13.如图甲所示的伸缩隔离柱,圆盘形底座质量分布均匀,直径为32 cm,正中有一立柱杆身,顶端伸缩头中有可自动收缩的布带,其模型结构如图乙所示,A处为伸缩头固定装置,B为杆身和底座连接处(杆身直径、布带宽度、伸缩头布带、底座厚度等均不计,除底座外其余部件的质量均不计)。为使隔离柱可承受的拉力变大,可以对伸缩隔离柱进行的改进措施是

①增大底座直径;②增大底座质量(其他答案合理也可)
。答案
13.①增大底座直径;②增大底座质量(其他答案合理也可)
解析
【分析】
要使隔离柱承受的拉力变大,需将其转化为杠杆模型分析:隔离柱以B点为支点,拉力F作用在A点产生使隔离柱绕B点转动的力矩,底座重力产生阻碍转动的力矩。根据力矩平衡,增大阻碍转动的力矩,就能承受更大的拉力。阻碍力矩由底座重力和重力的力臂决定,因此可通过增大底座重力或增大地重力的力臂来实现。
【解析】
把隔离柱看作以B为支点的杠杆,拉力F的力矩为$M_F = F · L$(L为A到B的竖直高度),底座重力G的力矩为$M_G = G · \frac{d}{2}$(d为底座直径,重心在底座中心,力臂为$\frac{d}{2}$)。当隔离柱即将转动时,$M_F = M_G$,即$F = \frac{Gd}{2L}$。要增大可承受的拉力F,可增大底座质量G(增大重力),或增大底座直径d(增大地重力的力臂),这样在L不变时,F会变大,提升承受拉力的能力。
【答案】
增大底座直径;增大底座质量(合理即可)
【知识点】
稳度、力矩平衡
【点评】
本题将实际隔离柱转化为杠杆模型,考查力矩平衡与稳度的应用,体现物理知识在生活中的实际运用,需学生建立模型分析问题。
【难度系数】
0.5
要使隔离柱承受的拉力变大,需将其转化为杠杆模型分析:隔离柱以B点为支点,拉力F作用在A点产生使隔离柱绕B点转动的力矩,底座重力产生阻碍转动的力矩。根据力矩平衡,增大阻碍转动的力矩,就能承受更大的拉力。阻碍力矩由底座重力和重力的力臂决定,因此可通过增大底座重力或增大地重力的力臂来实现。
【解析】
把隔离柱看作以B为支点的杠杆,拉力F的力矩为$M_F = F · L$(L为A到B的竖直高度),底座重力G的力矩为$M_G = G · \frac{d}{2}$(d为底座直径,重心在底座中心,力臂为$\frac{d}{2}$)。当隔离柱即将转动时,$M_F = M_G$,即$F = \frac{Gd}{2L}$。要增大可承受的拉力F,可增大底座质量G(增大重力),或增大底座直径d(增大地重力的力臂),这样在L不变时,F会变大,提升承受拉力的能力。
【答案】
增大底座直径;增大底座质量(合理即可)
【知识点】
稳度、力矩平衡
【点评】
本题将实际隔离柱转化为杠杆模型,考查力矩平衡与稳度的应用,体现物理知识在生活中的实际运用,需学生建立模型分析问题。
【难度系数】
0.5
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