二、填空题
6. 如图所示,A、B、C
三点将质量不均匀、
长度为$L$的木杆四等分。在$A$点用$1\ 500\ \mathrm{N}$
的力或在$B$点用$2\ 500\ \mathrm{N}$的力分别可以将木
杆一端抬起。则木杆的总重为
重心到$C$点的距离为
$C$点悬起,需在
悬挂
衡后,在$A$、$B$两点同时增加$500\ \mathrm{N}$的重
物,则
或“仍然平衡”)。
6. 如图所示,A、B、C
三点将质量不均匀、
长度为$L$的木杆四等分。在$A$点用$1\ 500\ \mathrm{N}$
的力或在$B$点用$2\ 500\ \mathrm{N}$的力分别可以将木
杆一端抬起。则木杆的总重为
3000
$\mathrm{N}$,木杆重心到$C$点的距离为
$\dfrac{1}{8}L$
。将木杆从$C$点悬起,需在
A
(填“$A$”或“$B$”)点悬挂
1500
$\mathrm{N}$的重物木杆才能平衡。平衡后,在$A$、$B$两点同时增加$500\ \mathrm{N}$的重
物,则
仍然平衡
(填“$A$侧翘起”“$B$侧翘起”或“仍然平衡”)。
答案
6. 3 000 $\dfrac{1}{8}L$ A 1 500 仍然平衡
提示:设木杆重心距离最右端$L'$,当动力作用在$A$点时,木杆的最右端为支点,有$F_A×\dfrac{3}{4}L=G× L'···$①,当动力作用在$B$点时,木杆的最左端为支点,有$F_B×\dfrac{3}{4}L=G×(L-L')···$②,由①②两式解得$G=\dfrac{3}{4}(F_A+F_B)=\dfrac{3}{4}×(1\ 500\ \mathrm{N}+2\ 500\ \mathrm{N})=3\ 000\ \mathrm{N}$,$L'=\dfrac{3}{8}L$,可知木杆重心在$C$点的右侧,且到$C$点的距离为$\dfrac{1}{2}L-\dfrac{3}{8}L=\dfrac{1}{8}L$;将木杆从$C$点悬起,需在$A$点悬挂重物,木杆平衡时,有$G×\dfrac{1}{8}L=G'×\dfrac{1}{4}L$,$G'=\dfrac{1}{2}×3\ 000\ \mathrm{N}=1\ 500\ \mathrm{N}$;在$A$、$B$两点同时增加$500\ \mathrm{N}$的重物时,$C$点两边增加的力和力臂的乘积相等,故杠杆仍然平衡。
提示:设木杆重心距离最右端$L'$,当动力作用在$A$点时,木杆的最右端为支点,有$F_A×\dfrac{3}{4}L=G× L'···$①,当动力作用在$B$点时,木杆的最左端为支点,有$F_B×\dfrac{3}{4}L=G×(L-L')···$②,由①②两式解得$G=\dfrac{3}{4}(F_A+F_B)=\dfrac{3}{4}×(1\ 500\ \mathrm{N}+2\ 500\ \mathrm{N})=3\ 000\ \mathrm{N}$,$L'=\dfrac{3}{8}L$,可知木杆重心在$C$点的右侧,且到$C$点的距离为$\dfrac{1}{2}L-\dfrac{3}{8}L=\dfrac{1}{8}L$;将木杆从$C$点悬起,需在$A$点悬挂重物,木杆平衡时,有$G×\dfrac{1}{8}L=G'×\dfrac{1}{4}L$,$G'=\dfrac{1}{2}×3\ 000\ \mathrm{N}=1\ 500\ \mathrm{N}$;在$A$、$B$两点同时增加$500\ \mathrm{N}$的重物时,$C$点两边增加的力和力臂的乘积相等,故杠杆仍然平衡。
解析
【分析】
本题需利用杠杆平衡条件(动力×动力臂=阻力×阻力臂)解题。首先分析两次抬木杆的场景,分别以木杆两端为支点,结合已知动力和力臂列方程,求出木杆总重与重心位置;再分析以C点为悬点的平衡状态,确定悬挂重物的位置和大小;最后通过计算增加力后的力矩变化,判断是否平衡。
【解析】
设木杆重心到最右端的距离为$ L' $,木杆总重为$ G $,木杆长度为$ L $。
1. 求木杆总重和重心位置:
在A点抬木杆时,以最右端为支点,动力臂为$ \frac{3}{4}L $,阻力臂为$ L' $,根据杠杆平衡条件:$ F_A × \frac{3}{4}L = G × L' $ ①
在B点抬木杆时,以最左端为支点,动力臂为$ \frac{3}{4}L $,阻力臂为$ L-L' $,根据杠杆平衡条件:$ F_B × \frac{3}{4}L = G × (L-L') $ ②
将①+②得:$ (F_A+F_B) × \frac{3}{4}L = G L $,代入$ F_A=1500\ \mathrm{N} $、$ F_B=2500\ \mathrm{N} $,解得$ G=3000\ \mathrm{N} $。
把$ G=3000\ \mathrm{N} $代入①式,解得$ L'=\frac{3}{8}L $。
A、B、C将木杆四等分,C点距左端$ \frac{1}{2}L $,重心距左端为$ L-L'=\frac{5}{8}L $,故重心到C点的距离为$ \frac{5}{8}L - \frac{1}{2}L=\frac{1}{8}L $。
2. 求C点悬起时的悬挂重物:
重心在C点右侧,需在左侧A点挂重物平衡。A点到C点距离为$ \frac{1}{4}L $,根据杠杆平衡:$ G × \frac{1}{8}L = G' × \frac{1}{4}L $,代入$ G=3000\ \mathrm{N} $,解得$ G'=1500\ \mathrm{N} $。
3. 判断加力后的平衡:
A、B各增加$ 500\ \mathrm{N} $时,A点增加的力矩为$ 500\ \mathrm{N} × \frac{1}{4}L $,B点增加的力矩也为$ 500\ \mathrm{N} × \frac{1}{4}L $,两者抵消,总力矩不变,故仍然平衡。
【答案】
3000;$\dfrac{1}{8}L$;A;1500;仍然平衡
