11. 大伟用一个距离手3 m高的定滑轮拉住重100 N的物体,从滑轮正下方沿水平方向移动4 m,如图11-3-4所示。若不计绳重和摩擦,他至少做功(
A
)。

A.200 J
B.300 J
C.400 J
D.500 J
答案:11. A
解析:
【分析】本题考查定滑轮的特点、功的计算及勾股定理的应用。首先明确定滑轮不省力,拉力等于物体重力;要计算大伟做的功,需先求出绳子被拉动的长度(即物体上升的高度),通过几何关系(勾股定理)算出移动后绳子的长度,与初始绳子长度的差即为绳子移动的距离,再用公式$W=Fs$计算功。
【解析】定滑轮的特点是不省力,不计绳重和摩擦时,拉力$F=G=100N$。初始时大伟在滑轮正下方,绳子长度$L_1=3m$;当他沿水平方向移动4m后,滑轮到手的距离构成直角三角形,直角边为3m和4m,根据勾股定理,此时绳子长度$L_2=\sqrt{3^2+4^2}=5m$。绳子被拉动的长度$s=L_2-L_1=5m-3m=2m$,根据功的计算公式$W=Fs$,得大伟做的功$W=100N×2m=200J$。
【答案】A
【知识点】定滑轮特点、功的计算、勾股定理
【点评】本题将物理知识与几何知识结合,关键是确定绳子移动的距离,需掌握定滑轮不省力的特性,以及功的计算方法,属于基础综合题。
【难度系数】0.5
12. 如图11-3-5所示,某同学在做俯卧撑运动,若将他视为一个杠杆,他的重心在A点,重力为500 N,则他将身体撑起,双手对地面的压力至少为
300
N;若他每次肩部上升的距离均为0.4 m,则他一次俯卧撑做的功约
120
J。


图11-3-4
答案:12. 300 120
解析:
【分析】
本题结合俯卧撑运动考查杠杆平衡条件和功的计算。首先将人体抽象为杠杆,确定支点、动力臂与阻力臂,利用杠杆平衡条件求出地面对双手的支持力,再根据相互作用力得到双手对地面的压力;接着根据杠杆力臂的比例关系确定重心上升的高度,最后利用功的公式计算一次俯卧撑做的功。
【解析】
1. 计算双手对地面的压力:
将人体视为杠杆,支点在脚与地面的接触点,阻力为人的重力$ G = 500\ \mathrm{N} $(作用在重心A点),动力为地面对双手的支持力$ F $(作用在双手处)。根据俯卧撑的典型力臂比例,动力臂与阻力臂的比值为$ 5:3 $。根据杠杆平衡条件$ F_1L_1 = F_2L_2 $,代入得:$ F × L_1 = G × L_2 $,即$ F = G × \frac{L_2}{L_1} = 500\ \mathrm{N} × \frac{3}{5} = 300\ \mathrm{N} $。由于双手对地面的压力与地面对双手的支持力是相互作用力,大小相等,故双手对地面的压力为$ 300\ \mathrm{N} $。
2. 计算一次俯卧撑做的功:
肩部上升距离$ s = 0.4\ \mathrm{m} $,根据杠杆力臂比例,重心上升的高度$ h $与肩部上升距离的比值为$ \frac{L_2}{L_1} = \frac{3}{5} $,因此$ h = 0.4\ \mathrm{m} × \frac{3}{5} = 0.24\ \mathrm{m} $。一次俯卧撑做的功是克服重力做的功,根据功的公式$ W = Gh $,代入得:$ W = 500\ \mathrm{N} × 0.24\ \mathrm{m} = 120\ \mathrm{J} $。
【答案】
300;120
【知识点】
杠杆平衡条件、功的计算
【点评】
本题将物理知识与生活实际结合,关键是正确确定杠杆的力臂关系,利用杠杆平衡条件和功的公式进行计算,难度适中,注重考查知识的应用能力。
【难度系数】
0.5
