Question

質(zhì)量為60kg的工人用如圖所示的滑輪組，將一個(gè)合金塊從空中勻速下落到底面積為800cm²的盛有水的容器中。當(dāng)合金塊接觸水面之前，滑輪組的機(jī)械效率為=80%，（不計(jì)繩重、摩擦，g取10N/kg，人的每只鞋與地面的接觸面積為200cm²，=3×10³kg/m³）求：

（1）當(dāng)合金塊全部浸沒(méi)在水中時(shí)，水對(duì)容器底的壓強(qiáng)比合金塊在空氣中時(shí)增加了，此時(shí)，人對(duì)地面的壓強(qiáng)是多少？
（2）合金塊在水中勻速上升時(shí)（A的上表面始終不露出水面），滑輪組的機(jī)械效率（百分?jǐn)?shù)保留整數(shù)）
（3）若用該滑輪組將質(zhì)量相等、密度之比ρ_甲:ρ_乙=2:3的兩個(gè)實(shí)心物體甲乙放入盛有足夠多水的容器中，撤去滑輪組后，當(dāng)甲、乙兩物體靜止后，水對(duì)甲、乙的浮力比F_甲:F_乙=6:5，求甲的密度是多少？

Answer 1

（1）  人對(duì)地面的壓強(qiáng)P=1.32×10⁴Pa；
（2）  滑輪組的機(jī)械效率72.7%
（3）甲的密度是0.8×10³kg/m³

試題分析：（1）當(dāng)合金塊全部浸沒(méi)在水中時(shí)，其受力情況如圖1所示，

液面上升的高度，△h==0.1m；
△V_排=V_合金=S△h=0.08m²×0.1m=0.008m³
合金塊的重力為：G_A=ρ_合金gV_合金=3×10³kg/m³×10N/kg×8×10^﹣3m³=240N；
合金塊所受的浮力：F_浮A=ρ_水gV_排=1×10³kg/m³×10N/kg×8×10^﹣3m³=80N；
合金塊所受的拉力為：T'_A=G_A﹣F_浮A=240N﹣80N=160N；
當(dāng)合金塊在空氣中時(shí)，其受力情況如圖2所示：
合金塊的重力為：G_A=ρ_合金gV_合金=3×10³kg/m³×10N/kg×8×10^﹣3m³=240N；
合金塊所受的拉力為：T_A=G_A=240N；
因?yàn)棣?sub>1==80%，所以，G_動(dòng)=60N；
取動(dòng)滑輪為研究對(duì)象，當(dāng)合金塊全部浸沒(méi)在水中時(shí)，動(dòng)滑輪的受力情況如圖3所示，3F₂=G_動(dòng)+T'_A；
F₂=≈73.3N；
取人為研究對(duì)象，受力情況如圖4所示，
地面對(duì)人的支持力為N=G_人﹣F₂=60kg×10N/kg﹣73.3N=526.7N；
人對(duì)地面的壓強(qiáng)P=≈1.32×10⁴Pa；
（2）設(shè)合金塊在水中勻速上升的高度為h，則
拉力所做的有用功為W_有用=T'₂h=160h（J）
拉力所做的總功為；W_總=F₂3h=×3h=220hJ；
滑輪組的機(jī)械效率η₂=≈72.7%；
（3）∵m_甲=m_乙
根據(jù)密度公式及已知條件可得：V_乙=…①；
∵F_甲：F_乙=6：5
可得乙物體排開(kāi)液體的體積：V_乙^′=…②；
乙物體排開(kāi)液體的體積只能小于或等于乙物體的體積，比較①②可知：V_甲^′＜V_甲
即甲一定漂浮在水中．
又∵m_甲=m_乙，F(xiàn)_甲：F_乙=6：5，所以乙物體不可能漂浮或懸浮在水中，只可能下沉
即V_乙^′=V_乙…③
因?yàn)榧灼�浮在水中，得G_甲=F_甲…④
聯(lián)立以上4式可得=0.8×10³kg/m³；
點(diǎn)評(píng)：（1）先分析合金塊浸沒(méi)水中時(shí)的受力情況；根據(jù)公式G=mg求出合金塊的重力；根據(jù)浮力公式求出合金塊的所受的浮力，進(jìn)一步求出合金塊所受的拉力，根據(jù)機(jī)械效率求出動(dòng)滑輪的重力；再以動(dòng)滑輪和人為研究對(duì)象進(jìn)行受力分析；求出地面對(duì)人的支持力，最后利用壓強(qiáng)公式求出人對(duì)地面的壓強(qiáng)；
（2）根據(jù)公式W=FS求出拉力所做的有用功和總功，有用功和總功的比值就是滑輪組的機(jī)械效率；
（3）根據(jù)密度公式及已知條件求出乙的體積和乙排開(kāi)的液體的體積；進(jìn)一步求出甲和乙在水中的狀態(tài)；最后利用密度公式求出甲的密度．