【知识点】
杠杆平衡条件、力臂计算、力矩平衡
【点评】
本题是杠杆平衡条件的综合应用,需准确分析不同场景下的支点、力臂,通过方程推导未知量,最后判断力矩变化,是杠杆知识的典型考查题型。
【难度系数】
0.4
本题需利用杠杆平衡条件(动力×动力臂=阻力×阻力臂)解题。首先分析两次抬木杆的场景,分别以木杆两端为支点,结合已知动力和力臂列方程,求出木杆总重与重心位置;再分析以C点为悬点的平衡状态,确定悬挂重物的位置和大小;最后通过计算增加力后的力矩变化,判断是否平衡。
【解析】
设木杆重心到最右端的距离为$ L' $,木杆总重为$ G $,木杆长度为$ L $。
1. 求木杆总重和重心位置:
在A点抬木杆时,以最右端为支点,动力臂为$ \frac{3}{4}L $,阻力臂为$ L' $,根据杠杆平衡条件:$ F_A × \frac{3}{4}L = G × L' $ ①
在B点抬木杆时,以最左端为支点,动力臂为$ \frac{3}{4}L $,阻力臂为$ L-L' $,根据杠杆平衡条件:$ F_B × \frac{3}{4}L = G × (L-L') $ ②
将①+②得:$ (F_A+F_B) × \frac{3}{4}L = G L $,代入$ F_A=1500\ \mathrm{N} $、$ F_B=2500\ \mathrm{N} $,解得$ G=3000\ \mathrm{N} $。
把$ G=3000\ \mathrm{N} $代入①式,解得$ L'=\frac{3}{8}L $。
A、B、C将木杆四等分,C点距左端$ \frac{1}{2}L $,重心距左端为$ L-L'=\frac{5}{8}L $,故重心到C点的距离为$ \frac{5}{8}L - \frac{1}{2}L=\frac{1}{8}L $。
2. 求C点悬起时的悬挂重物:
重心在C点右侧,需在左侧A点挂重物平衡。A点到C点距离为$ \frac{1}{4}L $,根据杠杆平衡:$ G × \frac{1}{8}L = G' × \frac{1}{4}L $,代入$ G=3000\ \mathrm{N} $,解得$ G'=1500\ \mathrm{N} $。
3. 判断加力后的平衡:
A、B各增加$ 500\ \mathrm{N} $时,A点增加的力矩为$ 500\ \mathrm{N} × \frac{1}{4}L $,B点增加的力矩也为$ 500\ \mathrm{N} × \frac{1}{4}L $,两者抵消,总力矩不变,故仍然平衡。
【答案】
3000;$\dfrac{1}{8}L$;A;1500;仍然平衡
【知识点】
杠杆平衡条件、力臂计算、力矩平衡
【点评】
本题是杠杆平衡条件的综合应用,需准确分析不同场景下的支点、力臂,通过方程推导未知量,最后判断力矩变化,是杠杆知识的典型考查题型。
【难度系数】
0.4
7. (2025·南通海安阶段检测)如图甲所示,一辆装满物资的运输车总重为10 t,沿ABCD路线运至D处。AB段长为100 m,BC段长为600 m,B 点与 C 点的高度差为168 m。在整个运输过程中,运输车的输出功率与时间的关系如图乙所示,速度与时间的关系如图丙所示,汽车在$t_{0}=0$时经过A处,$t_{1}$时经过B处,$t_{2}$时经过C处。由图像知$t_{1}$的大小为

20
s,运输车从C点到D点过程中的牵引力为$1×10^4$
N。运输车从 B 点到 C 点做功的机械效率为35
%。(g 取 10 N/kg)答案
7. 20 $1×10^4$ 35
提示:$t_1=\dfrac{s_{AB}}{v_{AB}}=\dfrac{100\ \mathrm{m}}{5\ \mathrm{m/s}}=20\ \mathrm{s}$。在CD段,牵引力$F_{CD}=\dfrac{P_{CD}}{v_{CD}}=\dfrac{5×10^4\ \mathrm{W}}{5\ \mathrm{m/s}}=1×10^4\ \mathrm{N}$。BC点的高度差$h=168\ \mathrm{m}$,$W_{有用}=m_{总}gh=10\ 000\ \mathrm{kg}×10\ \mathrm{N/kg}×168\ \mathrm{m}=1.68×10^7\ \mathrm{J}$,$F_{BC}=\dfrac{P_{BC}}{v_{BC}}=\dfrac{8×10^4\ \mathrm{W}}{1\ \mathrm{m/s}}=8×10^4\ \mathrm{N}$,$W_{总}=F_{BC}s_{BC}=8×10^4\ \mathrm{N}×600\ \mathrm{m}=4.8×10^7\ \mathrm{J}$,$\eta_{BC}=\dfrac{W_{有用}}{W_{总}}×100\%=\dfrac{1.68×10^7\ \mathrm{J}}{4.8×10^7\ \mathrm{J}}×100\%=35\%$。
提示:$t_1=\dfrac{s_{AB}}{v_{AB}}=\dfrac{100\ \mathrm{m}}{5\ \mathrm{m/s}}=20\ \mathrm{s}$。在CD段,牵引力$F_{CD}=\dfrac{P_{CD}}{v_{CD}}=\dfrac{5×10^4\ \mathrm{W}}{5\ \mathrm{m/s}}=1×10^4\ \mathrm{N}$。BC点的高度差$h=168\ \mathrm{m}$,$W_{有用}=m_{总}gh=10\ 000\ \mathrm{kg}×10\ \mathrm{N/kg}×168\ \mathrm{m}=1.68×10^7\ \mathrm{J}$,$F_{BC}=\dfrac{P_{BC}}{v_{BC}}=\dfrac{8×10^4\ \mathrm{W}}{1\ \mathrm{m/s}}=8×10^4\ \mathrm{N}$,$W_{总}=F_{BC}s_{BC}=8×10^4\ \mathrm{N}×600\ \mathrm{m}=4.8×10^7\ \mathrm{J}$,$\eta_{BC}=\dfrac{W_{有用}}{W_{总}}×100\%=\dfrac{1.68×10^7\ \mathrm{J}}{4.8×10^7\ \mathrm{J}}×100\%=35\%$。
