《机械功、机械效率》由会员分享,可在线阅读,更多相关《机械功、机械效率(8页珍藏版)》请在金锄头文库上搜索。
1、机械功、机械效率 一、知识概述本周我们学习一个新的物理量功。首先介绍什么是功,怎样才算做了功,接着我 们探讨做功快慢的问题,引入功率的概念,最后我们讲一讲做功中的效率问题,明确总功、 额外功与有用功,引入机械效率的概念,并探究如何来提高机械效率。本周知识与上周所 讲的简单机械密切相关,注意我们研究的是机械功。 二、重难点知识剖析 (一)功 1、力学上的功是指:当一个力作用在物体上,并且使物体在力的方向上通过了一段距离, 那么这个力对物体做了功。 2、力学上的功必须具备两个因素:一个是作用在物体上的力,二是物体在力的方向上通过 的距离。 3、功等于力 F 跟物体在力的方向上通过的距离 S 的乘积
2、,即 W=FS。 4、在国际单位制中,功的单位是焦耳,符号是 J,1J=1Nm。 例1、下列几种情况,关于力对物体做功的说法正确的是( ) A陷在泥里的马车,两匹马用力拉车,虽然车没被拉动,但马对车做了功 B在光滑冰面上匀速滑行的冰块,是因为有力对它做功才一直运动的 C用力扛着一袋米,沿水平方向前进,人对米袋做了功 D用竖直向下的力压桌面,压力没有做功 解析:要判断一个力是否对物体做功,主要依据是看是否包含功的两个必要因素,同时具备 的才是做功。选项 A 中,马虽然对车用了力,但并没有使车在力的方向上移动距离,属于“劳而无 功”,故选项 A 错;选项 B 中,冰块在光滑冰面上靠惯性作匀速直线运
3、动,在运动方向上 不会受到力的作用,这属于物体通过了距离,但没有力作用的情况,是“不劳无功”,故选 项 B 错;选项 C 中,人扛着米袋行走,看起来这一过程既有力又有距离,但移动的距离并 不是力的方向上,人施给米袋一个竖直向上的力,而米袋并没有沿向上的方向移动距离, 只是在水平方向上移动了距离,故选项 C 错;选项 D 中只有力而没有发生距离,属于没有 做功,故选项 D 正确。 例2、某人从6m 深的井里提起一桶总重为150N 的水,并提着这桶水沿水平路面行走50m, 再走上一段长为5m,高3m 的楼梯。问这个人在这段时间内对水桶共做了多少功? 解析:功等于力 F 跟物体在力的方向上通过的距离
4、 S 的乘积,即 W=FS。在计算功的大小的 过程中应注意:式中的 F,S 是对应的,S 一定是在 F 的作用下在力 F 的方向上通过的距离。当人从井里提起这桶水时,人对水桶做了功,做功的大小为 W1=Gh1=150N6m=900J当人提着水桶沿水平路面行走50m 的过程中,人没有对水桶做功,即 W2=0当人提着水桶走上楼梯时,人对水桶做了功,水桶沿力的方向发生的距离应是楼梯的 高度即 W3=Gh2=150N3m=450J故人对水桶共做功 W=W1W2W3=900J450J=1350J (二)功率 1、单位时间里完成的功,叫功率,符号为 P。功率是描述做功快慢的物理量。 2、功率的计算(1)功
5、率的定义式:由功率的定义可得出功率的计算公式为: (2)对公式 的理解。由公式可知,做功的快慢与做功的多少是不同的。做的功多,做功不一定快,即功 率不一定大,因为这个功可能在较长的时间内完成。做的功也不一定多,因为做功的时间 可能很短。要比较功率的大小。必须同时考虑两个因素:做功的多少和完成这些功所用的 时间。做功相同时,时间少的功率大;相同时间内做功多的其功率大。公式 ,反映的是平均功率,即在时间 t 内的平均功率,而不是某一时刻的瞬时功率。当物体在力 F 的作用下,以速度 v 匀速运动时,公式 可变形为 即功率等于力与力的方向上运动速度的乘积。利用 P=Fv 可以知道:汽车在上坡时, 当功
