【分析】
这道题围绕塔吊搬运货物的过程,分三个阶段考察功和功率的相关计算,解题思路可以分步梳理:
1. 第一问判断BC段拉力做功:首先回忆做功的两个必要条件:一是作用在物体上的力,二是物体在力的方向上移动距离。BC段拉力是竖直向上的,货物是水平移动,移动方向和拉力方向垂直,没有在拉力方向移动距离,因此拉力做功为0。
2. 第二问计算CD段重力做功的功率:先从图乙读出CD段货物移动的路程是5m,方向竖直向下,和重力方向一致,先用W=Gh计算重力做的总功,再根据功率公式P=W/t,代入时间50s就能算出功率。
3. 第三问计算A到B的功率并作图:首先从图甲推导AB段的提升高度,楼顶D距离地面15m,CD段向下移动5m,因此B点距离地面的高度是15m+5m=20m。货物匀速提升,拉力等于重力,先算出A到B拉力做的总功,除以时间40s得到功率,再分别算出20s、40s对应的总功,在丙图的坐标系里描点,连接原点和40s对应的功的点,就能得到功随时间变化的图像。
【解析】
(1) 做功需要满足两个条件:作用在物体上的力,物体在力的方向上通过距离。BC段吊机对货物的拉力竖直向上,货物沿水平方向运动,没有在拉力的方向上移动距离,因此拉力对货物做功为0J。
(2) 由图乙可知,CD段货物移动的路程$s_{CD}=5\ \mathrm{m}$,方向竖直向下,重力对货物做功:
$W_G = G· s_{CD} = 6000\ \mathrm{N} × 5\ \mathrm{m} = 3×10^4\ \mathrm{J}$
CD段重力做功的功率:
$P_G = \frac{W_G}{t_{CD}} = \frac{3×10^4\ \mathrm{J}}{50\ \mathrm{s}} = 600\ \mathrm{W}$
(3) 由图甲可知,D点距离地面高度为15m,CD段货物向下移动5m,因此B点距离地面的高度$h_{AB} = 15\ \mathrm{m} + 5\ \mathrm{m} = 20\ \mathrm{m}$。
货物匀速竖直上升,吊机对货物的拉力$F=G=6000\ \mathrm{N}$,A到B过程拉力做的总功:
$W_{AB} = F· h_{AB} = 6000\ \mathrm{N} × 20\ \mathrm{m} = 1.2×10^5\ \mathrm{J}$
A到B过程的功率:
$P_{AB} = \frac{W_{AB}}{t_{AB}} = \frac{1.2×10^5\ \mathrm{J}}{40\ \mathrm{s}} = 3000\ \mathrm{W}$
20s时吊机做的功$W_1 = P_{AB} × t_1 = 3000\ \mathrm{W} × 20\ \mathrm{s} = 6×10^4\ \mathrm{J} = 60×10^3\ \mathrm{J}$,40s时做功为$120×10^3\ \mathrm{J}$,在丙图坐标系中描点连线,得到功随时间变化的过原点的倾斜直线。
【答案】
(1) 0 J (2) 600 W (3) 3 000 W

【知识点】
功的判断,功率计算,s-t图像应用
【点评】
本题结合塔吊作业的真实场景,将功、功率的知识点融入不同运动阶段,既考察了基础概念的辨析(水平移动时拉力不做功),也考察了公式的灵活应用,最后结合图像作图的设问,对学生的综合应用能力有一定要求,易错点是AB段提升高度的推导,需要结合甲图的几何关系分析。
【难度系数】
0.6