解析
【分析】
要解决本题,需结合速度、功率、功和机械效率的相关公式,从图像和题干中提取对应物理量:
1. 求$t_1$:AB段运输车匀速行驶,已知路程和速度,利用速度公式$v=\frac{s}{t}$即可计算时间;
2. 求CD段牵引力:CD段已知功率和速度,利用功率公式$P=Fv$变形得$F=\frac{P}{v}$,可求牵引力;
3. 求BC段机械效率:BC段先由功率和速度求牵引力,再计算总功;有用功是克服重力做的功,利用$W_{有用}=mgh$计算,最后根据机械效率公式$\eta=\frac{W_{有用}}{W_{总}}×100\%$求解。
【解析】
1. 计算$t_1$:AB段运输车速度$v_{AB}=5\ \mathrm{m/s}$,路程$s_{AB}=100\ \mathrm{m}$,由$v=\frac{s}{t}$得:
$t_1=\frac{s_{AB}}{v_{AB}}=\frac{100\ \mathrm{m}}{5\ \mathrm{m/s}}=20\ \mathrm{s}$;
2. 计算CD段牵引力:CD段功率$P_{CD}=50×10^3\ \mathrm{W}=5×10^4\ \mathrm{W}$,速度$v_{CD}=5\ \mathrm{m/s}$,由$P=Fv$得:
$F_{CD}=\frac{P_{CD}}{v_{CD}}=\frac{5×10^4\ \mathrm{W}}{5\ \mathrm{m/s}}=1×10^4\ \mathrm{N}$;
3. 计算BC段机械效率:
BC段功率$P_{BC}=80×10^3\ \mathrm{W}=8×10^4\ \mathrm{W}$,速度$v_{BC}=1\ \mathrm{m/s}$,BC段牵引力$F_{BC}=\frac{P_{BC}}{v_{BC}}=\frac{8×10^4\ \mathrm{W}}{1\ \mathrm{m/s}}=8×10^4\ \mathrm{N}$;
总功$W_{总}=F_{BC}s_{BC}=8×10^4\ \mathrm{N}×600\ \mathrm{m}=4.8×10^7\ \mathrm{J}$;
运输车总重$m=10\ \mathrm{t}=10^4\ \mathrm{kg}$,重力$G=mg=10^4\ \mathrm{kg}×10\ \mathrm{N/kg}=10^5\ \mathrm{N}$,有用功$W_{有用}=Gh=10^5\ \mathrm{N}×168\ \mathrm{m}=1.68×10^7\ \mathrm{J}$;
机械效率$\eta=\frac{W_{有用}}{W_{总}}×100\%=\frac{1.68×10^7\ \mathrm{J}}{4.8×10^7\ \mathrm{J}}×100\%=35\%$。
【答案】
20;$1×10^4$;35
【知识点】
功率公式应用、机械效率计算、速度公式应用
【点评】
本题结合图像考查力学综合计算,需准确提取各段的功率、速度等物理量,区分有用功与总功,熟练运用相关公式即可求解,难度适中。
【难度系数】
0.5
要解决本题,需结合速度、功率、功和机械效率的相关公式,从图像和题干中提取对应物理量:
1. 求$t_1$:AB段运输车匀速行驶,已知路程和速度,利用速度公式$v=\frac{s}{t}$即可计算时间;
2. 求CD段牵引力:CD段已知功率和速度,利用功率公式$P=Fv$变形得$F=\frac{P}{v}$,可求牵引力;
3. 求BC段机械效率:BC段先由功率和速度求牵引力,再计算总功;有用功是克服重力做的功,利用$W_{有用}=mgh$计算,最后根据机械效率公式$\eta=\frac{W_{有用}}{W_{总}}×100\%$求解。
【解析】
1. 计算$t_1$:AB段运输车速度$v_{AB}=5\ \mathrm{m/s}$,路程$s_{AB}=100\ \mathrm{m}$,由$v=\frac{s}{t}$得:
$t_1=\frac{s_{AB}}{v_{AB}}=\frac{100\ \mathrm{m}}{5\ \mathrm{m/s}}=20\ \mathrm{s}$;
2. 计算CD段牵引力:CD段功率$P_{CD}=50×10^3\ \mathrm{W}=5×10^4\ \mathrm{W}$,速度$v_{CD}=5\ \mathrm{m/s}$,由$P=Fv$得:
$F_{CD}=\frac{P_{CD}}{v_{CD}}=\frac{5×10^4\ \mathrm{W}}{5\ \mathrm{m/s}}=1×10^4\ \mathrm{N}$;
3. 计算BC段机械效率:
BC段功率$P_{BC}=80×10^3\ \mathrm{W}=8×10^4\ \mathrm{W}$,速度$v_{BC}=1\ \mathrm{m/s}$,BC段牵引力$F_{BC}=\frac{P_{BC}}{v_{BC}}=\frac{8×10^4\ \mathrm{W}}{1\ \mathrm{m/s}}=8×10^4\ \mathrm{N}$;
总功$W_{总}=F_{BC}s_{BC}=8×10^4\ \mathrm{N}×600\ \mathrm{m}=4.8×10^7\ \mathrm{J}$;
运输车总重$m=10\ \mathrm{t}=10^4\ \mathrm{kg}$,重力$G=mg=10^4\ \mathrm{kg}×10\ \mathrm{N/kg}=10^5\ \mathrm{N}$,有用功$W_{有用}=Gh=10^5\ \mathrm{N}×168\ \mathrm{m}=1.68×10^7\ \mathrm{J}$;
