Question

2007年12月22日，在海底23m深處沉睡800多年的“南海一號(hào)”古沉船，被“華天龍?zhí)枴贝驌拼�整體打撈成功．整體打撈是為了保存好文物，將“南海一號(hào)”船體和船上滿載的貨物連帶周圍的淤泥一起，按照原狀固定在特殊的鋼制“沉箱”內(nèi)，沉箱分為上下兩部分，上沉箱質(zhì)量為5000T，底面積為S，高為a=7m，上沉箱整體搬到專門為它建造的廣東海上絲綢之路博物館“水晶宮”內(nèi)．下沉箱底面積為S，高為5m，打撈過(guò)程中將留在海底．“華天龍”打撈船的吊臂臂架長(zhǎng)達(dá)109m．起吊時(shí)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絞盤拉動(dòng)直徑為76mm的鋼絲繩，鋼絲繩總長(zhǎng)度2200m，分成64根鋼絲繩通過(guò)吊臂頂端的定滑輪拉動(dòng)動(dòng)滑輪和吊鉤，吊鉤下用直徑為110mm的32根鋼纜拴住沉箱的16個(gè)吊點(diǎn)，平穩(wěn)地緩緩豎直上升，上升過(guò)程底面始終保持水平，此時(shí)鋼絲繩的拉力為F1，如圖1所示．當(dāng)沉箱被吊起離開水面，露出高h(yuǎn) 時(shí)，吊臂對(duì)動(dòng)滑輪組的豎直向上拉力是F拉．它們的數(shù)量關(guān)系如圖2所示．鋼絲繩、鋼纜所受重力，鋼纜在水中的浮力不計(jì)，海水的密度為1.0×10³kg/m³，g取10N/kg．求：
（1）當(dāng)沉箱在水底時(shí)，海水對(duì)上沉箱頂部的壓強(qiáng)．
（2）當(dāng)沉箱在水中勻速豎直上升過(guò)程中鋼絲繩的拉力F₁和機(jī)械效率（保留1位小數(shù)）．

Answer 1

【答案】分析：（1）求出上沉箱頂部到水面的深度，根據(jù)p=ρgh求出壓強(qiáng)；
（2）對(duì)沉箱分為兩種情況--浸沒在水中和離開水面進(jìn)行受力分析，列出方程組，解出拉力F₁的大小；
然后根據(jù)公式W=Fs分別求出有用功和總功，根據(jù)η=求出機(jī)械效率．
解答：解：
（1）海面至上沉箱的深度為h=23m-12m=11m．
海水對(duì)上沉箱頂部的壓強(qiáng)：
p=ρ_海水gh=1.0×10³kg/m³×10N/kg×11m=1.1×10⁵Pa；
（2）當(dāng)上沉箱完全浸沒在海水時(shí)，吊鉤和動(dòng)滑輪組的受力為重力G′，鋼纜的拉力F_鋼纜1，
64根鋼絲繩的拉力F_拉1，如左圖所示，上沉箱勻速上升，F(xiàn)_拉1=F_鋼纜1+G′，
F_鋼纜1=G_沉箱-F_浮1
F_浮1=ρ_海水gV_沉箱=ρ_海水?g?a?S
F_拉1=G_沉箱+G′-ρ_海水?g?a?S    ①
當(dāng)上沉箱露出海水1m時(shí)，吊鉤和動(dòng)滑輪組的受力為重力G′，鋼纜的拉力F_鋼纜2，64根鋼絲繩的拉力F_拉2，如右圖所示，上沉箱勻速上升，F(xiàn)_拉2=F_鋼纜2+G′
F_鋼纜2=G_沉箱-F_浮2
F_浮2=ρ_海水?g?V_沉箱′=ρ_海水?g?（a-h）?S
F_拉2=G_沉箱+G′-ρ_海水?g?（a-h）?S   ②
由題中表格可以知道：F_拉1=3.04×10⁷N，F(xiàn)_拉2=3.58×10⁷N，
②-①式，得到：F_拉2-F_拉1=ρ_海水?g?a?S-ρ_海水?g?（a-h）?S=ρ_海水?g?S?h
3.58×10⁷N-3.04×10⁷N=10³kg/m³×10N/kg×1m?S
解出：S=5.4×10²m²，
G_沉箱=m_沉箱?g=5×10⁶kg×10N/kg=5×10⁷N，
F_浮1=ρ_海水?g?V_排=5.4×10²m²×7m×10N/kg×103kg/m³=3.78×10⁷N，
G′=F_拉1-G_沉箱+F_浮1=3.04×10⁷N-5×10⁷N+3.78×10⁷N=1.82×10⁷N，
鋼絲繩的拉力：F₁=F_拉1=×3.04×10⁷N=4.75×10⁵N；
設(shè)沉箱勻速上升lm，則拉力移動(dòng)距離s=64×1m=64m，
拉力做功W_總=F₁s=F₁×64m，有用功為W_有=F_鋼纜1h=（G-F_浮1）×1m，
所以機(jī)械效率為：η=×100%=×100%=×100%≈40.1%．
答：（1）當(dāng)沉箱在水底時(shí)，海水對(duì)上沉箱頂部的壓強(qiáng)1.1×10⁵Pa；
（2）當(dāng)沉箱在水中勻速豎直上升過(guò)程中鋼絲繩的拉力F₁為4.75×10⁵N；機(jī)械效率為40.1%．
點(diǎn)評(píng)：此題主要考查的是學(xué)生對(duì)液體壓強(qiáng)、機(jī)械效率計(jì)算公式和對(duì)物體進(jìn)行受力分析的理解和掌握，根據(jù)受力分析列出方程組是解決此題的關(guān)鍵，難度較大．