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12功功率机械能机械效率
第一课时功 功率 机械能
考纲要求1.做功的两个必要因素;
2.功的单位;
3.运用功的公式解决有关问题;
4.功率的概念;
5.功率的单位及单位换算;
6.运用功率的公式解决有关问题;
7.动能、重力势能、弹性势能;
8.动能、势能的相互转化
考点1 功
1.功的定义
________作用在物体上,物体在这个力的方向上移动了________,力的作用显示出
成效,力学中就说这个力做了功。
2.功的两个必要因素
(1)作用在物体上的________;
(2)物体在力的方向上通过的________。
[点拨]常见不做功的三种情况:
①有力无距:
如搬而未起,推而未动;
②有距无力:
如物体在光滑的水平面上做匀速直线运动;
③力距垂直:
水平方向运动的物体,由于运动方向与重力方向垂直,故重力不做功。
3.功的计算
文字描述 ____与物体在力的方向上通过的_______的乘积
公式表达W=____
功的单位________,1J=1N·m
感受功的大小 把一个鸡蛋举高1m所做的功大约是0.5J
[注意]力与物体移动的距离在方向上必须一致,力与物体移动的距离必须对应于同一物体且同一段时间。
考点2功率
定义 ____________内所做的______
物理意义 表示做功________的物理量。
功率大,说明做功______,单位时间
内做的功多;功率小,说明做功______,单位时间内做的功少
功率公式 P=
单位 ________(符号:
____);1kW=____W,1W=1J/s
功率公式的拓展 ①功率的公式P=Wt是指平均功率,即在t时间内的平均功
率,而不是某一时刻的瞬时功率;
②当物体在力F作用下,以速度v匀速运动时,有:
W=Fs,
v=s/t,可得:
P=
=
=____
[点拨]功率表示做功快慢,不表示做功多少;做功多少由功率和时间共同决定。
考点3动能和势能
1.能的定义
物体能够________,表示这个物体具有能量,简称能。
[点拨]
(1)能量是表示物体做功本领大小的物理量,即能量可以用能够做功的多少来衡量;
(2)一个物体“能够做功”并不是一定“要做功”,也不是“正在做功”或“已经做
功”。
如:
山上静止的石头具有能量,但它没有做功,也不一定要做功。
2.动能和势能
动能定义物体由于________而具有的能
影响因素大小与物体的______和物体运动_______有关
势能重力势能定义物体由于________而具有的能
影响因素大小与物体的______和被举高的______有关
弹性势能定义物体由于发生________形变而具有的能
影响因素大小与物体的弹性形变程度有关
联系动能和势能在一定条件下可以相互转化
考点4 探究动能的大小与什么因素有关
探究课题动能的大小与什么因素有关
影响因素物体质量、运动速度
探究方法控制变量法、转换法
实验装置
实验过程 ①让体积相同的钢球和木球从同一高度滚下,目的是使两球到达水平面
时的________相同;是为了探究动能与物体________的关系;
②通过________________________来显示物体动能的大小
实验结论 ①甲、乙说明:
________相同的物体,质量越大,它的动能________;
②甲、丙说明:
________相同的物体,运动速度越大,它的动能________
[拓展]在质量和速度中,速度对物体动能的影响更大。
考点5机械能及其转化
1.机械能动能和势能统称为机械能。
单位是______,简称________,符号是______。
[点拨]重为1N的物体被提升1m所获得的能量就是1J。