机械效率$\eta=\frac{W_{有用}}{W_{总}}×100\%=\frac{1.68×10^7\ \mathrm{J}}{4.8×10^7\ \mathrm{J}}×100\%=35\%$。
【答案】
20;$1×10^4$;35
【知识点】
功率公式应用、机械效率计算、速度公式应用
【点评】
本题结合图像考查力学综合计算,需准确提取各段的功率、速度等物理量,区分有用功与总功,熟练运用相关公式即可求解,难度适中。
【难度系数】
0.5
8. 如图所示,建筑工地上,需要利用拖拉机和滑轮组将一个质量为$1.2× 10^{3}\ {kg}$的物体,拉到长$100\ {m}$,高$60\ {m}$的斜面顶端,测得拉动一个物体沿斜面匀速上升时拖拉机对绳的水平拉力为$4.8× 10^{3}\ {N}$。不计绳重及绳与滑轮间的摩擦,装置(滑轮组与斜面组合)的机械效率为

75
$\%$。若动滑轮重$500\ {N}$,则物体与斜面的摩擦力为$2.1×10^3$
${N}$。若拖拉机质量为$12\ {t}$,最大输出功率为$48\ {kW}$,受到水平地面的阻力为车重的$0.01$倍,则其在匀速运动时的最大速度为8
${m/s}$。($g$取$10\ {N/kg}$)答案
8. 75 $2.1×10^3$ 8
提示:$W_{有用}=Gh=mgh=1.2×10^3\ \mathrm{kg}×10\ \mathrm{N/kg}×60\ \mathrm{m}=7.2×10^5\ \mathrm{J}$,将物体拉上斜面时,拖拉机通过距离$s=2L=2×100\ \mathrm{m}=200\ \mathrm{m}$,$W_{总}=F_{拉}s=4.8×10^3\ \mathrm{N}×200\ \mathrm{m}=9.6×10^5\ \mathrm{J}$,$\eta=\dfrac{W_{有用}}{W_{总}}×100\%=\dfrac{7.2×10^5\ \mathrm{J}}{9.6×10^5\ \mathrm{J}}×100\%=75\%$。$W_{额外}=W_{总}-W_{有用}=9.6×10^5\ \mathrm{J}-7.2×10^5\ \mathrm{J}=2.4×10^5\ \mathrm{J}$,不计绳重及绳与滑轮间的摩擦,$W_{额外}=fL+G_{动}h$,$f=\dfrac{W_{额外}-G_{动}h}{L}=\dfrac{2.4×10^5\ \mathrm{J}-500\ \mathrm{N}×60\ \mathrm{m}}{100\ \mathrm{m}}=2.1×10^3\ \mathrm{N}$。拖拉机做匀速直线运动,$F_{牵}=f_{机}+F_{拉}=0.01G_{机}+F_{拉}=0.01m_{机}g+F_{拉}=0.01×12×10^3\ \mathrm{kg}×10\ \mathrm{N/kg}+4.8×10^3\ \mathrm{N}=6\ 000\ \mathrm{N}$,$v_{大}=\dfrac{P}{F_{牵}}=\dfrac{48×10^3\ \mathrm{W}}{6\ 000\ \mathrm{N}}=8\ \mathrm{m/s}$。
提示:$W_{有用}=Gh=mgh=1.2×10^3\ \mathrm{kg}×10\ \mathrm{N/kg}×60\ \mathrm{m}=7.2×10^5\ \mathrm{J}$,将物体拉上斜面时,拖拉机通过距离$s=2L=2×100\ \mathrm{m}=200\ \mathrm{m}$,$W_{总}=F_{拉}s=4.8×10^3\ \mathrm{N}×200\ \mathrm{m}=9.6×10^5\ \mathrm{J}$,$\eta=\dfrac{W_{有用}}{W_{总}}×100\%=\dfrac{7.2×10^5\ \mathrm{J}}{9.6×10^5\ \mathrm{J}}×100\%=75\%$。$W_{额外}=W_{总}-W_{有用}=9.6×10^5\ \mathrm{J}-7.2×10^5\ \mathrm{J}=2.4×10^5\ \mathrm{J}$,不计绳重及绳与滑轮间的摩擦,$W_{额外}=fL+G_{动}h$,$f=\dfrac{W_{额外}-G_{动}h}{L}=\dfrac{2.4×10^5\ \mathrm{J}-500\ \mathrm{N}×60\ \mathrm{m}}{100\ \mathrm{m}}=2.1×10^3\ \mathrm{N}$。拖拉机做匀速直线运动,$F_{牵}=f_{机}+F_{拉}=0.01G_{机}+F_{拉}=0.01m_{机}g+F_{拉}=0.01×12×10^3\ \mathrm{kg}×10\ \mathrm{N/kg}+4.8×10^3\ \mathrm{N}=6\ 000\ \mathrm{N}$,$v_{大}=\dfrac{P}{F_{牵}}=\dfrac{48×10^3\ \mathrm{W}}{6\ 000\ \mathrm{N}}=8\ \mathrm{m/s}$。
解析
【分析】
要解决这道题,需分三步分析:
1. 求装置的机械效率:机械效率$\eta=\frac{W_{有用}}{W_{总}}×100\%$,其中有用功是提升物体做的功($W_{有用}=Gh=mgh$),总功是拖拉机拉力做的功,注意滑轮组的绳子段数,动滑轮上有2段绳子,因此拖拉机移动的距离是斜面长度的2倍。
2. 求物体与斜面的摩擦力:额外功包括克服斜面摩擦力和动滑轮重力做的功,即$W_{额外}=W_{总}-W_{有用}=fL+G_{动}h$,据此可推导计算摩擦力$f$。
3. 求拖拉机的最大速度:拖拉机匀速运动时,牵引力需克服自身阻力和对绳的拉力,先算出总牵引力,再根据功率公式$P=Fv$变形得$v=\frac{P}{F_{牵}}$,计算最大速度。
【解析】
1. 计算有用功:
$W_{有用}=Gh=mgh=1.2×10^3\ \mathrm{kg}×10\ \mathrm{N/kg}×60\ \mathrm{m}=7.2×10^5\ \mathrm{J}$
