1.（古代典籍）《天工开物》记载了一种农用机械，名为“筒车”，如图甲所示。筒车利用水流冲击水轮，使其旋转。在轮轴上安装的竹筒随着轮轴一起转动，当筒口转到低处时便舀满水，随着轮轴上升，筒口到达高处时倒出水来，以此循环往复，以满足农田灌溉的需求。

(1)筒车的工作原理是把流水的能转化为能。
(2)筒车在匀速转动的过程中，安装在筒车上的竹筒受（填“平衡”或“非平衡”）力的作用，当水流变湍急时，筒车提升水的功率会变。
(3)竹筒浸没在水里的时候被灌满了水，随筒车转动到高处时泄水，泄出的水落入水槽后被引向农田，若每个竹筒每次可装水的重为G，水轮上有N个竹筒，水轮的半径为R，则转动一圈对水做的有用功W=。

1.(1)动;重力势 (2)非平衡;大 (3)$2NGR$

【分析】
本题围绕筒车的工作原理，结合能量转化、平衡力判断、功的计算等知识点分析：
1. 第(1)题：水流具有动能，冲击筒车转动，将水的动能转化为被提升水的重力势能；
2. 第(2)题：匀速转动的竹筒，运动方向不断变化，运动状态改变，因此受非平衡力；水流变湍急时，水流动能增大，筒车转动加快，相同时间内提升的水更多，功率变大；
3. 第(3)题：转动一圈时，每个竹筒将水提升的高度为水轮的直径2R，结合功的公式计算总有用功。
【解析】
(1) 水流冲击筒车，使筒车转动，将流水的动能转化为被提升至高处的水的重力势能，故依次填：动、重力势；
(2) 物体受平衡力时运动状态不变，竹筒随筒车匀速转动，运动方向持续改变，运动状态变化，因此受非平衡力；水流变湍急，水流的动能增大，筒车转动速度加快，相同时间内提升的水的重力更多，提升水的功率变大，故依次填：非平衡、大；
(3) 转动一圈，每个竹筒内的水被提升的高度为水轮的直径$h=2R$，单个竹筒对水做功$W_1=Gh$，N个竹筒的总有用功$W=NW_1=N×G×2R=2NGR$，故填：$2NGR$。
【答案】
(1)动；重力势 (2)非平衡；大 (3)$2NGR$
【知识点】
能量转化、平衡力、功的计算
【点评】
本题结合古代农用机械筒车考查物理知识，联系实际生活，体现物理知识的应用，难度适中，需掌握基础物理概念和公式即可解答。
【难度系数】
0.6

2. （模型建构）如图甲所示，某型号的垃圾收集车收集垃圾时，在金属杆拉力作用下，垃圾桶先是被竖直提升至车厢顶部，再绕着桶口处的一根轴线$OO'$转动起来（轴线$OO'$图中未画出），当转动到桶
口朝下时，桶内垃圾便自动滑落到车厢内。图乙是人面向车头看到的配套使用垃圾桶的侧面示意图，它可以看成一个长方体，其高度为$a＝100\ \mathrm{cm}$、底部是边长为$b＝60\ \mathrm{cm}$的正方形。某次在收集垃圾时，收集到的垃圾刚好装满了垃圾桶，且垃圾质量分布均匀，垃圾桶和垃圾的总质量为$90\ \mathrm{kg}$。图丙是垃圾桶转动到水平位置时的示意图，此时$O$点到金属杆的距离为$20\ \mathrm{cm}$。图丁是全部垃圾刚好能滑落到车厢时，垃圾桶所处位置的示意图。若金属杆与其他附属结构的质量忽略不计，分析回答：($g$取$10\ \mathrm{N/kg}$)

(1)若垃圾桶在图丙的位置静止时，则金属杆对垃圾桶的拉力是N。
(2)当垃圾桶从图乙位置转动到图丙位置的过程中，金属杆拉力做功的功率为$240\ \mathrm{W}$，则完成这个过程至少需要s。
(3)若实际操作时，需要$4\ \mathrm{s}$才能把垃圾桶从图乙位置转动到图丙位置，则此过程中该机械的机械效率是。
(4)当垃圾桶从图丙位置匀速转动到图丁位置的过程中，若$O$点到金属杆的距离近似不变，则金属杆对垃圾桶的拉力将，垃圾桶的机械能将。(均填“变大”“变小”或“不变”)

2.(1)2 250 (2)3 (3)75% (4)变小;变大

【分析】
本题是力学综合题，需结合杠杆平衡条件、功与功率、机械效率、机械能的知识解题：(1)利用杠杆平衡条件，确定支点、动力臂和阻力臂，计算总重力后求拉力；(2)先算出重心上升高度，得到克服重力的有用功，结合功率公式求时间；(3)计算实际总功，用有用功与总功的比值求机械效率；(4)通过阻力臂变化判断拉力，根据动能和重力势能变化判断机械能。
【解析】
(1) 垃圾桶总重力：$G=mg=90\ \mathrm{kg} × 10\ \mathrm{N/kg}=900\ \mathrm{N}$。图丙中，支点为$O$，重力的阻力臂$L_阻=\frac{a}{2}=\frac{100\ \mathrm{cm}}{2}=0.5\ \mathrm{m}$，金属杆拉力的动力臂$L_动=20\ \mathrm{cm}=0.2\ \mathrm{m}$。根据杠杆平衡条件$F L_动 = G L_阻$，得拉力$F=\frac{G L_阻}{L_动}=\frac{900\ \mathrm{N} × 0.5\ \mathrm{m}}{0.2\ \mathrm{m}}=2250\ \mathrm{N}$。
(2) 从图乙到图丙，重心上升的高度$h=\frac{a + b}{2}=\frac{100\ \mathrm{cm} + 60\ \mathrm{cm}}{2}=80\ \mathrm{cm}=0.8\ \mathrm{m}$，克服重力做功$W_有=Gh=900\ \mathrm{N} × 0.8\ \mathrm{m}=720\ \mathrm{J}$。由$P=\frac{W}{t}$，得时间$t=\frac{W_有}{P}=\frac{720\ \mathrm{J}}{240\ \mathrm{W}}=3\ \mathrm{s}$。
(3) 实际操作时间$t'=4\ \mathrm{s}$，总功$W_总=Pt'=240\ \mathrm{W} × 4\ \mathrm{s}=960\ \mathrm{J}$，机械效率$\eta=\frac{W_有}{W_总} × 100\%=\frac{720\ \mathrm{J}}{960\ \mathrm{J}} × 100\%=75\%$。
(4) 从图丙到图丁，匀速转动时，重力的阻力臂逐渐变小，动力臂不变，根据杠杆平衡条件，拉力$F$变小；垃圾桶匀速转动，动能不变，重心升高，重力势能变大，故机械能变大。
【答案】
(1) $2250$ (2) $3$ (3) $75\%$ (4) 变小；变大
【知识点】
杠杆平衡条件、功与功率、机械效率、机械能
【点评】
本题结合垃圾收集车的实际场景，综合考查力学核心知识点，需准确分析力臂、重心变化，理解各物理量的关联，是典型的力学综合应用题，注重知识的实际应用。
【难度系数】
0.5