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今年春节前后,我国南方大部分省区遭遇了罕见的雪灾,此次灾害过程造成17个省(区、市、兵团)不同程度受灾.尤其是雪灾天气造成输电线被厚厚的冰层包裹(如图甲),使相邻两个铁塔间的拉力大大增加,导致铁塔被拉倒、压塌(如图乙),电力设施被严重损毁,给这些地方群众的生产生活造成了极大不便和巨大损失.
当若干相同铁塔等高、等距时,可将之视为如图所示的结构模型.已知铁塔(左右对称)质量为m,塔基宽度为d.相邻铁塔间输电线的长度为L,其单位长度的质量为m0,输电线顶端的切线与竖直方向成θ角.已知冰的密度为ρ,设冰层均匀包裹输电线上,且冰层的横截面为圆形,其半径为R(输电线的半径可忽略).

(1)每个铁塔塔尖所受的压力将比原来增大多少?
(2)被冰层包裹后,输电线在最高点、最低点所受的拉力大小分别为多少?
(3)若某铁塔一侧的输电线在顶端断裂,该铁塔由于受力不对称,会造成该塔以塔基另一侧与地面的接触点为轴旋转翻倒.已知地面对塔基的最大拉力为F(该力可简化为作用点位于塔基中心、方向竖直向下的拉力),设铁塔包裹冰前后的质量之比与输电线包裹冰前后的质量之比相同,要使铁塔不致翻倒,输电线上包裹的冰层半径R的最大值Rmax为多少?

解:(1)输电线线冰层的体积V=πR2L
由对称关系可知,塔尖所受压力的增加值等于一根导线上冰层的重力,即
△N=ρVg=πρR2Lg
(2)输电线与冰层的总质量M'=m0L+πρR2Lg,输电线受力如图甲所示.
由共点力的平衡条件,得2F1cosθ=m0Lg+πρR2Lg
输电线在最高点所受的拉力
半根输电线的受力如图乙所示.
由共点力的平衡条件,得F2=F1sinθ
输电线在最低点所受的拉力

(3)设铁塔被冰包裹后的质量为m',则
铁塔即将翻倒时受力如图丙所示.
以塔基的最右端为转轴,R取最大值时:
又F1'=F1,联立各式,得
答:(1)每个铁塔塔尖所受的压力将比原来增大πρR2Lg;
(2)冰层包裹后,输电线在最高点的拉力、最低点所受的拉力
(3)输电线上包裹的冰层半径R的最大值为
分析:(1)塔尖受到的压力来自于左右两边的各一半导线上的重力,即为一根导线上的增加的重力;
(2)分别对导线最高点及最低点受力分析,由共点力的平衡可得出导线受到的拉力,注意在最高点时选取整根导线分析,而最低点时只选取一半导线进行分析;
(3)根据力矩平衡条件列式求解即可.
点评:本题考查学生在生活实际中应用物理规律的能力,本题要注意灵活选择研究对象进行受力分析,再应用共点力的平衡求解.
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科目:高中物理 来源: 题型:

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(1)每个铁塔塔尖所受的压力将比原来增大多少?
(2)被冰层包裹后,输电线在最高点、最低点所受的拉力大小分别为多少?
(3)若某铁塔一侧的输电线在顶端断裂,该铁塔由于受力不对称,会造成该塔以塔基另一侧与地面的接触点为轴旋转翻倒.已知地面对塔基的最大拉力为F(该力可简化为作用点位于塔基中心、方向竖直向下的拉力),设铁塔包裹冰前后的质量之比与输电线包裹冰前后的质量之比相同,要使铁塔不致翻倒,输电线上包裹的冰层半径R的最大值Rmax为多少?

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科目:高中物理 来源:2007-2008学年上海市高三(下)质量抽查物理试卷(4月份)(解析版) 题型:解答题

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(1)每个铁塔塔尖所受的压力将比原来增大多少?
(2)被冰层包裹后,输电线在最高点、最低点所受的拉力大小分别为多少?
(3)若某铁塔一侧的输电线在顶端断裂,该铁塔由于受力不对称,会造成该塔以塔基另一侧与地面的接触点为轴旋转翻倒.已知地面对塔基的最大拉力为F(该力可简化为作用点位于塔基中心、方向竖直向下的拉力),设铁塔包裹冰前后的质量之比与输电线包裹冰前后的质量之比相同,要使铁塔不致翻倒,输电线上包裹的冰层半径R的最大值Rmax为多少?

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科目:高中物理 来源:2008-2009学年上海市徐汇区高三(上)第一次测试物理试卷(解析版) 题型:解答题

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