[易错点]一个物体具有动能,可以说是具有机械能,但反过来一个物体
具有机械能,却不一定具有动能,因为它可能只具有势能。
2.机械能及其转化
机械能守恒定律:
如果只有______________的相互转化,机械能的总和______。
能量转化举例
滚摆 上升:
______能转化为________能;
下降:
__________能转化为______能
单摆 左→中间:
________能转化为________能;
中间→右:
______能转化为__________能
人造地球卫星 近地点→远地点:
______能转化为________能;远地点→
近地点:
__________能转化为______能
近地点时动能最大,远地点时__________最大
[点拨]
(1)物体动能和重力势能间的转化规律
(2)动能与弹性势能间的转化规律
①动能转化为弹性势能:
速度减小,形变增大;
②弹性势能转化为动能:
速度增大,形变减小。
(3)题目中如果有“在光滑斜面上滑动”,则表示没有能量损失——机械能守恒;如果有
“在斜面上匀速下滑”,则表示有能量损失——机械能不守恒。
知识纵横
能量是跟做功有密切联系的概念,能量反映了物体具有做功的本领,能量的大小可以用能够做功的多少来衡量,即功是能量转化的量度;所以机械能的单位跟功的单位相同,也是焦耳。
具有能量的物体要通过对外做功来体现,但也可以不做功。
考题探究
类型一功
命题角度:
(1)做功的两个必要因素;
(2)功的单位;
(3)运用功的公式解决有关问题。
例1 水平桌面上的文具盒在水平方向的拉力作用下,沿拉力的方向移动了一段距离。
则下列判断正确的是( )
A.文具盒所受重力做了功B.文具盒所受支持力做了功
C.文具盒所受拉力做了功D.没有力对文具盒做功
名师指点本题考查了同学们对功的概念的理解,题目典型,难度不大,是中考命题的热点。
类型二功率
命题角度:
(1)功率的概念;
(2)功率的单位及单位换算;
(3)运用功率的公式解决有关问题;
(4)设计情形考查功率的基本计算;
(5)与功、机械效率相结合,以计算题的形式进行命题
例2 建筑工地上常用如图所示的装置搬运建筑材料,使用的滑轮组由a、b、c、d、e五个滑轮组成,如果滑车和建材共重1500N,每个滑轮重50N,不计绳重及摩擦,以0.5m/s匀速提起滑车所用的拉力F的功率P=800W。
名师指点本题以滑轮为依托考查功率,要求同学们对知识的综合运用能力较强。
功率除了P=
这个定义式以外,在实际的应用中,还经常用到另一个公式:
P=Fv,使用此公式要注意F与v要对应同一研究对象。
例3 用滑轮组以不同的速度匀速提升重物A,作用在滑轮组绳子自由端的拉力均为F,如图所示,不计绳重和摩擦。
当拉力F的功率为P1时,重物A以速度v1匀速上升h所用的时间为t1;当拉力F的功率为P2时,重物A以速度v2匀速上升h所用的时间为t2;当拉力F的功率为P1+12P2时,重物A以速度v3匀速上升h所用的时间为( )
A.
B.
C.t1+
t2D.
t1+t2
[解析]在功和功率的问题上,经常用到功率的导出公式P=Fv。
根据题意分析知,绳子段数n=2,
∴P1=F×2v1,P2=F×2v2,
P3=F×2v3,又P3=P1+
P2,
可解得t3。
类型三机械能
命题角度:
(1)动能、势能的相互转化;
(2)机械能守恒定律的应用。
例4 下列过程中,物体的重力势能转化为动能的是( )
A.跳伞运动员在空中匀速下落的过程B.热气球上升的过程
C.汽车在水平路面上匀速行驶的过程D.铅球自由下落的过程
名师指点分析此类问题时要找准物体的起点和终点,物体的位置升高则重力势能增加,动能减小,相反,位置降低,重力势能减小,动能增加。
