Question

为了将放置在水平地面上、重G=100N的重物提升到高处．小明同学设计了图甲所示的滑轮组装置．当小明用图乙所示随时间变化的竖直向下拉力F拉绳时，重物的速度υ和上升的高度h随时间t变化的关系图象分别如图丙和丁所示．若重物与地面的接触面积S=5×10^-2m²，不计摩擦，绳对滑轮的拉力方向均可看成在竖直方向．求：
（1）在2～3s内，拉力F的功率P及滑轮组的机械效率η．
（2）在1～2s内，拉力F做的功W．
（3）在0～1s内，重物对地面的压强p．

Answer

由滑轮组的结构可以看出，承担物重的绳子股数n=3，则拉力F移动的距离s=3h．
（1）由F-t图象得出在2～3s内的拉力F，由v-t图象得出重物上升的速度，求出拉力F的作用点下降的速度，利用P===Fv求拉力做功功率，知道拉力F和物重G大小，以及S与h的关系，利用效率求滑轮组的机械效率．
（2）由F-t图象得出在1～2s内的拉力F，由h-t图象得出重物上升的高度，求出拉力F的作用点下降的距离，利用W=Fs求此时拉力做功．
（3）因不计摩擦，通过（1）中数据，利用F=（G物+G动）求出动滑轮重，此时物体静止在地面上，受力平衡，动滑轮和物体受到的重力等于地面的支持力加上3股绳子的拉力即：F支+3F1=G+G动，由图知拉力大小，据此求出地面的支持力，根据力的作用是相互的，求出对地面的压力，再利用压强公式求对地面的压强．
【解析】
（1）由图可知在2～3s内，重物做匀速运动，v3=2.50m/s，拉力F3=40N，
∵从动滑轮上直接引出的绳子股数（承担物重的绳子股数）n=3，
∴拉力F的作用点下降的速度v3′=3v3=3×2.50m/s=7.5m/s，
拉力做功功率（总功率）：
P总===F3v3′=40N×7.5m/s=300W
滑轮组的机械效率：
η=×100%=×100%=×100%≈83.33%．
（2）在1～2s内，拉力F2=50N，重物上升高度h2=1.25m
拉力F的作用点下降的距离s2=3h2=3×1.25m=3.75m，
拉力做的功：
W=F2s2=50N×3.75m=187.5J；
（3）设动滑轮重为G动，
∵F3=（G物+G动），
∴动滑轮重：
G动=3F3-G=3×40N-100N=20N，
在0～1s内，拉力F1=30N，把动滑轮和重物看成整体，则这个整体受到向下的重力、向上的支持力以及三根绳向上的拉力作用处于静止状态．
∴F支+3F1=G+G动，
地面对物体的支持力：
F支=G+G动-3F1=100N+20N-3×30N=30N，
根据力的作用是相互的，重物对地面的压力：
F压=F支=30N，
对地面的压强：
P===600Pa．
答：（1）在2～3s内，拉力F的功率为300W，滑轮组的机械效率为83.33%；
（2）在1～2s内，拉力F做的功为187.5J；
（3）在0～1s内，重物对地面的压强600Pa．