Question

（2011?昌平區(qū)二模）如圖所示是一套提升裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，杠桿OC可繞固定點(diǎn)O在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，OD：DC=1：9，系在杠桿D端的細(xì)繩通過定滑輪E與物體B的一端相連，滑輪組Y由定滑輪Z和動(dòng)滑輪H組成，滑輪組Y的自由端細(xì)繩通過定滑輪M與物體B的另一端相連，整個(gè)裝置在同一豎直平面內(nèi)．小明通過定滑輪拉動(dòng)C端的細(xì)繩提升水中實(shí)心均勻物體A，當(dāng)物體A始終浸沒在水中且勻速上升時(shí)，小明對地面的壓力為N₁，對地面的壓強(qiáng)為1.6×10⁴Pa，滑輪組Y的自由端細(xì)繩對物體B向右的拉力為T₁；當(dāng)小明利用裝置把物體A完全拉出水面，物體A在空中勻速上升時(shí)，小明對地面的壓力為N₂，滑輪組Y的自由端細(xì)繩對物體B向右的拉力為T₂．已知：小明所受重力為660N，在所有拉動(dòng)過程中，小明始終雙腳著地，每只腳與地面的接觸面積為125cm²，物體A的密度為2×10³ kg/m³，N₁：N₂=8：3，T₁：T₂=101：201，（不計(jì)繩重和細(xì)繩與滑輪間的摩擦及水對物體A的阻力，g取10N/kg）求：
（1）物體A在空中勻速上升時(shí)，小明對地面的壓力N₂為多少；
（2）水平地面對物體B的摩擦力大小和動(dòng)滑輪組H所受的重力大小分別是多少．

Answer 1

分析：（1）當(dāng)物體A浸沒在水中時(shí)，知道壓強(qiáng)和受力面積，求出人對地面的壓力．
根據(jù)兩次人對地面壓力關(guān)系，求出物體A在空中時(shí)，人對地面的壓力．
（2）拉物體A在水中勻速上升時(shí)，物體B進(jìn)行勻速直線運(yùn)動(dòng)，物體B水平方向上受到水平向左的拉力和水平向右的摩擦力、拉力T₁，E是一個(gè)定滑輪，所以加在杠桿D點(diǎn)的力等于f+T₁，杠桿作用在D點(diǎn)的拉力為f+T₁，杠桿C點(diǎn)連接一個(gè)定滑輪，加在杠桿C點(diǎn)的力等于人對繩的拉力F_人，杠桿處于水平位置平衡，因?yàn)楦鶕?jù)杠桿平衡條件列出等式．
同理拉物體A在空中勻速上升時(shí)，根據(jù)杠桿平衡再次列出等式．
再根據(jù)T₁和T₂關(guān)系，解方程組，求出T₁的大小、T₂的大小、摩擦力f．
根據(jù)物體和動(dòng)滑輪有幾段繩子承擔(dān)，所用的力是物體和動(dòng)滑輪重的幾分之一．根據(jù)這個(gè)條件分別列出物體在水中和在空中時(shí)的等式，求出動(dòng)滑輪的重力．

解答：解：（1）拉物體A在水中勻速上升時(shí)，
N₁=F=pS=1.6×10⁴Pa×2×0.0125m²=400N．

N1

N2

=

400N

N2

=

8

3

，N₂=150N．
（2）拉物體A在水中勻速上升時(shí)，繩對人的拉力F_人=G-N₁=660N-400N=260N，
拉物體A在空中勻速上升時(shí)，繩對人的拉力F'_人=G-N₂=660N-150N=510N，
人經(jīng)過一個(gè)定滑輪拉杠桿C點(diǎn)時(shí)，作用在杠桿上的力，F(xiàn)_C=F_人，物體B通過定滑輪拉動(dòng)杠桿D點(diǎn)，所以F_D=f+T₁，使杠桿在水平位置平衡，根據(jù)杠桿平衡條件得，（f+T₁）?OD=F_人?（OD+CD），
所以，（f+T₁）?OD=F_人?10×OD，
所以，（f+T₁）?OD=260N×10×OD--①
同理，當(dāng)拉物體A在空中勻速上升時(shí)，
（f+T₂）?OD=F'_人?10×OD，
（f+T₂）?OD=510N×10×OD--②
又因?yàn)門₁：T₂=101：201--③
由①②③得，解得：f=75N，T₁=2525N，T₂=5025N．
物體A在空中時(shí)，物體B通過定滑輪對滑輪組施加T₂大小的力，
物體A和動(dòng)滑輪有四段繩子承擔(dān)，所以，T₂=

1

4

（G_A+G_H），
所以，5025N=

1

4

（G_A+G_H）--④
物體A在水中時(shí)，物體B通過定滑輪對滑輪組施加T₁大小的力，
物體A和動(dòng)滑輪有四段繩子承擔(dān)，所以，T₁=

1

4

（G_A-F_浮+G_H）=

1

4

（G_A-ρ_水gV_A+G_H）=

1

4

（G_A-ρ_水g×

GA

ρAg

+G_H），
所以，2525N=

1

4

（G_A-

1

2

G_A+G_H）--⑤
由④⑤得，G_A=20000N，G_H=100N．
答：（1）物體A在空中勻速上升時(shí)，小明對地面的壓力N₂為150N．
（2）水平地面對物體B的摩擦力大小是75N，動(dòng)滑輪組H所受的重力是100N．

點(diǎn)評(píng)：此題是一個(gè)很復(fù)雜的問題，先從人的壓強(qiáng)和受力面積求出人對地面的壓力，根據(jù)人受到的支持力、重力和拉力，求出人對繩的拉力，也就是作用在杠桿C點(diǎn)的力，物體B通過定滑輪作用在杠桿D點(diǎn)，根據(jù)杠桿平衡條件，列出物體A在水中和在空中的等式，解方程得出T₁的大小、T₂的大小、摩擦力f．
把拉力和物體A的重力和動(dòng)滑輪的重力聯(lián)系起來，求出物體A的重力和動(dòng)滑輪的重力．