在动能和势能的转化过程中有能量的损失,主要是克服摩擦做功,一部分能量转化成内能。
[解析]本题考查了重力势能与动能之间的相互转化,在质量不变的情况下,重力势能转化为动能一定是高度降低速度增大,A“匀速”动能不变,故A错;B“上升”重力势能增加,故B错;C“匀速”动能不变,故C错。
第二课时 机械效率
考纲要求1.有用功、额外功、总功;2.机械效率;
3.运用机械效率的公式解决有关问题
考点1功的原理
使用机械时,人们所做的功都不会少于不用机械时所做的功;即:
使用任何机械都________。
这也是一个普遍的结论,对于任何机械都适用。
[说明]
(1)使用机械虽然不能省功,但人类仍然使用,是因为使用机械或者可以省
力,或者可以省距离,或者可以改变力的方向,给人类工作带来很多方便。
(2)使用机械要省力必须费________,要省距离必须费力,既省力又省距离的
机械是不存在的。
(3)一般做题遇到的多是理想机械(忽略摩擦和机械本身的重力),理想情况下
使用机械时,人们所做的功(Fs)等于不用机械而直接用手对重物所做的功(Gh)。
考点2 机械效率
有用功 概念为达目的而必须做的功(或机械对______做的功)
计算方法W有用=G物h
额外功 概念人们不需要而又不得不做的功(或机械克服_____和____做的功)
计算方法W额外=G动h(滑轮组不考虑摩擦)
总功 有用功和额外功的______ W总=___________
认识“机械效率”
定义 有用功和总功的________,用符号______表示
公式 ________
说明 ①机械效率是一个比值,通常用________表示,由于有用功总______
总功,故机械效率总________
②机械效率是标志机械做功性能好坏的物理量,但机械效率的高低并不
决定使用机械是省力还是费力
考点3机械效率的测量
名称测滑轮组的机械效率
原理η=
=
测量工具 ____________________
测量量 绳子移动距离s、物体上升高度h、拉力F、物体重力G
注意事项 必须使弹簧测力计______________提升重物,以保证测力计示数大
小不变
得出结论 ①滑轮组中动滑轮个数越多越省力,但机械效率_________________;
②同一机械,提升的重物越多,机械效率________
提高方法 ①减小动滑轮的重和摩擦;②增加__________
评估交流 重物提升高度不影响滑轮组的机械效率
名称测斜面的机械效率
原理η=
=
测量工具 ____________________
测量量 斜面长L、斜面高h、拉力F、物体重力G
注意事项 必须使弹簧测力计沿斜面____________拉动物体,以保证测力计示数大
小不变
得出结论升同一物体时,斜面的机械效率与粗糙程度和倾斜角度有关。
斜面越陡、
越光滑,机械效率________
提高方法 ①使接触面变______;②增大斜面的________
评估交流 倾斜程度一定的斜面,机械效率与物体沿斜面上升的高度无关
[点拨]
(1)利用滑轮组提升重物时,在不考虑绳重和摩擦的情况下,产生额外功的原因是动滑轮的自重,即W额外=G动h,滑轮组的机械效率最终可表示为η=
=
;
(2)利用定滑轮、动滑轮和滑轮组提升相同重物,上升相同高度时,η定>η动>η组;
(3)利用斜面提升重物,克服摩擦所做的功为额外功,即:
W额外=fL。
知识纵横简单机械的一些功和机械效率
考题探究
类型一机械效率相关实验
命题角度:
(1)有用功、额外功、总功的概念;
(2)机械效率的测量。
例1 实验台上有组装好的实验装置,如图所示,其中弹簧测力计的量程为0~5N。
另外还有质量均为100g的钩码六个(图中未画出)。