2. 计算总功:
由图可知,动滑轮上有2段绳子,故拖拉机移动的距离$s=2L=2×100\ \mathrm{m}=200\ \mathrm{m}$
$W_{总}=F_{拉}s=4.8×10^3\ \mathrm{N}×200\ \mathrm{m}=9.6×10^5\ \mathrm{J}$
3. 计算机械效率:
$\eta=\frac{W_{有用}}{W_{总}}×100\%=\frac{7.2×10^5\ \mathrm{J}}{9.6×10^5\ \mathrm{J}}×100\%=75\%$
4. 计算物体与斜面的摩擦力:
额外功$W_{额外}=W_{总}-W_{有用}=9.6×10^5\ \mathrm{J}-7.2×10^5\ \mathrm{J}=2.4×10^5\ \mathrm{J}$
不计绳重及摩擦,$W_{额外}=fL+G_{动}h$,代入数据:
$2.4×10^5\ \mathrm{J}=f×100\ \mathrm{m}+500\ \mathrm{N}×60\ \mathrm{m}$
解得$f=\frac{2.4×10^5\ \mathrm{J}-3×10^4\ \mathrm{J}}{100\ \mathrm{m}}=2.1×10^3\ \mathrm{N}$
5. 计算拖拉机的最大速度:
拖拉机的重力$G_{机}=m_{机}g=12×10^3\ \mathrm{kg}×10\ \mathrm{N/kg}=1.2×10^5\ \mathrm{N}$
拖拉机受到的阻力$f_{机}=0.01G_{机}=0.01×1.2×10^5\ \mathrm{N}=1200\ \mathrm{N}$
拖拉机匀速运动时,牵引力$F_{牵}=f_{机}+F_{拉}=1200\ \mathrm{N}+4.8×10^3\ \mathrm{N}=6000\ \mathrm{N}$
拖拉机的最大输出功率$P=48\ \mathrm{kW}=4.8×10^4\ \mathrm{W}$
由$P=Fv$得,最大速度$v=\frac{P}{F_{牵}}=\frac{4.8×10^4\ \mathrm{W}}{6000\ \mathrm{N}}=8\ \mathrm{m/s}$
【答案】
75;$2.1×10^3$;8
【知识点】
机械效率、功的计算、功率的计算
【点评】
本题结合滑轮组与斜面的机械效率问题,需明确有用功、总功、额外功的来源,同时结合拖拉机的受力分析计算最大速度,综合考查力学中功、机械效率、功率的相关知识,解题时需理清各物理量间的关系,注意滑轮组绳子段数的判断。
【难度系数】
0.5
要解决这道题,需分三步分析:
1. 求装置的机械效率:机械效率$\eta=\frac{W_{有用}}{W_{总}}×100\%$,其中有用功是提升物体做的功($W_{有用}=Gh=mgh$),总功是拖拉机拉力做的功,注意滑轮组的绳子段数,动滑轮上有2段绳子,因此拖拉机移动的距离是斜面长度的2倍。
2. 求物体与斜面的摩擦力:额外功包括克服斜面摩擦力和动滑轮重力做的功,即$W_{额外}=W_{总}-W_{有用}=fL+G_{动}h$,据此可推导计算摩擦力$f$。
3. 求拖拉机的最大速度:拖拉机匀速运动时,牵引力需克服自身阻力和对绳的拉力,先算出总牵引力,再根据功率公式$P=Fv$变形得$v=\frac{P}{F_{牵}}$,计算最大速度。
【解析】
1. 计算有用功:
$W_{有用}=Gh=mgh=1.2×10^3\ \mathrm{kg}×10\ \mathrm{N/kg}×60\ \mathrm{m}=7.2×10^5\ \mathrm{J}$
2. 计算总功:
由图可知,动滑轮上有2段绳子,故拖拉机移动的距离$s=2L=2×100\ \mathrm{m}=200\ \mathrm{m}$
$W_{总}=F_{拉}s=4.8×10^3\ \mathrm{N}×200\ \mathrm{m}=9.6×10^5\ \mathrm{J}$
3. 计算机械效率:
$\eta=\frac{W_{有用}}{W_{总}}×100\%=\frac{7.2×10^5\ \mathrm{J}}{9.6×10^5\ \mathrm{J}}×100\%=75\%$
4. 计算物体与斜面的摩擦力:
额外功$W_{额外}=W_{总}-W_{有用}=9.6×10^5\ \mathrm{J}-7.2×10^5\ \mathrm{J}=2.4×10^5\ \mathrm{J}$
不计绳重及摩擦,$W_{额外}=fL+G_{动}h$,代入数据:
$2.4×10^5\ \mathrm{J}=f×100\ \mathrm{m}+500\ \mathrm{N}×60\ \mathrm{m}$
解得$f=\frac{2.4×10^5\ \mathrm{J}-3×10^4\ \mathrm{J}}{100\ \mathrm{m}}=2.1×10^3\ \mathrm{N}$
5. 计算拖拉机的最大速度:
拖拉机的重力$G_{机}=m_{机}g=12×10^3\ \mathrm{kg}×10\ \mathrm{N/kg}=1.2×10^5\ \mathrm{N}$
拖拉机受到的阻力$f_{机}=0.01G_{机}=0.01×1.2×10^5\ \mathrm{N}=1200\ \mathrm{N}$
拖拉机匀速运动时,牵引力$F_{牵}=f_{机}+F_{拉}=1200\ \mathrm{N}+4.8×10^3\ \mathrm{N}=6000\ \mathrm{N}$
拖拉机的最大输出功率$P=48\ \mathrm{kW}=4.8×10^4\ \mathrm{W}$
由$P=Fv$得,最大速度$v=\frac{P}{F_{牵}}=\frac{4.8×10^4\ \mathrm{W}}{6000\ \mathrm{N}}=8\ \mathrm{m/s}$
【答案】
75;$2.1×10^3$;8
【知识点】