13. 如图11-3-6所示,质量为1.2 kg的无人机下方悬挂着一个质量为0.1 kg的摄像机,它在10 s内从地面匀速竖直上升了15 m。无人机重为
12
N,上升的速度为
1.5
m/s,10 s内无人机对摄像机所做的功为
15
J。(g取10 N/kg)
答案:13. 12 1.5 15
解析:
【分析】
本题考查重力、速度、功的基本计算,解题思路分三步:①利用重力公式计算无人机的重力;②利用速度公式计算上升速度;③先求摄像机重力,再用功的公式计算无人机对摄像机做的功,需注意匀速运动时拉力等于物体重力,功是力与力方向上移动距离的乘积。
【解析】
1. 无人机的重力:根据重力公式$G=mg$,无人机质量$m_{机}=1.2\ \mathrm{kg}$,$g=10\ \mathrm{N/kg}$,则$G_{机}=m_{机}g=1.2\ \mathrm{kg}×10\ \mathrm{N/kg}=12\ \mathrm{N}$;
2. 上升速度:根据速度公式$v=\frac{s}{t}$,上升路程$s=15\ \mathrm{m}$,时间$t=10\ \mathrm{s}$,则$v=\frac{15\ \mathrm{m}}{10\ \mathrm{s}}=1.5\ \mathrm{m/s}$;
3. 无人机对摄像机做功:先算摄像机重力$G_{摄}=m_{摄}g=0.1\ \mathrm{kg}×10\ \mathrm{N/kg}=1\ \mathrm{N}$,匀速上升时无人机对摄像机的拉力$F=G_{摄}$,上升高度$h=15\ \mathrm{m}$,根据功的公式$W=Fh$,得$W=G_{摄}h=1\ \mathrm{N}×15\ \mathrm{m}=15\ \mathrm{J}$。
【答案】
12 1.5 15
【知识点】
重力计算、速度计算、功的计算
【点评】
本题为基础力学计算题,结合无人机场景考查核心公式应用,步骤明确,只要掌握基本公式即可正确解答,属于常规易得分题。
【难度系数】
0.8
14. 假设步枪枪膛里火药爆炸产生的气体往外推子弹的力是11 760 N,把子弹从枪膛里推出共做了7 291.2 J的功。求枪膛的长。
答案:14. 0.62 m
解析:
【分析】这道题考查功的计算公式的应用,解题思路是:已知气体对子弹的推力F和推力做的功W,根据功的计算公式$ W = Fs $(其中s是力的方向上移动的距离,本题中即为枪膛的长度),将公式变形为$ s = \frac{W}{F} $,代入已知数值即可求出枪膛的长度。
【解析】根据功的计算公式$ W = Fs $,变形可得枪膛的长度(即力的方向上子弹移动的距离):
$ s = \frac{W}{F} = \frac{7291.2\ \mathrm{J}}{11760\ \mathrm{N}} = 0.62\ \mathrm{m} $
【答案】0.62 m
【知识点】功的计算公式(W=Fs)、距离的计算
【点评】本题是对功的基础公式的直接应用,难度较低,只要牢记功的公式并能正确变形计算,即可轻松得出结果,属于力学中功部分的基础题型。
【难度系数】0.8
15. 某人乘坐出租车在平直的公路上匀速行驶,出租车的牵引力为$3×10^3\ \mathrm{N}$,图11-3-7为他乘车到达目的地时的车费发票。求:
(1)出租车行驶的时间。
(2)出租车行驶的速度。
(3)出租车在这段时间内所做的功。

答案:$15. (1) 300 s (2) 20 m/s (3) 1.8×10^7 J$
解析:
【分析】
要解决这三个问题,需从出租车车费发票中提取时间和路程信息,再结合对应物理公式逐步计算:
(1)行驶时间:用下车时间减去上车时间,再换算为秒;
(2)行驶速度:利用速度公式$v=\frac{s}{t}$,注意统一路程和时间的单位;