6、率一定时,减慢速度是为了增大上坡时的牵引力,这样有利于上坡。 3、功率的单位:瓦特,符号 W,1W=1J/S 例3、如图所示,在滑轮组的作用下,物体 A 沿水平面以0.2m/s 的速度匀速前进了2m,已 知 A 重300N,拉力 F 的功率为12W,不计绳和滑轮重,则拉力 F=_N,拉力做功 _J。解析:由公式 可知,当物体匀速运动时 ,其中 F 是作用在物体上的力(恒力) , 是力 方 向上的速度。设物体移动的距离为 s,绳子自由端移动的距离为 s,得s=3s=32m=6m,物体的运动时间 ,则拉力做功时间也是10s。由 得 W=Pt=12W10s=120J又由 W=Fs得 本题记算拉力 F
7、 时还可用下述方法:VF=3VA=30.2m/s=0.6m/s由 PF=FvF 得 用公式 P=Fv 来计算功率或相关物理量时,一定要注意 v 是力 F 移动的速度。 例4、高出水面36m 处有一水箱,容积为50m3,现要在1h 内用一水泵给水箱充满水,则这 台水泵的功率至少是多少 KW?(g=10N/kg) 解析:题目要求功率,根据 ,其中 W=Gh,G 为50m3的水重力,h 为水箱的高度为36m,t 为1h。水的重力 t=1h=3600s由 ,功率为 所以水泵的功率应不小于5KW。功率的计算一定要抓住公式 ,弄清楚是谁作功,作功的大小为多少,以及作这些功所 用的时间。另外要注意公式中各个
8、物理量的单位,都要用国际单位。 (三)机械效率 1、人们利用机械工作时,总共做的功叫总功(W 总) 。总功包含着有用功和额外功两部分。 有用功(W 有用)是人们利用机械工作时对人们有用的功,额外功(W 额外)是人们利用 机械工作时,对人们无用但又不得不做的功。 2、机械效率:把有用的功和总功的比值叫做机械效率,通常用百分率表示,它的计算公式 为 例5、如图所示,用一动滑轮将一桶水提高4cm,若 G 水=200N,G 桶=300N,G 动滑轮=20N,不计摩擦与绳重,求:(1)拉力 F 做的有用功;(2)拉力 F 做的额外功;(3)拉力 F 的大小;(4)此装置的机械效率。解析:运用此动滑轮装置
9、目的是为了提水,因此 F 对水所做的功 G 水 h 是有用功;在将水提 到一定高度的同时,也不得不将水桶和动滑轮提高相同的高度;F 对动滑轮和水桶所做的 功是不需要但又不得不做的功,属于额外功,为(G 桶G 动)h;有用功与额外功之和为 总功,也就是 F 所做的功,由此功的大小即可求出 F 的大小;已知 W 有用、W 总的大小, 很容易求出此装置的机械效率 。(1)拉力 F 对水所做的功为有用功W 有用=G 水 h=200N4m=800J(2)拉力 F 对水桶、动滑轮所做的功为额外功W 额外=(G 桶G 动)h=(20N30N)4m=200J(3)拉力 F 所做功,W 总=W 有用W 额外=1
10、000J由 (4)W 有用=800J W 总=1000J 例6、用图所示的滑轮组来提起重物。 (1)当被提重物为150N 时,滑轮组的机械效率为60%,求绳端拉力; (2)若被提重物为250N 时,当重物被提升2m 时,绳端拉力所做的功。解析:利用滑轮组提升重物时,绳端拉力做的功为总功,即 W 总=FS;滑轮组对重物做的功 为有用功,即 W 有用=Gh;在此滑轮组中,物重由3段绳子承担,则有 S=3h,所以机械效 率 ,由此求出力 F 的大小。当改提250N 的重物时,滑轮组的机械效率发生了变化,此时不能延用前面的 =60% 这一条件,但前、后两种状态不变的是动滑轮的重力。由 求出动滑轮的重力
11、,将这一求出 量代入第二种状态(改提250N 重物状态)中利用,从而求出拉力所做的功。在线测试 A 卷 一、选择题 1、在图所示的实例中,其中没有做功的是( )A叉车举起货物B直升机吊起架电线的铁塔C马拉动原木D李刚用力但没有推动大石块 2、奥运会举重冠军杨霞在比赛时,第一阶段把100多公斤的杠铃很快地举过头顶,第二阶 段使杠铃在空中稳稳地停留了3秒钟,三名裁判都亮出了白灯,这次举重成功。关于她举重时对杠铃做功的情况,下列说法中正确的是( )A她在第一阶段内没有做功B她在第二阶段内没有做功C她在两个阶段内一直都在做功D她在两个阶段内一直都没有做功 3、一位同学用100N 的力,将一个重为5N
