如图所示,一轻质杠杆的B端挂一质量为10kg的物体,A端用一细绳将杠杆系于地上,细绳与杠杆间的夹角为30°,OA=1m,OB=0.4m,此时杠杆在水平位置平衡.现在O点放一质量为5kg的物体,用F=10N的水平拉力使物体以0.1m/s的速度向左匀速滑动.问:(g取10N/kg)
(1)物体未滑动时,细绳承受的拉力为多大?
(2)物体运动到距O点多远的地方,细绳AC的拉力恰好为零?
(3)在移动物体的过程中,F做的功及功率是多大?
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解:(1)物体未滑动时,它对杠杆施加的力近似看成通过支点o,它不影响杠杆的平衡.
∵=0.5m,L2=OB=0.4m,F2=G=mg=10kg×10N/kg=100N(30°所对的直角边是斜边的一半)
∴根据杠杆原理:F1L1=F2L2得;
(2)物体运动到距离o点为L3时,细绳AC的拉力恰好为零
根据杠杆原理有:F2L2=F3L3即100N×0.4m=50N×L3
∴L3=0.8m;
(3)物体运动的时间为:
拉力做功:W=FS=10N×0.8m=8J
功率:;
答:(1)物体未滑动时,细绳承受的拉力为80N;
(2)物体运动到距O点0.8m的地方,细绳AC的拉力恰好为零;
(3)在移动物体的过程中,F做的功是8J,功率是1W.
解析分析:用F=10N的水平拉力使物体向左匀速滑动时,物体对杠杆AB施加了一个大小等于10N的水平向左的滑动摩擦力,此力可近似看作通过杠杆的支点O,它不影响杠杆的平衡.当细绳的拉力为零时,影响杠杆平衡的力有两个:一个是作用在杠杆B端的力F2(大小等于G),另一个是运动到支点O左侧的物体对杠杆施加的压力F1(等于运动物体的重).利用杠杆平衡条件求出物体运动的距离,再根据t=s/v可求出力作用在物体上的时间,从而求出水平拉力做的功和功率.
点评:进行有关速度问题的计算,要用到公式v=s/t,很显然,其中只有路程与杠杆平衡条件中的力臂是同类量,因而,杠杆与速度问题的结合,一定是通过路程和力臂的关系来实现的.