Question

圖中所示為修建高層建筑常用的塔式起重機(jī)．在起重機(jī)將質(zhì)量m=1×10³ kg的重物豎直吊起的過(guò)程中，重物由靜止開(kāi)始向上作勻加速直線運(yùn)動(dòng)，加速度a=0.2m/s²．當(dāng)起重機(jī)輸出功率達(dá)到其允許的最大值后，起重機(jī)保持該功率不變做變加速運(yùn)動(dòng)，最終重物以最大速度v_m=1.02m/s做勻速運(yùn)動(dòng)．取g=10m/s²，不計(jì)額外功．求：（1）起重機(jī)輸出功率的最大允許值；
（2）重物維持勻加速運(yùn)動(dòng)所經(jīng)歷的時(shí)間．

Answer 1

分析：首先要明白該題的物理過(guò)程（F為起重機(jī)牽引力）：
第一階段：勻加速運(yùn)動(dòng)階段．
開(kāi)始，重物由靜止做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，這個(gè)過(guò)程中V增大，起重機(jī)功率P=FV也增大（F=mg+ma 不變，V增大）；
第二階段：變加速運(yùn)動(dòng)階段，加速度逐漸減�。�
起重機(jī)輸出功率達(dá)到其允許的最大值并保持不變時(shí)，其功率已不能維持重物繼續(xù)做勻加速直線運(yùn)動(dòng)了，此時(shí)重物雖然做加速運(yùn)動(dòng)，但加速度逐漸減小，直到a=0．這個(gè)過(guò)程中P=FV不變（F減小，V增大）；
第三階段：勻速直線運(yùn)動(dòng)階段．
加速度等于0后，速度已達(dá)到最大值V_m，此時(shí)物體做勻速直線運(yùn)動(dòng)，此時(shí)F=mg，P=FV=mgV_m，不變．

解答：解：（1）設(shè)起重機(jī)允許輸出的最大功率為P_m，
重物達(dá)到最大速度時(shí)，此時(shí)物體做勻速直線運(yùn)動(dòng)，
拉力F₀等于重力．
P₀=F₀v_m…①
F₀=mg…②
代入數(shù)據(jù)，有：P₀=1.02×10⁴W…③
（2）勻加速運(yùn)動(dòng)結(jié)束時(shí)，起重機(jī)達(dá)到允許輸出的最大功率，
設(shè)此時(shí)重物受到的拉力為F，速度為v₁，勻加速運(yùn)動(dòng)經(jīng)歷時(shí)間為t₁，
P₀=Fv₁…④
F-mg=ma…⑤
V₁=at₁…⑥
由③④⑤⑥，代入數(shù)據(jù)，得：t₁=0.425s…⑦
答：（1）起重機(jī)輸出功率的最大允許值為1.02×10⁴W；
（2）重物維持勻加速運(yùn)動(dòng)所經(jīng)歷的時(shí)間為0.425s．

點(diǎn)評(píng)：高中物理中，分析受力和物理過(guò)程是非常重要的．最大功率要用第三階段中的P_m=FV=mgV_m計(jì)算，而不能用第一階段中的F與第三階段中的V_m的乘積計(jì)算，兩個(gè)F是不同的；V_m是最終速度，整個(gè)過(guò)程并不全是勻加速運(yùn)動(dòng)，不能用V_m=at來(lái)計(jì)算整個(gè)過(guò)程時(shí)間． 應(yīng)該根據(jù)P_m=FV₁=（mg+ma）at來(lái)求t． 要注意某一時(shí)刻的物理量要對(duì)應(yīng)起來(lái)．