12、的足球踢了20m 远,关于他踢球时做功的情况, 下列说法正确的是( )A他做功2000JB他做功100JC他没有对足球做功D他对足球做了功,但题目条件不充足,无法计算 4、下列关于功率的说法中,正确的是( )A物体做功越多,功率越大B物体做功时间越长,功率越大C物体做功越快,功率越大D物体做功时间越短,功率越大 5、下列判断中正确的是( )A不可能有既省力又省功的机械B不可能有省力但不省功的机械C可能有做功快但做功少的机械D可能有机械效率高但功率小的机械 6、甲机械的机械效率比乙机械高,这表明( )A甲的有用功比乙的有用功多B甲的总功比乙的总功少C做相同的总功,甲的有用功比乙多D完成相同的有用
13、功,甲的总功比乙多 7、用拖拉机耕地时,一般走得很慢,这样做的目的是( )A保证耕地质量B节省燃油C获得较大的牵引力D以上说法都不对 8、两个滑轮完全相同,其重均为20N,分别用图所示的两种方式,将重400N 的物体以相 同的速度匀速提升了10m,不计摩擦与绳重,则下列判断正确的是( )AF1做的功大于 F2做的功BF1和 F2做的功相等CF1做功的功率小于 F2做功的功率DF1和 F2做功的功率相等 9、如图所示,物体 A 在力 F 的作用下,以0.2m/s 的速度在水平桌面上做匀速直线运动, 弹簧秤的示数为3N,不计滑轮及绳子重以及它们之间的摩擦,则( )A物体 A 受到的摩擦力大小是3N
14、B5s 内拉力 F 做功3JC拉力 F 的功率是1.2WD重力对物体 A 不做力 10、起重机吊起质量为 m 的货物,在时间 t 内以速度 v 匀速竖直上升 h 高度,在这段时间 内( )A起重机钢绳对货物的拉力所做的功为 mghB起重机的功率为 mgtC起重机克服货物重力所做的功为 mgvD货物所受合力做的功为0 11、一人用200N 的拉力将440N 的物体沿斜面方向将它匀速拉上长5m、高2m 的斜面,可 以求出( )A斜面的机械效率为88%B斜面对物体摩擦力为24NC如果没有摩擦,用大小为176N 的力即可达到目的D如果加速拉物体,斜面机械效率会变大 12、利用如图所示的三种装置把重10
15、0N 的物体匀速升高,所用拉力分别为 30N、80N、40N,这时三种装置的机构效率 1、2、3之间的关系是( )A123 B132C1=23 D123提示:1、做功必须满足两个条件,即物体受到力的作用,且物体在力的方向上通过了一段距 离。D 中小朋友对巨石有推力作用,但巨石在推力方向上没有通过距离。2、第二阶段内,杠铃受到向上的举力作用,但杠铃保持静止,没有向上通过距离。3、同学踢球时,球受到力,也在力的方向上通过了一段距离,但由于作用时间很短, 不知道球在与脚相互作用时通过的距离,故功无法求出。4、功率 是描述做功快慢的物理量。注意不能仅由 W 或 t 的大小来比较功率,必须是 “在相同的
16、时间内”或是“完成相同的功”的情况下才能由 W 或 t 来判断功率大小。5、一切机械都不省功。注意功率 ,机械效率 ,P 与 没有必然联系。6、由机械效率的定义 ,当总功 W 总一定时,有用功 W 有越大的 越大。7、功率计算的特殊公式 P=Fv,当 P 一定时,v 减小可以增大牵引力 F。8、F2做功除了将物体提升了10m,同时还将动滑轮向上提升了10m,这一部分是额外功,故 F2的功大于 F1的功,而功率 ,W1W2,t1=t2,则 P1P2。9、PF=FVF,VF=2 VA=0.4m/s,则 PF=3N0.4m/s=1.2W,物体在重力方向上没有通 过距离,则 WG=0。由动滑轮省力特点知 f=2F=6N。10、货物匀速竖直上升,则 T 拉=G 货=mg。由功