机械效率、功的计算、功率的计算
【点评】
本题结合滑轮组与斜面的机械效率问题,需明确有用功、总功、额外功的来源,同时结合拖拉机的受力分析计算最大速度,综合考查力学中功、机械效率、功率的相关知识,解题时需理清各物理量间的关系,注意滑轮组绳子段数的判断。
【难度系数】
0.5
9. 如图甲所示,每个滑轮等重,不计绳重和摩擦,物重G从200 N开始逐渐增大,直到绳子被拉断。每次均匀速拉动绳子将物体提升同样的高度。图乙为在此过程中滑轮组的机械效率随物重的增加而变化的图像。

(1) 每个动滑轮重
(2) 绳子能承受的最大拉力是
(3) 当滑轮组的机械效率为80%时,物体重
(4) 当拉力为
(1) 每个动滑轮重
100
N。(2) 绳子能承受的最大拉力是
500
N。(3) 当滑轮组的机械效率为80%时,物体重
800
N。(4) 当拉力为
$\dfrac{200}{3}$
N时,使用该滑轮组既不省力也不费力。答案
9. (1) 100 (2) 500 (3) 800 (4) $\dfrac{200}{3}$
提示:(1) 当$G=200\ \mathrm{N}$时,$\eta=50\%$,由$\eta=\dfrac{G}{G+G_{动}}×100\%$得$G_{动}=\dfrac{G}{\eta}-G=\dfrac{200\ \mathrm{N}}{50\%}-200\ \mathrm{N}=200\ \mathrm{N}$,该装置有两个动滑轮,故每个动滑轮重$100\ \mathrm{N}$。(2) 当$G_{大}=1\ 800\ \mathrm{N}$时绳子被拉断,此时拉力$F$最大,$F_{大}=\dfrac{G_{大}+G_{动}}{n}=\dfrac{1\ 800\ \mathrm{N}+200\ \mathrm{N}}{4}=500\ \mathrm{N}$。(3) $G'=\dfrac{\eta G_{动}}{1-\eta}=\dfrac{200\ \mathrm{N}×80\%}{1-80\%}=800\ \mathrm{N}$。(4) 当滑轮组既不省力也不费力时,$F=G''$,即$G''=\dfrac{G''+G_{动}}{n}$,将$G_{动}=200\ \mathrm{N}$、$n=4$代入解得$G''=\dfrac{200}{3}\ \mathrm{N}$。
提示:(1) 当$G=200\ \mathrm{N}$时,$\eta=50\%$,由$\eta=\dfrac{G}{G+G_{动}}×100\%$得$G_{动}=\dfrac{G}{\eta}-G=\dfrac{200\ \mathrm{N}}{50\%}-200\ \mathrm{N}=200\ \mathrm{N}$,该装置有两个动滑轮,故每个动滑轮重$100\ \mathrm{N}$。(2) 当$G_{大}=1\ 800\ \mathrm{N}$时绳子被拉断,此时拉力$F$最大,$F_{大}=\dfrac{G_{大}+G_{动}}{n}=\dfrac{1\ 800\ \mathrm{N}+200\ \mathrm{N}}{4}=500\ \mathrm{N}$。(3) $G'=\dfrac{\eta G_{动}}{1-\eta}=\dfrac{200\ \mathrm{N}×80\%}{1-80\%}=800\ \mathrm{N}$。(4) 当滑轮组既不省力也不费力时,$F=G''$,即$G''=\dfrac{G''+G_{动}}{n}$,将$G_{动}=200\ \mathrm{N}$、$n=4$代入解得$G''=\dfrac{200}{3}\ \mathrm{N}$。
解析
【分析】
首先确定滑轮组承担物重的绳子段数n,从图甲可知n=4;利用不计绳重和摩擦时滑轮组的机械效率公式η=G/(G+G动总),结合图乙中G=200N时η=50%算出总动滑轮重,进而得到每个动滑轮重;再从图乙找到绳子被拉断时的最大物重,结合拉力公式F=(G+G动总)/n算出最大拉力;对于机械效率为80%的情况,用机械效率公式变形求物重;既不省力也不费力时拉力等于物重,联立拉力公式求解即可。
【解析】
解:由图甲可知,该滑轮组承担物重的绳子段数n=4;不计绳重和摩擦时,滑轮组的机械效率公式为η=W有/W总=Gh/(Gh+G动总h)=G/(G+G动总)。
(1) 当G₁=200N时,η₁=50%,代入公式得:50% = 200N/(200N + G动总),解得总动滑轮重G动总=200N;因有2个动滑轮,故每个动滑轮重G动=200N/2=100N。
(2) 由图乙可知,绳子被拉断时物重G大=1800N,此时最大拉力F大=(G大 + G动总)/n=(1800N +200N)/4=500N。
(3) 当η₂=80%时,代入公式得:80% = G₂/(G₂ +200N),解得G₂=800N。
(4) 既不省力也不费力时,拉力F=G'',而F=(G'' + G动总)/n,故G''=(G'' +200N)/4,解得G''=200/3 N。
【答案】
(1)100;(2)500;(3)800;(4)$\dfrac{200}{3}$
【知识点】
滑轮组机械效率;滑轮组拉力计算
【点评】
本题结合图像考查滑轮组的相关计算,需熟练掌握不计绳重和摩擦时滑轮组的机械效率、拉力公式,关键是从图像提取有效信息,难度适中。
【难度系数】
0.6
首先确定滑轮组承担物重的绳子段数n,从图甲可知n=4;利用不计绳重和摩擦时滑轮组的机械效率公式η=G/(G+G动总),结合图乙中G=200N时η=50%算出总动滑轮重,进而得到每个动滑轮重;再从图乙找到绳子被拉断时的最大物重,结合拉力公式F=(G+G动总)/n算出最大拉力;对于机械效率为80%的情况,用机械效率公式变形求物重;既不省力也不费力时拉力等于物重,联立拉力公式求解即可。
【解析】
解:由图甲可知,该滑轮组承担物重的绳子段数n=4;不计绳重和摩擦时,滑轮组的机械效率公式为η=W有/W总=Gh/(Gh+G动总h)=G/(G+G动总)。
