Question

11．2015年10月5日考古學(xué)家在黃海海域發(fā)現(xiàn)甲午海戰(zhàn)沉船“致遠艦”的消息轟動了整個考古界，隨著水下考古工作的進行，一些重要文物近日陸續(xù)出水重見天日，關(guān)于這艘在海水中沉睡了120余年的戰(zhàn)艦是如何被打撈起的謎題也逐步解開．現(xiàn)某課外活動小組，照此設(shè)計了如圖所示的簡單機械，模擬打撈沉船，實驗中用實心立方體A代替沉船，已知A的體積為0.1m³，質(zhì)量為280kg（設(shè)整個過程A均為勻速直線運動狀態(tài)，忽略鋼纜繩重及滑輪摩擦，不考慮風(fēng)浪，水流等因素的影響）
（1）A完全浸沒在水中時受到的浮力是多大？（ρ_水=1.0×10³kg/m³）
（2）若A完全浸沒在水中時，滑輪組的機械效率為60%，那么A完全打撈出水面后，岸上鋼繩的拉力F為多大？
（3）若A完全打撈出水面后，以0.1m/s的速度被勻速提升，求岸上鋼繩拉力F的功率．

Answer 1

分析 （1）A完全浸沒在水中時排開水的體積和自身的體積相等，根據(jù)阿基米德原理求出受到的浮力；
（2）根據(jù)G=mg求出物體A的重力，忽略鋼纜繩重及滑輪摩擦，克服物體重力和動滑輪重力減去浮力做的功為總功，克服物體重力減去受到浮力做的功為有用功，根據(jù)η=$\frac{{W}_{有}}{{W}_{總}}$×100%表示出A完全浸沒在水中時滑輪組的機械效率即可求出動滑輪的重力，再根據(jù)F=$\frac{1}{n}$（G+G_動）求出A完全打撈出水面后岸上鋼繩的拉力；
（3）根據(jù)v_繩=nv_物求出繩端移動的速度，根據(jù)P=$\frac{W}{t}$=$\frac{Fs}{t}$=Fv求出岸上鋼繩拉力F的功率．

解答 解：（1）A完全浸沒在水中時受到的浮力：
F_浮=ρgV_排=ρgV=1.0×10³kg/m³×9.8N/kg×0.1m³=980N；
（2）物體A的重力：
G=mg=280kg×9.8N/kg=2744N，
A完全浸沒在水中時，總功為W_總=（G+G_動-F_浮）h，有用功為W_有=（G-F_浮）h，
所以，滑輪組的機械效率：
η=$\frac{{W}_{有}}{{W}_{總}}$×100%=$\frac{（G-{F}_{浮}）h}{（G+{G}_{動}-{F}_{浮}）h}$×100%=$\frac{G-{F}_{浮}}{G+{G}_{動}-{F}_{浮}}$×100%=$\frac{2744N-980N}{2744N+{G}_{動}-980N}$×100%=60%，
解得：G_動=1176N，
由圖可知，n=5，
A完全打撈出水面后，岸上鋼繩的拉力：
F=$\frac{1}{n}$（G+G_動）=$\frac{1}{5}$×（2744N+1176N）=784N；
（3）A完全打撈出水面后，以0.1m/s的速度被勻速提升時，繩端的速度：
v_繩=nv_物=5×0.1m/s=0.5m/s，
岸上鋼繩拉力F的功率：
P=Fv_繩=784N×0.5m/s=392W．
答：（1）A完全浸沒在水中時受到的浮力是980N；
（2）A完全打撈出水面后，岸上鋼繩的拉力F為為784N；
（3）岸上鋼繩拉力F的功率為392W．

點評 本題考查了阿基米德原理和重力公式、做功公式、滑輪組機械效率公式、滑輪組拉力公式以及功率公式的應(yīng)用，明確有用功和總功是解題的關(guān)鍵．