Question

圖是某科研小組設(shè)計(jì)的高空作業(yè)裝置示意圖，該裝置固定于六層樓的頂部，從地面到樓頂高為18m，該裝置由懸掛機(jī)構(gòu)和提升裝置兩部分組成．懸掛機(jī)構(gòu)由支架AD和杠桿BC構(gòu)成，CO：OB=2：3．配重E通過繩子豎直拉著杠桿B端，其質(zhì)量m_E=100kg，底面積S=200cm²．安裝在杠桿C端的提升裝置由定滑輪M、動(dòng)滑輪K、吊籃及與之固定在一起的電動(dòng)機(jī)Q構(gòu)成．電動(dòng)機(jī)Q和吊籃的總質(zhì)量m=10kg，定滑輪M和動(dòng)滑輪K的質(zhì)量均為m_K．可利用遙控電動(dòng)機(jī)拉動(dòng)繩子H端，通過滑輪組使吊籃升降，電動(dòng)機(jī)Q提供的功率恒為P．當(dāng)提升裝置空載懸空靜止時(shí)，配重E對(duì)樓頂?shù)膲簭?qiáng)p=4×10⁴Pa，此時(shí)杠桿C端受到向下的拉力為F_C．科研人員將質(zhì)量為m₁的物體裝入吊籃，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，當(dāng)?shù)趸@平臺(tái)勻速上升時(shí)，繩子H端的拉力為F₁，配重E對(duì)樓頂?shù)膲簭?qiáng)為p₁，滑輪組提升物體m₁的機(jī)械效率為η．物體被運(yùn)送到樓頂卸下后，科研人員又將質(zhì)量為m₂的物體裝到吊籃里運(yùn)回地面．吊籃勻速下降時(shí)，繩子H端的拉力為F₂，配重E對(duì)樓頂?shù)膲簭?qiáng)為p₂，吊籃經(jīng)過30s從樓頂?shù)竭_(dá)地面．已知p₁：p₂=1：2，F(xiàn)₁：F₂=11：8，不計(jì)杠桿重、繩重及摩擦，g取10N/kg．求：
（1）拉力F_C；
（2）機(jī)械效率η； 
（3）功率P．

Answer 1

【答案】分析：（1）當(dāng)提升裝置空載懸空靜止時(shí)，對(duì)配重E進(jìn)行受力分析如圖1所示．利用重力公式和壓強(qiáng)公式求出配重E的重和對(duì)樓頂?shù)膲毫�，而T_B=G_E-N，據(jù)此求對(duì)廣告B的拉力T_B，杠桿B端和C端的受力分析如圖2所示，根據(jù)杠桿平衡條件求對(duì)C端拉力F_C；
（2）當(dāng)提升裝置空載懸空靜止時(shí)，提升裝置整體的受力分析如圖3所示．T_C=F_C，知道電動(dòng)機(jī)Q和吊籃的總質(zhì)量，求總重，而T_C=G+2G_K=mg+2m_Kg，據(jù)此求動(dòng)滑輪的質(zhì)量m_K；
吊籃勻速上升時(shí)，配重E、杠桿、提升裝置的受力分析分別如圖4、圖5、圖6所示，物體、動(dòng)滑輪、電動(dòng)機(jī)與吊籃整體的受力分析如圖7所示．根據(jù)壓強(qiáng)公式和杠桿平衡條件求P₁和F₁；
吊籃勻速下降時(shí)，配重E、杠桿、提升裝置的受力分析分別如圖8、圖9、圖10所示，物體、動(dòng)滑輪、電動(dòng)機(jī)與吊籃整體的受力分析如圖11所示．根據(jù)壓強(qiáng)公式和杠桿平衡條件求P₂和F₂；
由p₁：p₂=1：2，F(xiàn)₁：F₂=11：8得出m₁、m₂的關(guān)系式，進(jìn)而求出m₁和m₂ 的大小，利用η===求滑輪組的效率；
（3）求出拉力端移動(dòng)速度，利用P=Fv求電動(dòng)機(jī)Q提供的功率．
解答：解：（1）當(dāng)提升裝置空載懸空靜止時(shí)，配重E的受力分析如圖1所示．
G_E=m_Eg=100kg×10N/kg=1000N，
N=pS=4×10⁴Pa×200×10^-4m²=800N，
T_B=G_E-N=1000N-800N=200N，
當(dāng)提升裝置空載懸空靜止時(shí)，杠桿B端和C端的受力分析如圖2所示．
F_B=T_B=200N
∵F_C×CO=F_B×OB，
∴F_C===300N，
（2）當(dāng)提升裝置空載懸空靜止時(shí)，提升裝置整體的受力分析如圖3所示．
T_C=F_C=300N
G=mg=10kg×10N/kg=100N，
T_C=G+2G_K=mg+2m_Kg，
解得：
m_K=10kg；
吊籃勻速上升時(shí)，配重E、杠桿、提升裝置的受力分析分別如圖4、圖5、圖6所示，物體、動(dòng)滑輪、電動(dòng)機(jī)與吊籃整體的受力分析如圖7所示．

T_B1=F_B1、T_C1=F_C1、F_C1×CO=F_B1×OB
F_C1=T_C1=G+2G_K+G₁
F_B1===（G+2G_K+G₁），
配重對(duì)樓頂?shù)膲毫�N₁'=G_E-F_B1
p₁===，----①
F₁=（G+G_K+G₁），-----②
吊籃勻速下降時(shí)，配重E、杠桿、提升裝置的受力分析分別如圖8、圖9、圖10所示，物體、動(dòng)滑輪、電動(dòng)機(jī)與吊籃整體的受力分析如圖11所示．

T_B2=F_B2，T_C2=F_C2，F(xiàn)_C2×CO=F_B2×OB
F_C2=T_C2=G+2G_K+G₂
F_B2===（G+2G_K+G₂），
配重對(duì)樓頂?shù)膲毫�N₂'=G_E-F_B2
p₂===---③
F₂=（G+G_K+G₂），------④
由①③可得：
===
解得：
2m₁-m₂=120kg--------------------⑤
由②④可得：
==
解得：
8m₁-11m₂=60kg---------------------⑥
由⑤⑥解得：
m₁=90kg，m₂=60kg，
當(dāng)?shù)趸@勻速上升時(shí)，滑輪組提升重物的機(jī)械效率：
η====81.8%；
（3）當(dāng)?shù)趸@勻速下降時(shí)，電動(dòng)機(jī)Q提供的功率：
P=F₂×3v
=×3×
=
=480W．
答：（1）拉力F_C為300N；
（2）機(jī)械效率為81.8%； 
（3）功率為480W．
點(diǎn)評(píng)：本題為力學(xué)綜合題，考查了學(xué)生對(duì)重力公式、壓強(qiáng)公式、功率公式、效率公式、杠桿平衡條件的掌握和運(yùn)用，知識(shí)點(diǎn)多、綜合性強(qiáng)，要求靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，畫出受力示意圖幫助解題是本題的關(guān)鍵．