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  4. 杠杆的平衡条件功率的计算

在一些建筑施工工地上,可以看见各种大型的起重机.如图所示是一台起重机的示意图.机身和平衡体的重量G1为4.2×105N,起重杆的重量G2为2.0×104N.其他数据如图中所示.(1)起重

一、题文

在一些建筑施工工地上,可以看见各种大型的起重机.如图所示是一台起重机的示意图.机身和平衡体的重量G1为4.2×105N,起重杆的重量G2为2.0×104 N.    其他数据如图中所示.
(1)起重机最多能提起多重的货物?
(2)现要将质量为 4 t 的货物提高到某一地点,如果不考虑起重机所做的额外功,要计算起重机的功率是多大,还必须知道哪些物理量?怎样计算出功率的大小?(只要求写出所需的物理量和相应的计算公式)    

考点提示:杠杆的平衡条件,功率的计算

二、答案

解:(1)以O为支点,根据杠杆的平衡条件有4.2×105 N×1 m=2.0 ×104 N ×3 m+G×6 m,解得G=6×104 N.
(2)解法一:还应知道的物理量:货物上升的高度h,提高货物所用的时间t;计算公式:P解法二:还应知道的物理量:货物上升的速度v;计算公式:Pmgv.

三、考点梳理

知名教师分析,《在一些建筑施工工地上,可以看见各种大型的起重机.如图所示是一台起重机的示意图.机身和平衡体的重量G1为4.2×105N,起重杆的重量G2为2.0×104N.其他数据如图中所示.(1)起重》这道题主要考你对 杠杆的平衡条件功率的计算 等知识点的理解。

关于这些知识点的“解析掌握知识”如下:

知识点名称:杠杆的平衡条件,功率的计算

考点名称:杠杆的平衡条件
  • 杠杆的平衡条件:
    动力×动力臂=阻力×阻力臂。

    在杠杆平衡时,动力臂是阻力臂的几倍,动力就是阻力的几分之几。

  • 利用杠杆平衡条件来分析和计算有关问题,一般遵循以下步骤:
    (1)确定杠杆支点的位置。
    (2)分清杠杆受到的动力和阻力,明确其大小和方向,并尽可能地作出力的示意图。
    (3)确定每个力的力臂。
    (4)根据杠杆平衡条件列出关系式并分析求解。

    例:如图所示,AOB为一机械设备的简化示意图,我们可以把它看成杠杆(自重不计),已知AO= 2OB。固定D点,使OB处于水平位置,此时B端挂一重为40N的物体,要使杠杆不发生转动,至少需在A端施加F=____N的力,在图上画出此时力F的方向。

    解析:要想得到施加在A点的最小力,就要找到最大力臂,由图可知,最大力臂应是OA,故过A点作们的垂线,方向斜向下即为最小力。据杠杆平衡条件得:F·OA=G·OB,代入数值为F×2OB=40N×OB,解方程得F=20N。
    答案:20   力F的方向如图


    实验法探究杠杆平衡条件:
        实验前要调节杠杆的平衡螺母使其在水平位置上平衡,目的是使杠杆的重心落在支点上,从而消除杠杆的重力对平衡的影响。当杠杆水平平衡时,O点距悬挂钩码处的距离便是力臂,而且可用杠杆上的“格数”代替力臂大小。

    例:我们都做过“探究杠杆平衡条件”的实验。
    (1)实验没有挂钩码时,若杠杆左端下倾,则应将右端的平衡螺母向____(选填“左”或“右”)调节,使杠杆在水平位置平衡。实验前使杠杆水平平衡的目的是____.
    (2)实验中,用图所示的方式悬挂钩码,杠杆也能水平平衡(杠杆上每格等距),但老师却提醒大家不要采用这种方式。这主要是因为该种方式(    )
    A.一个人无法独立操作
    B.需要使用太多的钩码
    C.力臂与杠杆不重合
    D.力和力臂数目过多
    (3)图中,不改变支点O右侧所挂的两个钩码及其位置,保持左侧第____格的钩码不动,将左侧另外两个钩码改挂到它的下方,杠杆仍可以水平平衡。

    解析:(1)实验前要调节杠杆的平衡螺母使其在水平位置平衡,目的是方便地测量力臂。调节方法是将平衡螺母向杠杆偏高的一端调,即哪端轻向哪端调。
    (2)探究杠杆平衡条件时,用的力和力臂数目过多,每个力都会给杠杆转动带来影响,给探究过程带来麻烦。
    (3)根据杠杆平衡条件,即,所以l1=2(格)。

    答案:(1)右方便地测量力臂(2)D(3)2

    利用杠杆平衡条件求最小力的方法:
        由公式可知,当阻力、阻力臂一定时,动力臂越长,动力越小。当动力臂最长时,动力最小。要求最小动力,必须先画出最大动力臂。
    1.寻找最大动力臂的方法
    (1)当动力作用点确定后,支点到动力作用点的线段即为最大动力臂;
    (2)动力作用点没有规定时,应看杠杆上哪一点离支点最远,则这一点到支点的距离即为最大动力臂。
    2.作最小动力的方法
    (1)找到最大动力臂后,过作用点作动力臂的垂线;
    (2)根据实际,动力能使杠杆沿阻力作用的反方向转动,从而确定动力的方向。

  •  

考点名称:功率的计算
  • 功率的计算公式:
    (1)P=W/t,其中P代表功率,单位为W,W代表功,单位为J;t代表时间,单位为s。
    (2)因为P=W/t,W=Fs,v=s/t,所以P=W/t=Fs/t=Fv,P=Fv是功率的又一表达式。
  • 公式法计算功率:
         运用时一定要注意三个量的对应关系。“W”一定是对应“t”完成的,不能张冠李戴。单位要统一,P、W、t的单位分别为瓦、焦、秒。
    例1 如图所示,铁明同学向上跳台阶进行晨练,铁明重500N,在10s内匀速连跳12个台阶,每个台阶的高度为0.2m。在这个过程中,已知铁明克服摩擦做功为2800J,求出此过程中:

    (1)铁明竖直向上跳的平均速率多大?
    (2)铁明克服重力做功是多少?
    (3)铁明做功的总功率多大?
    解析:竖直向上跳的平均速度可以通过向上跳的总高度与所用时间利用速度公式求出,克服重力做功等于重力与高度的乘积,即,总功率可以通过所做的总功和时间利用功率公式求得。
    (1)0.24m/s
    (2)
    (3)

    例2在打捞海底沉船时,常用水下机器人潜入水下打捞船上物品,已知ρ海水=1.03×103kg/m3
    (1)机器人在水下70m处受到海水产生的压强是多大?
    (2)某时刻机器人在水下用竖直向上的力举着体积为0.02m3,密度为2.7×103kg/m3的物体静止不动,求该力的大小。
    (3)若机器人在水下运动时,所受海水阻力与速度的关系如图所示,求机器人在水下以0.5m/s的水平速度匀速运动时,机器人水平推进力的功率。

    解析:(1)由液体压强公式得,
    (2)物体在水下受平衡力的作用,则

    (3)由题图可知,海水阻力与机器人的运动速度成正比,当机器人运动速度为0.5m/s时,f=175N 机器人匀速前进时,机器人水平推进力F=f
    P=Fv=175N×0.5m/s=87.5W
    答案:(1)7.21×105Pa(2)334N(3)87.5W

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