图甲是使用汽车打捞水下重物的示意图。汽车通过定滑轮牵引水下一个圆柱形重物,在整个打捞过程中,汽车以恒定的速度V=0.4m/s向右运动。图乙是此过程中汽车拉动重物的功率P随时间t变化的图象。设t=0时汽车开始提升重物,忽略水的阻力和滑轮的摩擦,g取10N/kg。求:
(1)圆柱形重物的质量;
(2)圆柱形重物的密度;
(3)打捞前,圆柱形重物上表面所受的水的压力。画出重物上升时的受力示意图。
解析:
(1)由图可知:汽车在AB段的功率为P1=700W.速度为0.4m/s,汽车在AB段对物体的拉力为:
同理,汽车在CD段对物体的拉力为:
整个物体打捞过程分为三个阶段。
第一阶段,将重物从水底拉上表面刚好接触水面这一过程,G不变,F浮不变,F1不变。且有G=F浮+F1
第二阶段,将重物拉出水面过程,这一过程,F浮变小直到为0,拉力F越来越大,对应图BC段。
第三阶段,重物刚好全部拉出水面,以后继续向上拉的过程,这一过程G不变,拉力F3与重力G相等,对应图CD段。G=F3
因为G=F3=2000N,所以
(2)
F浮=G﹣F1=F3﹣F1=2000N﹣1750N=250N,
F浮=ρ水gV排=ρ水gV物,
(3)由图BC段可知,打捞的重物从上表面接触到水面到刚好整个物体露出水面,所需时间
t=60s﹣50s=10s,
上升的速度为0.4m/s,所以物体升高
h物=vt=0.4m/s×10s=4m,
所以物体上下表面积
原来物体上表面距离水面的高度
h1=vt′=0.4m/s×50s=20m,
压强:
p=ρ水gh1=1×103×10×20=2×105Pa,
压力:
F=pS=2×105Pa×6.25×10﹣3m2=1250N。
重物上升时受到竖直向下的重力、竖直向上的浮力和拉力作用,作用点在物体重心,如图所示:
故
(1)圆柱形重物的质量为200kg;
(2)圆柱形重物的密度为8×103kg/m3;
(3)打捞前,圆柱形重物上表面所受的水的压力为1250N.重物上升时的受力示意图见
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