式進(jìn)行求解．
解答：解：（1）設(shè)起重機(jī)重為G，被打撈物體重力為G_物；
打撈物體前，G=p₁S；
在水中勻速提升物體時：F_拉=G_物-F_浮；
起重機(jī)對地面的壓力：G+F_拉=p₂S；
F_浮=ρ_水gV_排=1000kg/m³×10N/kg×0.5m³=0.5×10⁴N；
物體出水后：G+G_物=p₃S
F_拉=（P₂-P₁）S；
G_物=（P₃-P₁）S；
整理可得：===；
可得物體重力為 G_物=2.0×10⁴N．
答：被打撈物體的重力為2.0×10⁴N．
（2）設(shè)鋼絲繩上的力在出水前后分別為F₁、F₂，柱塞對吊臂力的力臂為L₁，
鋼絲繩對吊臂力的力臂為L₂．根據(jù)杠桿平衡條件可知：
N₁L₁=3F₁L₂；N₂L₁=3F₂L₂；
所以F₁=；
F₂=；
∴=；
又∵==；
整理得：動滑輪的重力G_動=0.4×10⁴N；
物體浸沒在水中上升時，滑輪組的機(jī)械效率
η===×100%=78.9%；
答：被打撈的物體浸沒在水中上升時，滑輪組AB的機(jī)械效率為78.9%；
（3）出水后鋼絲繩上的力F₁===0.8×10⁴N；
物體上升的速度為V；則鋼絲繩的速度為V^′=3V=3×0.45m/s=1.35m/s；
所以重物出水后，卷揚(yáng)機(jī)牽引力的功率為P=F₁V=0.8×10⁴N×1.35m/s=1.08×10⁴W．
答：重物出水后，卷揚(yáng)機(jī)牽引力的功率為1.08×10⁴W．
點評：本題難度很大，對學(xué)生的要求很高．一是因為題目把所學(xué)的知識隱藏到了起吊裝置這樣一個實際場景中，二是因為本題所運用的公式較多，而且要求同學(xué)們能對這些公式進(jìn)行靈活的運用．同學(xué)們往往對實際場景的題目感到比較頭疼，特別是像本題這種復(fù)雜的實際場景．解決實際場景的題目，關(guān)鍵在于要把實際場景與所學(xué)的知識點聯(lián)系起來，建立起物理模型，再把題目已知的物理量套入物理模型中，這樣一來，實際場景的題目就轉(zhuǎn)化為解決物理模型的相關(guān)物理量．