要求利用上述实验装置和钩码设计一个实验证明:
用动滑轮提升重物时,如果动滑轮的机械效率不变,则有用功跟总功成正比。
请写出主要实验步骤。
[答案]
(1)在动滑轮挂钩上挂2个钩码,用弹簧测力计竖直向上匀速拉绳子自由端。
2个钩码的总质量用m表示,绳子自由端所受拉力用F表示,绳子自由端移动的距离用s表示,钩码上升的高度用h表示。
将m的数值记录在表格中,用弹簧测力计测出F,用刻度尺分别测出s、h,并把测量数据记录在表格中;
(2)保持动滑轮所挂钩码个数不变,依次改变绳子自由端移动的距离s,仿照步骤
(1)再做5次实验,将各次的m数值记录在表格中,分别测量各次的F、s、h,并把各次的测量数据记录在表格中。
(3)利用W总=Fs计算出各次的总功,利用W有用=Gh=mgh计算出各次的有用功,并将各次的总功、有用功记录在表格中。
[解析]解决探究实验题的思路重点是:
一看探究目的找物理量,如本题中的“有用功”和“总功”,二看器材找测量工具,如本题中的“弹簧测力计”和图中的“刻度尺”,三将要测量的物理量和所给的实验器材建立起联系寻找测量方法,如本题中的“有用功”与“钩码质量”和“刻度尺测钩码上升的高度”建立联系,“总功”与“弹簧测力计测绳子自由端所受拉力”和“刻度尺测绳子自由端移动的距离”建立联系。
名师指点看到题中的实验装置图马上会想到测机械效率,而本题却是要以动滑轮的机械效率不变为条件,证明有用功跟总功成正比。
审题不认真,习惯按照思维定势处理问题,是部分同学的弱点。
要保持动滑轮的机械效率不变,实验过程中就必须保持动滑轮所挂钩码个数不变。
类型二机械效率综合计算
命题角度:
运用机械效率的公式解决有关问题。
例2 图是一种新型吊运设备的简化模型示意图,图中虚线框里是滑轮组(未画出),滑轮组绳子的自由端由电动机拉动。
工人师傅用该吊运设备先后搬运水平地面上的圆柱形物体A和物体B。
物体A的底面积为SA,密度为ρA,高度为hA;物体B的底面积为SB,密度为
ρB,高度为hB。
当物体A所受竖直向上拉力FT1为1500N时,物体A静止,地面对物体A的支持力为FN1;挂在滑轮组挂钩上的物体A匀速竖直上升4m的过程中,电动机对滑轮组绳子自由端的拉力为F1,拉力F1做的功为W。
当物体B所受竖直向上的拉力FT2为1000N时,物体B静止,地面对物体B的支持力为FN2;挂在滑轮组挂钩上的物体B以速度v匀速竖直上升的过程中,电动机对滑轮组绳子自由端的拉力F2为625N,拉力F2做功的功率P为500W,滑轮组的机械效率为80%。
已知:
FN1=2FN2,5SA=4SB,8ρA=7ρB,2hA=5hB,不计绳的质量,不计滑轮与轴的摩擦。
求:
(1)物体B匀速上升的速度v。
(2)拉力F1做的功W。
答案:
(1)0.2m/s
(2)1.6×104J
例3 某科技小组设计的提升重物的装置如图甲所示。
图中水平杆CD与竖直杆EH、DI组合成支架固定在水平地面上。
小亮站在地面上通过滑轮组提升重物,滑轮组由动滑轮Q和安装在水平杆CD上的两个定滑轮组成。
小亮以拉力F1匀速竖直提升物体A的过程中,物体A的速度为v1,滑轮组的机械效率为ηA。
小亮以拉力F2匀速竖直提升物体B的过程中,物体B的速度为v2,滑轮组的机械效率为ηB。
拉力F1、F2做的功随时间变化的图像分别如图乙中①、②所示。
已知:
v1=3v2,物体A的体积为VA,物体B的体积为VB,且3VA=2VB,物体A的密度为ρA,物体B的密度为ρB,且8ρA=7ρB。
(不计绳的质量,不计滑轮与轴的摩擦)
求:
机械效率ηB与ηA之差。
10% [解析]设物体A受的重力为GA,物体B受的重力为GB,动滑轮受的重力为G动。
匀速提升物体A时,以物体A和动滑轮的整体为研究对象,受力分析如图甲所示。
