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1、初中应用物理知识竞赛辅导讲座15 机械能 编辑人：袁几 【重点知识解读】 1. 物体由于运动而具有的能量叫做动能；物体由于举高而具有的能量叫做重力 势能；物体由于发生弹性形变而具有的能量叫做弹性势能。 2. 如果只有动能和势能的相互转化，那么总的机械能保持不变。都是由物质组 成，物体所含物质的多少叫做质量。质量是物体的一种属性，它不随物体的 温度、形状、状态和位置的变化而变化。用天平测量物体的质量。 3. 功的两个必要因素：一是作用在物体上的力，二是物体在力的方向上通过的 距离。做功的实质是一种能量转化或转移的过程。功W=Fs。 4. 单位时间内做的功叫做功率，P=W/t。 5. 当物体在力
2、F 作用下以速度 v 运动时，其功率P=Fv。 6. 机械效率 = W W 有 总 100%。机械效率是标志机械做功性能好坏的物理量，机 械效率越高，机械的性能越好。 7. 功的原理：使用任何机械都不省功。 【竞赛知识拓展】 1. 人造地球卫星由远地点向近地点运动，重力势能逐渐减小，动能逐渐增大， 重力势能转化为动能。 2. 物体克服摩擦力运动产生热。 3. 机器以恒定功率 P 做功， t 时间内做功 W=Pt。 4. 电器的额定功率 P=UI 。 电动机输入功率等于输出的机械功率与电阻发热功率 之和，即 UI=P机+I 2r。 【经典竞赛题分析】 例 1(2010 全国初中应用物理知识竞赛题
3、)“手拉葫芦” (如图 15 所示)是一 种携带方便、使用简易的手动起重机械，广泛用于工厂、工地、矿山、农业生产 等环境，用来完成起吊货物等任务。其中HCB30 型“手拉葫芦”的技术数据如 下表： 型号HCB30 承载链条股数（股）2 最大承载质量 (t) 3 链条直径(mm) 来 源 :Zxxk.Co m 8 一次起升高度(mm) 3 手拉轮直径(mm) 150 测试载荷(kN) 37.5 承载轮直径(mm) 50 最小净空高度（mm）470 净重（kg）21.7 最大载荷所需拉力(N) 360 毛重（kg）22.3 注： “一次起升高度”是指，成年人在站立状态，用左、右两手交替拉动手 拉链
4、条进行正常起重操作的过程中，左手或右手下拉一次 （按 30cm计） ，所吊重 物上升的高度。 承载轮上所缠的承载链条较粗且两端固定，而手拉轮上所缠的手拉链条较细 且构成一个完整的环。 工作过程中， 手拉链条、承载链条在轮上都不打滑。其缠 绕情况如图 16 示。(取 g=10N/kg) 1根据题目中提供的相关信息， 通过计算， 析判断 HCB30 型“手拉葫芦”的手拉轮与承载轮是否是一个共 轴的轮轴？ 2.计算该型“手拉葫芦” 在满载的情况下正常工作时 的机械效率。 来源学 科网 ZXXK 解析：1.设手拉轮与承载轮是一个共轴的轮轴，则用 手拉动手拉链条一次，链条移动的距离H 与承载轮收回 链条
5、的长度 h 应满足 H D = h d 此过程中重物上升的高度s= 1 2 h2= 2 dH D =5cm 因重物实际一次起升高度为s0=3mm，即 s s0，所以此“手拉葫芦”的手拉 轮与承载轮不是一个共轴的轮轴。 2.该型号“手拉葫芦”在满载的情况下正常工作时，用手下拉一次手拉链条 的过程中， 人对“手拉葫芦”做功： W人=FH=3603010-2J=108J, “手拉葫芦”对重物做功：W机=Gs0=310310310-3J=90J ， “手拉葫芦”的机械效率：= W W 机 人 100%= 90 108 100%=83.3%。 【竞赛实战训练】 1.(2007上海初中物理知识竞赛题)如图