(1) 当G₁=200N时,η₁=50%,代入公式得:50% = 200N/(200N + G动总),解得总动滑轮重G动总=200N;因有2个动滑轮,故每个动滑轮重G动=200N/2=100N。
(2) 由图乙可知,绳子被拉断时物重G大=1800N,此时最大拉力F大=(G大 + G动总)/n=(1800N +200N)/4=500N。
(3) 当η₂=80%时,代入公式得:80% = G₂/(G₂ +200N),解得G₂=800N。
(4) 既不省力也不费力时,拉力F=G'',而F=(G'' + G动总)/n,故G''=(G'' +200N)/4,解得G''=200/3 N。
【答案】
(1)100;(2)500;(3)800;(4)$\dfrac{200}{3}$
【知识点】
滑轮组机械效率;滑轮组拉力计算
【点评】
本题结合图像考查滑轮组的相关计算,需熟练掌握不计绳重和摩擦时滑轮组的机械效率、拉力公式,关键是从图像提取有效信息,难度适中。
【难度系数】
0.6
三、解答题
10. 小明根据杠杆平衡条件在家测量某液体的密度,其装置放在水平面上,如图所示。轻质杠杆 OA 和 BC 垂直固定在一起,BC 压在电子秤上,O 为支点,且测量过程中 O 点和 C 点位置保持不变。

(1) 调节杠杆 OA 在水平位置平衡,其目的是
(2) 将一个质量不计的矿泉水瓶装满水,用细线将矿泉水瓶悬挂在 OA 的 D 点上,记录此时电子秤的示数为 m,测量悬挂点 D 到 O 的距离为$L_{1}$。
(3) 取下装水的矿泉水瓶,将另一个完全相同的矿泉水瓶装满待测液体,用细线将矿泉水瓶悬挂在 D 点。此时电子秤的示数小于 m,则待测液体的密度
(4) 待测液体密度的表达式为$\rho_{\mathrm{液}}=$
(5) 若考虑矿泉水瓶的质量,测量结果为$\rho'_{\mathrm{液}}$,则$\rho'_{\mathrm{液}}$
10. 小明根据杠杆平衡条件在家测量某液体的密度,其装置放在水平面上,如图所示。轻质杠杆 OA 和 BC 垂直固定在一起,BC 压在电子秤上,O 为支点,且测量过程中 O 点和 C 点位置保持不变。
(1) 调节杠杆 OA 在水平位置平衡,其目的是
便于测量力臂
。(2) 将一个质量不计的矿泉水瓶装满水,用细线将矿泉水瓶悬挂在 OA 的 D 点上,记录此时电子秤的示数为 m,测量悬挂点 D 到 O 的距离为$L_{1}$。
(3) 取下装水的矿泉水瓶,将另一个完全相同的矿泉水瓶装满待测液体,用细线将矿泉水瓶悬挂在 D 点。此时电子秤的示数小于 m,则待测液体的密度
小于
(填“大于”“等于”或“小于”)水的密度,向左
(填“左”或“右”)移动悬挂点的位置,直到电子秤的示数仍为 m,测量此时悬挂点到 O 点的距离为$L_{2}$。(4) 待测液体密度的表达式为$\rho_{\mathrm{液}}=$
$\dfrac{\rho_{水}L_1}{L_2}$
(水的密度用$\rho_{\mathrm{水}}$表示)。(5) 若考虑矿泉水瓶的质量,测量结果为$\rho'_{\mathrm{液}}$,则$\rho'_{\mathrm{液}}$
$<$
(填“$>$”“$<$”或“$=$”)$\rho_{\mathrm{液}}$。答案
10. (1) 便于测量力臂 (3) 小于 左 (4) $\dfrac{\rho_{水}L_1}{L_2}$ (5) $<$
提示:(1) 杠杆在水平位置平衡时,力臂在杠杆上,便于测量力臂。(3) 将装满水的矿泉水瓶悬挂在D点时,BC对电子秤的压力$F=mg$,由杠杆平衡条件有$mg× OA=\rho_{水}gV× L_1···$①,将装满待测液体的矿泉水瓶悬挂在D点时,BC对电子秤的压力为$F'=m'g$,有$m'g× OA=\rho_{液}gV× L_1···$②,因$m'<m$,由①②得$\rho_{液}<\rho_{水}$,为保持电子秤的示数$m$不变,应增大$L_1$,悬挂点应向左端移动。(4) 当电子秤的示数再次显示为$m$时,悬挂点到O点的距离为$L_2$,有$mg× OA=\rho_{液}gV× L_2···$③,由①③得$\rho_{水}gV× L_1=\rho_{液}gV× L_2$,解得$\rho_{液}=\dfrac{\rho_{水}L_1}{L_2}$。(5) 设瓶子的质量为$m_0$,瓶中装满水时,有$mg× OA=(\rho_{水}gV+m_0g)× L_1···$④,瓶中装满待测液体时,有$mg× OA=(\rho'_{液}gV+m_0g)× L_2···$⑤,由④⑤得$(\rho_{水}gV+m_0g)× L_1=(\rho'_{液}gV+m_0g)× L_2$,$\rho_{水}gVL_1+m_0gL_1=\rho'_{液}gVL_2+m_0gL_2$,由于$m_0gL_1<m_0gL_2$,故$\rho_{水}gVL_1>\rho'_{液}gVL_2$,$\rho'_{液}<\dfrac{\rho_{水}L_1}{L_2}$,即$\rho'_{液}<\rho_{液}$。
提示:(1) 杠杆在水平位置平衡时,力臂在杠杆上,便于测量力臂。(3) 将装满水的矿泉水瓶悬挂在D点时,BC对电子秤的压力$F=mg$,由杠杆平衡条件有$mg× OA=\rho_{水}gV× L_1···$①,将装满待测液体的矿泉水瓶悬挂在D点时,BC对电子秤的压力为$F'=m'g$,有$m'g× OA=\rho_{液}gV× L_1···$②,因$m'<m$,由①②得$\rho_{液}<\rho_{水}$,为保持电子秤的示数$m$不变,应增大$L_1$,悬挂点应向左端移动。(4) 当电子秤的示数再次显示为$m$时,悬挂点到O点的距离为$L_2$,有$mg× OA=\rho_{液}gV× L_2···$③,由①③得$\rho_{水}gV× L_1=\rho_{液}gV× L_2$,解得$\rho_{液}=\dfrac{\rho_{水}L_1}{L_2}$。(5) 设瓶子的质量为$m_0$,瓶中装满水时,有$mg× OA=(\rho_{水}gV+m_0g)× L_1···$④,瓶中装满待测液体时,有$mg× OA=(\rho'_{液}gV+m_0g)× L_2···$⑤,由④⑤得$(\rho_{水}gV+m_0g)× L_1=(\rho'_{液}gV+m_0g)× L_2$,$\rho_{水}gVL_1+m_0gL_1=\rho'_{液}gVL_2+m_0gL_2$,由于$m_0gL_1<m_0gL_2$,故$\rho_{水}gVL_1>\rho'_{液}gVL_2$,$\rho'_{液}<\dfrac{\rho_{水}L_1}{L_2}$,即$\rho'_{液}<\rho_{液}$。