匀速提升物体B时,以物体B和动滑轮的整体为研究对象,受力分析如图乙所示。
由图甲、乙得:
2F1′=GA+G动,2F2′=GB+G动,
又因为F1′=F1,F2′=F2,
所以
=
①
由题中W-t图像可知:
P1=
=90W,P2=
=45W,
由
=
,v1=3v2,解得:
=
,②
由①、②解得:
=
,③
由G=ρgV,3VA=2VA,8ρA=7ρB,解得:
=
,④
由③、④解得:
G动=
GA,G动=
GB,
ηA=
=
=
=70%。
ηB=
=
=80%,
ηB-ηA=80%-70%=10%。
名师指点解答本题的关键是正确受力分析和选择研究对象,一般解答与压强、浮力有关的综合题要在选择好研究对象后对研究对象进行正确地受力分析,然后根据力或杠杆的平衡关系列出方程。
机械效率的计算是中考的必考点,综合考查了对功、机械效率计算公式的灵活运用,通常以杠杆或滑轮组以载体进行命题。
考题训练
一、填空题
1、现在地震时有发生,于是人们开始重视加固维修房屋,常常可以看到图示的场景。
假如该工人通过滑轮把50㎏的水泥缓缓提升4m到房顶,所用拉力约300N。
该机械的效率约为__________。
2.小华用20N的力把重为25N的物体沿着长为20cm、高为10cm的斜面,从斜面底端拉到顶端。
则斜面的机械效率为 。
3.右图是某商场的自动扶梯。
扶梯的部分几何尺寸如图所示,质量为50kg的小华站在该扶梯上从商场一楼到二楼.已知扶梯以1m/s的速皮匀速上行。
则扶梯对他做的功是________J,对他做功的功率是________W.如果站在扶梯上的人数增多,扶梯的效率将________(填“变大”、“变小”或“不变”).若小华为较快上楼,在扶梯以上述速度上行的同时,他又相对扶梯以1m/s的速度在扶梯上向上步行,则他从一楼到达二楼所需的时间为________s。
4.图5所示是工厂里用来吊运货物的行车滑轮组。
某次作业时,行车在钢丝绳的自由端用2000N的力,将重6000N的货物匀速竖直提升3m,接着又在水平方向移动6m。
则行车在水平移动货物的过程中,货物重力所做的功是 J;在竖直提升货物的过程中,货物重力所做的功是
J,行车滑轮组提升货物的机械效率为 。
5.小勇用右图所示滑轮组拉着物体匀速前进了0.2m,则绳子自由端移动的距为 m。
若物体与地面的摩擦力为9N,则他所做的功是 J。
如果小勇对绳的拉力F=4N,该滑轮组的机械效率为 %。
6.小聪用图所示的滑轮组将重4N的物体匀速提高2m,他做的有用功为____________J。
若滑轮组的绳重及摩擦不计,他用这个滑轮组匀速提升9N的物体时,机械效率比提升4N物体时提高了l0%,此时的拉力为_______________N(已知动滑轮的重力小于4N)。
7.工人用如图所示的滑轮组将一重400N的物体匀速提起,若滑轮组的机械效率为80%,忽略一切摩擦及绳的伸长,则拉力的大小是N,动滑轮重N;若使用该滑轮组提升600N的重物,其机械效率将(选填“变大”、“变小”或“不变”)。
二、选择题
8.在铁架台上固定一个由定滑轮和一个动滑轮组成的滑轮组,在绳子末端用竖直方向0.8N的拉力使2N重的物体匀速上升,下面说法正确的是
A.滑轮组的机械效率是83.3%B.滑轮组的机械效率是66.7%
C.绳端移动速度与物体上升速度相同D.绳端移动速度是物体上升速度的两倍
9.某建筑工地要将同一个箱子从地面搬上二楼,如果分别采用如图4所示的两种方式搬运,F1和F2做功的情况,以下判断正确的是( )
A、两种方式机械效率一定相等 B、两种方式功率一定相等
C、两种方式所做的总功一定相等 D、两种方式所做的有用功一定相等