6、所示， 在河中间固定一个 细长圆管， 管内有一轻质活塞， 活塞下端位于水面， 面积为 1 厘 米 2，质量不计，大气压强为10 105 帕。现将活塞缓慢提高 15 米，则在该过程中外力对活塞做功为 (A)50焦(B)100焦(C)150焦(D)200焦 1.答案： B 解析：在提高前10 米过程中克服大气压做功等于提起的10 米水柱的重力势能 W1=10110 -4103105J=50J ，提高后 5 米的过程中需克服大气压做功， 外力对活塞做功W2=p0s5=1.0105110-45J=50J，外力对活塞做功W= W1+ W2=100J，选项 B 正确。 2 （2007 青岛竞赛题）飞机、轮
7、船运动时，受到的阻力并不固定，当速度很大 时，阻力和速度的平方成正比， 如果要把飞机、 轮船的速度增大到2 倍，发动机 的输出功率要增大到原来的（） A2 倍B4 倍 C6 倍D8 倍 2. .答案： D 解析：由 f=kv 2，P=Fv，F=f 可得 P=kv3.。当速度增大到 2 倍，发动 机的输出功率 P 要增大到原来的 23=8 倍，选项 D 正确。 3 （2007 青岛竞赛题）一辆娱乐电瓶车，工作电压为24V，工作电流为10A， 效率为 80%。电瓶车及人总重为2000N，行驶时阻力是总重的0.1 倍，则此电瓶 车水平匀速行驶 100m所用的时间约为（） A83s B833s C10
8、4s D以上都不对 3. .答案： C 解析：由 UI=fv得匀速行驶的速度v=UI /f=24V10A80%/(0.1 2000N)=0.96m/s ，水平匀速行驶100m所用的时间约为t=s/v=104s，选项 C 正 确。 二综合应用题 1. (2011 全国初中应用物理知识竞赛题)警用弓弩因其发射时无光、声音小等特 点，被广泛应用于反恐， 如图 7 甲所示。图 7 乙和丙为两种配有不同瞄准装置的 弩，它们可用来发射箭和钢珠，并配有手柄、肩托等辅助设备弩弦的拴绕使用 了滑轮可有效地减小体积。 请观察它的结构， 并分析它的使用过程， 其中用到了 哪些物理知识 ? 1. 答案：手柄上有花纹，
9、表面粗糙增大摩擦。箭身细长，减小空气阻力。 弓箭或钢珠离开弩弦后能继续运动，物体具有惯性。箭头尖锐，减小受力面积， 增大压强。 利用弩的弹力发射弓箭， 将弹性势能转化为动能。 肩托，增大受 力面积，减小压强。瞄具，光的直线传播。光学瞄准镜，光的折射。滑轮 组，放箭时省力。滑轮组，放箭时省距离。 2.(2009全国初中应用物理知识竞赛复赛题)小胖同学在暑假期间参加了农村电网 改造的社会实践活动，其中电工所挖的埋水泥电线杆的坑引起了小胖的兴趣。 坑的形状如图 5 所示，从地面上看， 坑基本上是一个长方形， 其宽度仅比电线杆 的粗端直径稍大一点， 坑中沿长方形的长边方向有一从地面直达坑底的斜坡。请
10、你回答： （1）为什么要挖成图5 所示的深坑，而不挖成图6 甲所示的仅比电线杆 略粗一点的圆筒状深坑， 或者如图 6 乙、丙所示的那种大口径的方形或圆形的深 坑?这样做有什么好处 ? （2）通过计算对比分析： 如果将这种水泥电线杆分别埋入图5、图 6 甲所 示的坑中。则把水泥电线杆放到坑口适当位置后，在竖起水泥电线杆的过程中， 抬起水泥电线杆的细端至少分别需要多大的力?已知这种坑深 2.0m，宽 0.3m，地 面处坑口长 2.3m，坑底长 03m。水泥电线杆的质量为600kg，长 10.0m，粗端 直径 0.25m，其重心距粗端4.0m。(取 g =10N/kg) （3）在上述两种情况下，竖起
11、水泥电线杆的过程中，人们对水泥电线杆 至少分别要做多少功 ? 2 解析： （1）挖成图 5 所示的深坑好处如下： 少挖土方：挖成图 5所示的深坑要比挖成图6 乙、 丙所示的深坑少挖土方， 这样可以少做功，避免人力浪费，提高劳动效率。 便于施工：施工人员更易于从图5 所示的坑里向外取土。 省力省功： 用图 5 所示的深坑埋水泥电线杆， 与用图 6 甲所示的深坑埋水 泥电线杆相比， 不必将电线杆沿竖直方向直立在地面上，重心上升高度小， 施工 时即省力又省功。 施工安全： 用图 5 所示的深坑埋水泥电线杆， 施工人员只需从有斜坡的方 向扶住水泥电线杆就行了， 水泥电线杆不会向其它方向倾倒，施工比较安
