Question

如圖是某科技小組設計的滑輪組模型裝置．滑輪組由電動機提供動力，在實驗室中小明和他的同學進行了如下實驗：在底面積為500cm²的圓柱形玻璃筒中倒入一定量的液體．長方體金屬塊A的底面積為100cm²．在0-7s內(nèi)，金屬塊A以0.1m/s的速度在液體中勻速豎直上升，當金屬塊A浸沒在液體中上升時滑輪組的機械效率為7/12．金屬塊A全部露出液面后以另一速度勻速豎直上升．細繩的質(zhì)量、滑輪與軸的摩擦、液體對金屬塊A的阻力均忽略不計，金屬塊A的密度為3×10³kg/m³，這個過程中電動機工作的功率隨時間變化的規(guī)律如圖所示，g取10N/kg．求：
（1）金屬塊露出液面前電動機所提供的拉力F₁；
（2）金屬塊A從上表面接觸液面到下表面離開一共用時2秒，離開液面前后，液體對容器底部的壓強變化量．

Answer 1

【答案】分析：（1）由圖可見，金屬塊露出液面之前，電動機工作的功率一直保持6W不變，金屬塊A以0.1m/s的速度在液體中勻速豎直上升，根據(jù)繩子段數(shù)求出繩子自由端移動的速度V，根據(jù)功率的公式P===FV就可以計算出電動機所提供的拉力F₁．
（2）這個過程比較復雜，首先求出A的高度，根據(jù)A的底面積求出A的體積，從而求出金屬塊A的重力G，根據(jù)機械效率列出式子求出液體的密度ρ_液，金屬塊A的體積除以玻璃筒的底面積就是液面下降的高度△h，最后根據(jù)液體壓強計算公式△P=ρ_液g△h求出液體對容器底部的壓強變化量．
解答：解：（1）在0～7s內(nèi)，金屬塊A以0.1m/s的速度在液體中勻速豎直上升，由圖可知電動機的功率P₁=6W；
∴F₁====20N
答：金屬塊露出液面前電動機所提供的拉力F₁是20N．
（2）①金屬塊A上升液面同時下降，A的高度等于液面金屬塊離開液體時A的移動距離加上液面下降的高度；
∴h_A=V_At+=0.1m/s×2s+=0.25m
②金屬塊A的體積V_A=S_A×h_A=100×10^-4m²×0.25m=2.5×10^-3m³
金屬塊A的重力G_A=m_Ag=ρ_A×V_A×g=3×10³kg/m³×2.5×10^-3m³×10N/kg=75N
③A在液體中完全浸沒上升過程中電動機所做總功：W_總=Pt=6W×5s=30J；
∵當金屬塊A浸沒在液體中上升時滑輪組的機械效率為；
∴這個過程的有用功W_有用=W_總η=30J×=17.5J
又因為此過程物體A上升距離h=0.1m/s×5s=0.5m
則做得有用功W_有用=（GA-F_浮）h=（GA-ρ_液gV_A）h=（75N-ρ_液×10N/kg×2.5×10^-3m³）×0.5m=17.5J
解得：ρ_液=1.6×10³kg/m³      
④金屬塊A離開液面前后，玻璃筒內(nèi)液面下降的高度△h===0.05m
所以液體對容器底部的壓強變化量：P=ρ_液g△h=ρ_液gh_A=1.6×10³kg/m³×10N/kg×0.05m=800Pa．
答：金屬塊A從上表面接觸液面到下表面離開一共用時2秒，離開液面前后，液體對容器底部的壓強變化量800Pa．
點評：本題第（2）問難度很大，用到了重力、阿基米德原理、機械效率的知識，解題的關鍵是求出液體的密度和金屬塊A的體積，考查了學生綜合分析解題的能力．