10.下列流程图是用来说明单缸四冲程汽油机的一个工作循环及涉及到的主要能量转化情况.关于对图中①②③④的补充正确的是【】
A.①做功冲程②内能转化为机械能③压缩冲程④机械能转化为内能
B.①压缩冲程②内能转化为机械能③做功冲程④机械能转化为内能
C.①做功冲程②机械能转化为内能③压缩冲程④内能转化为机械能
D.①压缩冲程②机械能转化为内能③做功冲程④内能转化为机械能
11.如图所示,日常生活或生产实践中使用的机械,能抽象为斜面的是
题11图
A.汽车方向盘B.桔槔C.盘山公路D.铁葫芦
12.如图l所示的实验现象所揭示的物理原理或规律与对应的技术应用或现象不正确的是
三、计算题
13.如图所示为一款塔式起重机,工作电压为380伏。
当起重机吊起500千克重物以1米/秒速度匀速上升20米时,工作电流是18安;当起重臂水平旋转,带动重物在8秒内移动16米时,工作电流是5安。
(1)如果起重臂加长,那么平衡块质量应该________(填“增加”或“减小”)。
(2)请计算在整个过程中,起重机钢绳对重物所做的功和起重机将电能转化成机械能的效率(保留小数到0.1%)。
14.随着社会的发展,人们生活水平的提高,人们的住房条件也得到了很大的改善.小明家最近购置了一套新房,为了帮助爸爸将重600N的装修材料运送到6m高的楼上,小明利用物理课上学过的滑轮组,设计了如图20甲所示的材料搬运方案(其中每个滑轮重30N,绳子足够长,所能承受的最大拉力为250N,不计绳重及摩擦).
(1)计算说明绳子的拉力是否超过绳子的最大承受力?
(2)小明爸爸观察了该装置后,他想如果将该装置的滑轮位置颠倒(图20乙)是否会更省力一些,请你按照小明爸爸的想法,用笔画线在乙图绕上绳子并说明小明爸爸的想法是否正确.
(3)求两种方案的机械效率之比?
(4)综合分析评估两个方案,你认为哪个方案更好一些?
说明理由.
15.如图22所示装置
图20
,绳重及摩擦不计。
装卸工人将重为800N的货物提至高处,人对绳的拉力F1为500N,货物在1min内匀速上升了5m。
(1)请在图上画出绳子的绕法;
(2)求滑轮组的机械效率;
(3)如果重物是600N,要把重物提升5m,求拉力做的功。
16.2009年秋季以来,我国西南部分地区遭遇严重旱灾,不少地方不得不靠打深井取水。
如图11所示,小明同学正利用滑轮组和金属水桶从深井中提水,若水桶的材料密度为8g/cm3,水桶质量为4Kg,水桶容积为20L。
当盛满水的桶从水中慢慢提升(桶始终未出水面)时,小明对绳的拉力为F=25N。
不计绳子重量和摩擦,水的密度是1.0×103Kg/m3,g取10N/Kg.试求:
(1)动滑轮有多重?
(2)水桶露出水面前,滑轮组的机械效率有多大?
(3)水桶被提离井中水面后,以0.2m/s的速度匀速竖直上升,小明对绳子自由端拉力的功率多大?
17.用如图所示的滑轮组去拉物体A,已知A物质的密度是2×103kg/m3,底面积是0.3m3,重力为600N。
物体A在F=100N的拉力作用下,沿水平方向匀速前进了2m。
(g取10N/kg)求:
(1)物体A对水平地面的压强是多少?
(2)物体A的体积是多大?
(3)若该装置的机械效率为80%,物体A
在水平方向上受到的阻力是多少
18.如图所示,要把一个质量是450kg的贵重物品A沿水平地面移动
100m,为保护该物品,工人把它放在一个质量是50kg的木板B上,然后用了F=400N的水平拉力将木板B沿直线匀速拉动,直至终点。
(提示:
滑动摩擦力的大小与压力的大小成正比)
(1)在匀速拉动B的过程中,A、B之间的摩擦力是多少?
(2)计算拉力F做的总功是多少
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