12、全。 说 明：每答对一种理由给1 分，本小问最多得2 分。答案合理即给分。 （2）若将这种电线杆埋入图5 所示的坑中，电线杆就位后的情况如图答 1 所示。设竖起电线杆的过程中，在细端所用拉力为F1。 在图答 1 中，电线杆粗端伸入坑口的距离为2.3 m -0.3 m =2.0m 进而： O1A1=10.0 m -2.0 m =8.0m O1B1=4.0 m -2.0 m =2.0m 电线杆重： G=mg= 60010 N =6000N 来源 学科网 根据杠杆平衡条件，有：F1O1A1=GO1B1 解得： F1= 11 11 GO B O A = 60002.0 8.0 N=1500 N 若将这
13、种电线杆埋入图6 甲所示的坑中。电线杆就位后的情况如图答2 所示。设竖起电线杆的过程中，在细端所用拉力为F2。 在图答 2 中：O2A2=10.0m O2B2=4.0m 根据杠杆平衡条件，有：F2O2A2=GO2B2 解得： 22 2 22 60004.0 2400 10.0 GO B F O A N 。 （3）在图答 1 中，电线杆重心升高： h1=4.0 m -2.0 m =2.0m 人们对电线杆做功： W1=Gh1=60002.0 J =12000J 在图答 2 中，电线杆重心升高： h2=4.0m 人们对电线杆做功： W2=Gh2=60004.0 J =24000J 。 3. (200
14、8年全国初中应用物理知识竞赛复赛题）晓欣同学看到一些小汽车的尾 部都标有“ 0.8” 、 “1.6” 、 “1.8”或“2.0”等字样，他上网查询得知这是汽车发动 机“排气量” 的数值。所谓排气量就是发动机气缸的工作容积，是指所有气缸内 活塞从下止点到达上止点所扫过的容积之和。一般情况下发动机的 “排气量” 越 大，功率越大。汽车发动机每一个工作循环要经历四个冲程，带动曲轴转动2 周。现有一辆小轿车发动机排气量为1.8L，最大功率为 74kW，当该发动机以最 大功率工作时，曲轴的转速为5200r/min。汽油机工作时的最佳空燃比（即空气 和燃油的质量比）为14:1，压缩比是 10（即气缸总容积
15、与燃烧室容积的比值） ， 若发动机在最大功率时汽油和空气的混合密度为1.35kg/m 3,汽油的热值为 4.6 107J/kg、密度为 0.71103kg/m3。请计算： （1）.这台发动机在最大功率时的热机效率。 （2）.发动机在最大功率时，汽车的最高时速为175km/h，计算在此情况下 汽车每百公里油耗为多少升。 【解析】 （1） 这台发动机在最大功率时1min 内发动机做的有用功 W有=74 103W 60s=4.44 106J.。 在 1min 内转动 5200r，吸入汽油和空气的混合气2600次。 1min内发动机消耗汽油的质量为： m= V =1.35kg/m 3 1.8 10-3
16、 m3 2600 =0.47 kg。 1min 内汽油完全燃烧放出的热量W总=0.47kg 4.6 107J/ kg=2.16107J。 这台发动机在最大功率时的热机效率=W有/W总100%=21% （2） 汽车以最高时速175km/h 前进 100km 所用时间： t=s/v=100km/175km/h =34.3min。 汽车每行使 100km 的耗油质量为： m = 0.47 kg/min34.3min=16.1kg 。 汽车每行使 100km 的耗油体积为V= m/ =16.1kg/0.71kg/L=22.7L 。 【点评】此题以汽车发动机“排气量”切入，意在考查功和功率、热机、机械效 率及其相关计算和综合运用知识的能力。 4.（2011全国初中物理应用物理知识竞赛试题，第六题，15 分)随着新能源、 低碳等理念的普及， 小明设想出了一种完全以太阳能电池为能源的汽车，以下是 他查到的一些数据： 太阳辐射的总功率P总=3.91026w，太阳到地球的距离r=1.5 1011m，阳光穿过太空和地球周围的大气层到达地面的过
