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解答题为了模拟训练航天员在失重时进行工作,在地面可以用中性浮力水槽产生“失重”

问题描述:

解答题

为了模拟训练航天员在失重时进行工作,在地面可以用中性浮力水槽产生“失重”.它的原理是,当人没入水中时,使人的重力和浮力相等,即中性浮力,获得模拟失重的感觉和效应.质量为75kg的航天员穿好生理背心、内衣和液冷服后,从准备区走出来,在岸边穿好水槽航天服,并用许多小铅块做好浮力配平后,被吊车缓缓吊入水中.在水下训练结束后,利用图所示滑轮组把宇航员从水面下拉出,宇航员所穿航天服和其他装备共重1250N,当他在AD杆中央的C点被吊车吊起时,离开水面后匀速竖直上升过程滑轮组的机械效率是η,钢丝绳的拉力是F.若除动滑轮以外的设备共重360N,从C点水平移动4m到B点,以A点为支点时,D点受到的压力在这个过程中变化了960N.AB=1m,AD=10m.AD杆重、钢丝绳重及伸长不计、滑轮的轮、轴间均摩擦不计,g取10N/kg.求:
(1)宇航员完全浸入水中受到的浮力;
(2)F和η.

网友答案:
解:
(1)G人=m人g=75kg×10N/kg=750N,
G宇航总=G人+G设备=750N+1250N=2000N
∵宇航员完全浸入水中处于悬浮状态,
F浮=G宇航总=2000N;
(2)AD是杠杆,以A为支点,杠杆处于水平平衡状态,两次受力如图

由杠杆平衡条件F1l1=F2l2可得:
FB×AB=FD1×AD,
FC×AC=FD2×AD,
杠杆对D点的压力与D点对杠杆的支持力是相互作用力,大小相等,
FB和FC都是宇航员、装备及设备对杠杆的拉力,保持不变,等于宇航员、装备及设备的总重G总,
G总×AB=FD1×AD,G总×AC=FD2×AD,两式相减得:
G总(AC-AB)=(?FD2-FD1)×AD,
G总(5m-1m)=960N×10m
∴G总=2400N,
动滑轮重:
G动=G总-G宇航总-G设备=2400N-2000N-360N=40N,
未入水前,不计摩擦和绳重,
动滑轮处于平衡状态,竖直方向受力如图
F=(G宇航总+G动)=(2000N+40N)=680N,
η=====≈98%.
答:(1)宇航员完全浸入水中受到的浮力为2000N;
(2)拉力为680N,滑轮组的机械效率为98%.解析分析:(1)知道航天员的质量,利用重力公式求其重,可求宇航员及设备总重,由于宇航员处于悬浮状态,根据悬浮条件求受到水的浮力;(2)AD是杠杆,两次受力如图,以A为支点,由杠杆平衡条件F1l1=F2l2可得FB×AB=FD1×AD,FC×AC=FD2×AD,杠杆对D点的压力与D点对杠杆的支持力是相互作用力,大小相等,FB和FC是宇航员、装备及设备对杠杆的拉力,保持不变,等于宇航员、装备、动滑轮及设备的总重G总,据此求G总,而G总=G宇航总+G设备+G动,可此求动滑轮重;未入水前,不计摩擦和绳重,F=(G宇航总+G动),据此求拉力大小,再根据η====求滑轮组的机械效率.点评:本题为力学综合题,考查了学生对重力公式、阿基米德原理、杠杆的平衡条件、物体的悬浮条件、效率公式的掌握和运用,知识点多、综合性强,要求灵活运用所学知识.
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