(3)做功:利用功的公式$W=Fs$,代入牵引力和行驶路程计算。
【解析】
(1)出租车行驶的时间:$t = 10:05 - 10:00 = 5\ \mathrm{min} = 5×60\ \mathrm{s} = 300\ \mathrm{s}$;
(2)出租车行驶的路程:$s = 6.0\ \mathrm{km} = 6000\ \mathrm{m}$,根据速度公式$v=\frac{s}{t}$,代入数据得:$v=\frac{6000\ \mathrm{m}}{300\ \mathrm{s}} = 20\ \mathrm{m/s}$;
(3)已知牵引力$F=3×10^3\ \mathrm{N}$,行驶路程$s=6000\ \mathrm{m}$,根据功的公式$W=Fs$,代入数据得:$W=3×10^3\ \mathrm{N}×6000\ \mathrm{m}=1.8×10^7\ \mathrm{J}$。
【答案】
(1) $300\ \mathrm{s}$;(2) $20\ \mathrm{m/s}$;(3) $1.8×10^7\ \mathrm{J}$
【知识点】
速度计算、功的计算、时间单位换算
【点评】
本题结合生活实际场景,考查时间、速度、功的基础计算,关键是从发票中准确提取物理量,注意单位统一,属于常规力学基础题。
【难度系数】
0.3
工厂里有一种特殊结构的滑轮,叫作差动滑轮(俗称“神仙葫芦”),它由两个直径相差不多的定滑轮和一个动滑轮组成,其示意图如图11-3-8所示。有了它,只需一个人就可以缓慢提升或移动很重的物体。
(1)设大定滑轮半径为$R$,小定滑轮半径为$r$($R$稍大于$r$),用力$F$拉绳,使两个定滑轮同轴转动一周,则图中绳子$A$点拉出的长度为
2πR
,绳子$B$点下降的长度为
2πr
,重物上升的高度为
π(R−r)
。
(2)设物重为$G$,则在两个定滑轮转动一周的过程中,拉力$F$做的功为
2πRF
,动滑轮对重物做的功为
πG(R−r)
。

答案:(1) 2πR 2πr π(R−r) (2) 2πRF πG(R−r)
解析:
【分析】
要解决差动滑轮的问题,需明确同轴定滑轮转动时,大、小轮边缘移动的距离等于各自的周长;再分析动滑轮两侧绳子长度的变化,推导重物上升的高度;最后根据功的计算公式计算拉力和动滑轮对重物做的功。步骤如下:1. 同轴定滑轮转一周时,大轮拉出的绳子长度为大轮周长,小轮收回的绳子长度为小轮周长;2. 动滑轮两侧绳子的总变化量决定重物上升高度,需除以2;3. 功的计算为力乘以对应移动的距离。
【解析】
(1)同轴定滑轮转动一周时,大轮的周长为$2π R$,因此绳子A点拉出的长度等于大轮周长,即$2π R$;小轮的周长为$2π r$,转动一周时小轮收回绳子的长度为$2π r$,故绳子B点下降的长度为$2π r$;动滑轮两侧绳子的总长度变化为A点拉出的长度减去B点收回的长度,即$2π R - 2π r$,由于动滑轮两侧各有一段绳子,因此重物上升的高度为总变化量的一半,即$\frac{2π R - 2π r}{2} = π(R - r)$。
(2)拉力$F$做的功等于拉力乘以A点移动的距离,即$W_F = F × 2π R = 2π RF$;动滑轮对重物做的功等于物重乘以重物上升的高度,即$W_G = G × π(R - r) = π G(R - r)$。
【答案】
(1) $2π R$;$2π r$;$π(R - r)$ (2) $2π RF$;$π G(R - r)$
【知识点】
功的计算;差动滑轮原理;圆周周长
【点评】
本题考查差动滑轮的工作原理,核心是理解同轴定滑轮转动时的周长关系,以及动滑轮上升高度的推导,需理清绳子长度变化与重物移动的关系,属于中等难度的滑轮应用问题。
【难度系数】
0.5