Question

如圖所示，是小宇同學(xué)設(shè)計(jì)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置．質(zhì)量為5kg的物體M₁靜止于水平導(dǎo)軌AB的B端，導(dǎo)軌AB及支架只可繞著固定于地面上的過(guò)C點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)（導(dǎo)軌及支架的形狀和尺寸已在圖中標(biāo)出，質(zhì)量忽略不計(jì)）．一根沿水平方向的細(xì)繩，一端連在物體M₁上，一端繞過(guò)滑輪組連在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可以通過(guò)細(xì)繩拉動(dòng)物體M₁沿導(dǎo)軌水平向A端移動(dòng)．質(zhì)量為8kg的物體M₂放在地面上，并通過(guò)細(xì)繩掛在動(dòng)滑輪E₂上，在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中，M₂始終未離開(kāi)地面．與滑輪組、電動(dòng)機(jī)有關(guān)的摩擦不計(jì)，動(dòng)滑輪E₂的質(zhì)量為0.2kg，細(xì)繩未發(fā)生形變，g取10N/kg．
（1）當(dāng)電動(dòng)機(jī)的輸出功率為2.5W時(shí)，剛好可以通過(guò)細(xì)繩拉動(dòng)物體M₁以0.1m/s的速度沿導(dǎo)軌水平向A端勻速運(yùn)動(dòng)，地面對(duì)物體M₂的支持力為 N₁．求細(xì)繩對(duì)物體M₁的拉力為多少？
（2）從物體M₁開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)起，導(dǎo)軌及支架能保持靜止的最長(zhǎng)時(shí)間為多少？
（3）將物體M₁換成另一質(zhì)量更大的物體，當(dāng)電動(dòng)機(jī)通過(guò)細(xì)繩拉動(dòng)它仍以0.1m/s的速度從B端沿導(dǎo)軌勻速向A端運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體M₂受到地面的支持力為N₂，且N₁：N₂=16：1．若此時(shí)電動(dòng)機(jī)兩端電壓為6V，電動(dòng)機(jī)線圈的電阻為2Ω，電動(dòng)機(jī)消耗的電能除了線圈發(fā)熱外，全部用于對(duì)細(xì)繩做功，電動(dòng)機(jī)允許通過(guò)的最大電流為1A．求此時(shí)通過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流為多少？

Answer 1

分析：（1）已知功率的大小和物體的速度，根據(jù)公式P=FV可求拉力的大小；
（2）勻速拉動(dòng)時(shí)，物體M₁所受的拉力與摩擦力是一對(duì)平衡力，物體M₁所受的摩擦力與導(dǎo)軌所受摩擦力是作用與反作用力，從而可知作用在支架上的摩擦力；進(jìn)一步求出支架受到的壓力的大小，根據(jù)杠桿的平衡條件可以求出導(dǎo)軌靜止時(shí)所受M₁的壓力的力臂，進(jìn)一步求出保持靜止的時(shí)間；
（3）對(duì)物體M₁和動(dòng)滑輪進(jìn)行受力分析，找出等量關(guān)系，列出等式地面對(duì)物體M₂的支持力為N₁；再根據(jù)N_l與N₂的關(guān)系求出N₂的大小；根據(jù)動(dòng)滑輪上繩子的段數(shù)求出繩子的拉力，根據(jù)公式P=Fv求出此時(shí)電動(dòng)機(jī)的輸出功率；根據(jù)公式P_出2=P₂-P_損2進(jìn)一步求出此時(shí)通過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流的大�。�

解答：解：（1）細(xì)繩對(duì)物體M₁的拉力拉力F₁=

P出

v

=

2.5W

0.1m/s

=25N；
（2）作用在支架上的摩擦力f=F=25N．此時(shí)支架受到物體M₁對(duì)它的摩擦力和M₁對(duì)它的壓力的作用，支架受到的壓力N=G₁=M₁g=5×10=50N．
假設(shè)導(dǎo)軌靜止時(shí)所受M₁的壓力的力臂為l₁，所受摩擦力的力臂l₂=0.6m，
根據(jù)杠桿平衡條件有：
Nl₁=fl₂；
解得：l₁=

fl2

N

=

25×0.6

50

=0.3m；
保持靜止的時(shí)間t=

O1B+O2C-l1

v

=

0.5+0.1-0.3

0.1

=3s；
（3）M₂和動(dòng)滑輪受到重力、繩子拉力、地面支持力的作用，因動(dòng)滑輪省力一半，于是有：G₂+G_動(dòng)=2F+N₁
N₁=m₂g+m_動(dòng)g-2F=8kg×10N/kg+0.2kg×10N/kg-2×25N=32N；
換M₁后，因?yàn)镹_l：N₂=16：1
∴N₂=

N1

16

=

32

16

=2N；
此時(shí)繩子的拉力F₂=

G2+Gd動(dòng)-N2

2

=

80+2-2

2

=40N；
此時(shí)電動(dòng)機(jī)的輸出功率為P_出2=F₂v=40N×0.1m/s=4W；
由P_出2=P₂-P_損2有：UI₂-I₂²r=P_出2，即6I₂-2I₂²=4；
解得I₂=1（A）或I₂=2（A）（不合題意，舍去）；
答：（1）細(xì)繩對(duì)物體M₁的拉力為25N；
（2）從物體M₁開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)起，導(dǎo)軌及支架能保持靜止的最長(zhǎng)時(shí)間為3s；
（3）此時(shí)通過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流為1A．

點(diǎn)評(píng)：本題考查拉力、時(shí)間、功率、電流等的計(jì)算，關(guān)鍵是各種公式及其變形的靈活運(yùn)用，難點(diǎn)是對(duì)物體的受力分析，本題考查知識(shí)點(diǎn)較多，難度較大，解題過(guò)程中中一定要仔細(xì)認(rèn)真．