Question

如圖，正方體A的邊長(zhǎng)為0.1m，密度為8×10³kg/m³．將此物體掛在如圖所示的滑輪組上，不計(jì)繩重與摩擦，則：
（1）圖甲中，將正方體A勻速提起，動(dòng)滑輪總重為16N，則機(jī)械效率為多大？
（2）圖甲中，若正方體A在8s內(nèi)上升了4m，則拉力F 的功率是多大？（寫出該小題的解題思路后再求解）
（3）圖乙中，若將此正方體A浸沒在水中，慢慢上提（正方體未露出水面，且水的阻力不計(jì)），此時(shí)滑輪組的機(jī)械效率多大？（請(qǐng)?jiān)谝覉D中畫出正方體A的受力示意圖）

Answer 1

解：
（1）正方體的重力為G=mg=ρVg=ρa(bǔ)³g=8×10³kg/m³×（0.1m）³×9.8N/kg=78.4N；
滑輪組的機(jī)械效率為η=====≈83%；
（2）作用在繩子末端的拉力是物重和動(dòng)滑輪重的，繩子拉下的長(zhǎng)度是物體上升高度的4倍，拉力和繩子拉下長(zhǎng)度之積是拉力做的功，拉力做的功與所用時(shí)間之比就是拉力的功率．
作用在繩子末端的拉力為F=（G+G₀）=×（78.4N+16N）=23.6N
繩子末端拉下的長(zhǎng)度為S=4h=4×4m=16m
拉力做的功為W=FS=23.6N×16m=377.6J
拉力的功率為P===47.2W；
（3）正方體浸沒時(shí)受到的浮力為F_浮=ρ_液gV_排=1.0×10³kg/m³×9.8N/kg×（0.1m）³=9.8N
滑輪組對(duì)正方體的拉力為F′=G-F_浮=78.4N-9.8N=68.6N
此時(shí)滑輪組的機(jī)械效率為η′==≈81%．
答：
（1）滑輪組的機(jī)械效率為83%；
（2）拉力的功率為47.2W；
（3）此時(shí)滑輪組的機(jī)械效率為81%．
分析：（1）已知正方體的邊長(zhǎng)，可以得到其體積；已知正方體的密度和體積，利用公式m=ρV得到正方體的質(zhì)量；已知質(zhì)量，利用公式G=mg得到其重力；不計(jì)繩重和摩擦，已知物重和動(dòng)滑輪重，利用公式η=計(jì)算滑輪組機(jī)械效率．
（2）由圖知，承擔(dān)物重的繩子有4股，不計(jì)繩重和摩擦，提起物體所用的拉力是物重和動(dòng)滑輪重的四分之一；已知物體上升的高度和承擔(dān)物重的繩子股數(shù)，可以得到繩子末端拉下的長(zhǎng)度；已知拉力和繩子拉下的長(zhǎng)度，利用公式W=FS得到拉力做的功；已知拉力做的功和所用時(shí)間，利用公式P=得到拉力的功率；
（3）已知正方體的體積和水的密度，利用公式F_浮=ρ_液gV_排計(jì)算正方體浸沒在水中受到的浮力；已知正方體受到的重力和浮力，可以得到滑輪組對(duì)正方體的拉力F′，不計(jì)繩重和摩擦，已知拉力F′和動(dòng)滑輪重，利用公式η=計(jì)算此時(shí)滑輪組機(jī)械效率．
點(diǎn)評(píng)：此題給我們的啟示：同一滑輪組，不僅繩重和摩擦，機(jī)械效率的大小與滑輪組施加的拉力有關(guān)，拉力越大機(jī)械效率越高．