解析
【分析】
本题是利用杠杆平衡条件间接测量液体密度的实验题,解题思路如下:
1. 明确杠杆水平平衡的目的:杠杆在水平位置时,力的方向与杠杆垂直,力臂可直接从杠杆刻度读取,便于测量力臂。
2. 分析待测液体密度:根据杠杆平衡条件,电子秤示数反映杠杆左端的拉力大小,装待测液体时电子秤示数变小,说明液体对杠杆的拉力更小,相同体积下密度更小;要使电子秤示数回到原示数,需增大拉力的力臂,因此向左移动悬挂点。
3. 推导密度表达式:利用两次杠杆平衡,联立消去公共量,得到待测液体密度与水密度、力臂的关系。
4. 考虑矿泉水瓶质量时,通过公式推导比较测量值与真实值的大小。
【解析】
(1) 杠杆在水平位置平衡时,力的方向与杠杆垂直,力臂可以直接从杠杆上的刻度读取,因此调节杠杆OA在水平位置平衡的目的是便于测量力臂。
(3) 设矿泉水瓶容积为$ V $,OA长度为$ L_{OA} $。装满水时,根据杠杆平衡条件:$ mg × L_{OA} = \rho_{水}gV × L_1 $;装满待测液体时,电子秤示数小于$ m $,同理有$ m'g × L_{OA} = \rho_{液}gV × L_1 $,联立得$ \rho_{液} < \rho_{水} $。要使电子秤示数仍为$ m $,需增大拉力的力臂,因此向左移动悬挂点。
(4) 当电子秤示数再次为$ m $时,悬挂点到O点距离为$ L_2 $,此时杠杆平衡条件为$ mg × L_{OA} = \rho_{液}gV × L_2 $,结合装满水的平衡式,联立消去$ g $、$ V $,解得$ \rho_{液} = \dfrac{\rho_{水}L_1}{L_2} $。
(5) 设矿泉水瓶质量为$ m_0 $,装满水的平衡式为$ mg × L_{OA} = (\rho_{水}gV + m_0g) × L_1 $,装满待测液体的平衡式为$ mg × L_{OA} = (\rho'_{液}gV + m_0g) × L_2 $,联立整理得$ \rho'_{液} = \dfrac{(\rho_{水}V + m_0)L_1 - m_0L_2}{V L_2} $,对比真实密度可知$ \rho'_{液} < \rho_{液} $。
【答案】
(1) 便于测量力臂;(3) 小于;左;(4) $ \dfrac{\rho_{水}L_1}{L_2} $;(5) <
【知识点】
杠杆平衡条件;密度测量
【点评】
本题结合杠杆平衡条件与密度知识,通过间接测量法测定液体密度,需理解杠杆平衡的应用,掌握变量关系推导,同时考虑实际因素对测量结果的影响,是一道综合性实验题。
【难度系数】
0.6
本题是利用杠杆平衡条件间接测量液体密度的实验题,解题思路如下:
1. 明确杠杆水平平衡的目的:杠杆在水平位置时,力的方向与杠杆垂直,力臂可直接从杠杆刻度读取,便于测量力臂。
2. 分析待测液体密度:根据杠杆平衡条件,电子秤示数反映杠杆左端的拉力大小,装待测液体时电子秤示数变小,说明液体对杠杆的拉力更小,相同体积下密度更小;要使电子秤示数回到原示数,需增大拉力的力臂,因此向左移动悬挂点。
3. 推导密度表达式:利用两次杠杆平衡,联立消去公共量,得到待测液体密度与水密度、力臂的关系。
4. 考虑矿泉水瓶质量时,通过公式推导比较测量值与真实值的大小。
【解析】
(1) 杠杆在水平位置平衡时,力的方向与杠杆垂直,力臂可以直接从杠杆上的刻度读取,因此调节杠杆OA在水平位置平衡的目的是便于测量力臂。
(3) 设矿泉水瓶容积为$ V $,OA长度为$ L_{OA} $。装满水时,根据杠杆平衡条件:$ mg × L_{OA} = \rho_{水}gV × L_1 $;装满待测液体时,电子秤示数小于$ m $,同理有$ m'g × L_{OA} = \rho_{液}gV × L_1 $,联立得$ \rho_{液} < \rho_{水} $。要使电子秤示数仍为$ m $,需增大拉力的力臂,因此向左移动悬挂点。
(4) 当电子秤示数再次为$ m $时,悬挂点到O点距离为$ L_2 $,此时杠杆平衡条件为$ mg × L_{OA} = \rho_{液}gV × L_2 $,结合装满水的平衡式,联立消去$ g $、$ V $,解得$ \rho_{液} = \dfrac{\rho_{水}L_1}{L_2} $。
(5) 设矿泉水瓶质量为$ m_0 $,装满水的平衡式为$ mg × L_{OA} = (\rho_{水}gV + m_0g) × L_1 $,装满待测液体的平衡式为$ mg × L_{OA} = (\rho'_{液}gV + m_0g) × L_2 $,联立整理得$ \rho'_{液} = \dfrac{(\rho_{水}V + m_0)L_1 - m_0L_2}{V L_2} $,对比真实密度可知$ \rho'_{液} < \rho_{液} $。
【答案】
(1) 便于测量力臂;(3) 小于;左;(4) $ \dfrac{\rho_{水}L_1}{L_2} $;(5) <
【知识点】
杠杆平衡条件;密度测量
【点评】
本题结合杠杆平衡条件与密度知识,通过间接测量法测定液体密度,需理解杠杆平衡的应用,掌握变量关系推导,同时考虑实际因素对测量结果的影响,是一道综合性实验题。
【难度系数】
0.6
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