Question

如圖所示，是使用汽車打撈水下重物的示意圖。汽車通過(guò)滑輪組打撈水下一個(gè)圓柱形重物，在整個(gè)打撈過(guò)程中，汽車以0.3m/s的速度向右水平勻速運(yùn)動(dòng)。重物在水面下被提升的過(guò)程共用時(shí)50s，汽車?yán)瓌?dòng)繩子的功率P₁為480W。重物開始露出水面到完全被打撈出水的過(guò)程共用時(shí)10s，此過(guò)程中汽車?yán)瓌?dòng)繩子的功率逐漸變大，當(dāng)重物完全被打撈出水后，汽車的功率P₂比P₁增加了120W，且滑輪組機(jī)械效率為80%。忽略水的阻力、繩重和滑輪的摩擦，g取10N/kg。求：

（1）重物浸沒(méi)在水中所受浮力；
（2）打撈前重物上表面受到水的壓力；
（3）被打撈重物的密度

Answer 1

（1）重物浸沒(méi)在水中所受浮力1200N；
（2）打撈前重物上表面受到水的壓力6×10³N；
（3）被打撈重物的密度4×10³kg/m³．

試題分析：（1）由汽車?yán)瓌?dòng)繩子的功率和速度，根據(jù)汽車?yán)�繩子的拉力，根據(jù)繩子的段數(shù)，分別求出重物浸沒(méi)在水中和完全露出水面時(shí)，滑輪組拉動(dòng)重物的力．
重物浸沒(méi)在水中和完全露出水面進(jìn)行受力分析，根據(jù)平衡條件列出等式，求出浮力大�。�
（2）①知道浮力、水的密度、根據(jù)阿基米德原理，求出重物排開水的體積，即重物的體積．
②重物有三段繩子承擔(dān)，重物移動(dòng)的速度是繩子自由端移動(dòng)速度的三分之一．
重物露出水面過(guò)程：知道繩子自由端的時(shí)間和速度，求出繩子自由端移動(dòng)的距離，求出重物出水移動(dòng)的距離，即重物的高度．
重物在水中浸沒(méi)過(guò)程：知道繩子自由端的時(shí)間和速度，求出繩子自由端移動(dòng)的距離，求出重物從開始移動(dòng)，到重物剛出水面的時(shí)，重物移動(dòng)的距離，即重物在水中的深度．
③知道重物體積和重物的高度，求出圓柱體重物的橫截面積，即受力面積．
④知道深度、水的密度，根據(jù)壓強(qiáng)公式求出水對(duì)重物上表面的壓強(qiáng)．根據(jù)F=pS，求出壓力．
（3）根據(jù)3F_拉2=G_物+G_輪求出重物和動(dòng)滑輪的總重，知道機(jī)械效率，根據(jù)η=，求出重物的重．
根據(jù)G=ρVg求出物體的密度．
解：以動(dòng)滑輪和重物為研究對(duì)象，物體出水前后受力情況如圖所示

（1） 3F_拉1+F_浮＝G_物+G_輪   ①
3F_拉2＝G_物+G_輪     ②       
（受力分析圖和兩個(gè)力的平衡方程）
F_拉1＝1600N  ③
F_拉2＝＝2000N  ④
由①、②、③、④式得
F_浮＝3(F_拉2－F_拉1) ＝3×(2000N－1600N) ＝1200N   
（2） V_排＝V_物＝＝0.12m³
重物在水中上升高度h₁＝s₁＝vt₁＝×0.3m/s×50s＝5m
重物的高度h₂＝s₂＝vt₂＝×0.3m/s×10s＝1m 
重物的橫截面積S＝＝＝0.12m²
打撈前重物上表面受水的壓力
F_壓＝p_水S＝r_水gh₁S＝1×10³kg/m³×10N/kg×5m×0.12m²＝6×10³N  
（3） 從②式得：G_物+G_輪＝3F_拉2＝3×2000N＝6000 N
h＝
G_物＝h(G_物+G_輪) ＝0.8×6000 N＝4800 N 
r_物＝＝4×10³kg/m³ 
點(diǎn)評(píng)：本題是力學(xué)計(jì)算的壓軸題，幾乎包括了力學(xué)的各種計(jì)算．本題包括力的分析、平衡力、浮力、繩子的段數(shù)、功率、壓力、液體壓強(qiáng)、體積、速度、密度、重力、機(jī)械效率等，綜合性很強(qiáng)，難度很大