高中物理 第1章 功和功率 第4节 人与机械教师用书 鲁科版必修2

第4节人与机械学 习 目 标知 识 脉 络1.知道机械的额定功率和机械效率的物理意义，能熟练计算机械效率(重点)2理解功率和机械效率是从不同方面反映机械性能的两个物理量，它们之间无必然的联系(难点)3了解现代机械的发展水平及使用.功 率 和 机 械 效 率1机械效率(1)定义：有用功与总功的比值或克服有用阻力做功的有用功率与总功率的比值(2)定义式：.(3)特点：不考虑摩擦阻力和其他额外阻力的理想情况下，机械效率等于1，实际情况中机械效率总小于1.(4)物理意义：表示机械做功或利用该机械实现能量转化的有效程度的物理量2功率与机械效率功率和机械效率是从不同方面反映机械性能的两个物理量，它们之间没有必然联系功率大，表示机械做功快；机械效率高，表示机械对总能量的利用率高1在理想情况下，机械效率可以大于1.()2有用功增大时机械效率一定增大()3功率的大小和机械效率没有关系()如图141所示，一级方程式赛车装备了强大的发动机，其功率最高可达900马力，车速最高可达370公里/小时赛车的功率大，说明什么问题？功率大效率一定大吗？图141【提示】功率大说明机器做功快，这是车速快的动力源泉，但其效率不一定大，因为有用功占总功的比例不一定大如图142所示，工人用滑轮组将重物提升到高处图142探讨1：在实际问题中，为什么机械效率总小于1?【提示】应用机械做功，根据功的原理可知，动力做的总功等于克服有用阻力和无用阻力所做的功，实际问题中，无用阻力做的功不等于零，因此，有用功一定小于总功，机械效率小于1.探讨2：为什么说机械效率越高，机械对能量的利用率越高？【提示】机械效率高，说明有用功与总功的比值大，总功等于能量转化的总量，有用功等于转化成的有用能量，也就是所利用的能量，因此，机械效率越高，相等能量的转化过程中利用的能量越多功率机械效率定义物体所做的功跟完成这些功所用时间的比值有用功跟总功的比值或有用功率和总功率的比值公式P或PFv或，总小于1意义表示做功的快慢表示机械对总能量利用率的高低关系两者没有必然的联系，功率大的机械效率不一定高，机械效率高的功率不一定大1有甲、乙两台机械，功率P甲P乙，机械效率甲P乙，所以在相同时间内W甲W乙，故A错；机械所做的有用功W有Pt，由此可知有用功由、P、t三个因素决定，所以无法比较做相同的有用功所用的时间，故B错；无用功应包括克服摩擦阻力和额外阻力所做的功，所以效率低的机械摩擦阻力不一定大，故C错；根据定义式可知，D正确【答案】D2.如图143所示，工人用240 N的拉力拉绳使水中的小船匀速靠岸，用10 min将绳子拉下60 m，已知小船重1.8104 N，小船行进中受到的阻力是它所受重力的0.01倍，求：(1)工人拉绳时做功的功率；(2)此装置的机械效率图143【解析】(1)工人拉绳时做功的功率P1 W24 W.(2)小船靠岸时的有用功率P2 W18 W，此装置的机械效率75%.【答案】(1)24 W(2)75%“四步”巧解机械效率(1)确定有用功：有用功是达到使用机械的目的而所做的功，也就是不使用机械直接用手所做的功(2)确定额外功：克服摩擦等无用阻力所做的功是额外功(3)确定总功：确定所研究的机械及输入给机械的力所做的总功；W总W有用W额外；W总W输出W损失(4)求解机械效率：.机 械 的 使 用 1使用目的代替甚至超越人力工作，使人们的工作更轻松、更有效2发展趋势智能化水平越来越高，高智能机器人广泛进入生产、生活的各个领域3注意问题智能化机械若使用不当，会给人类造成危害1总功一定，增大额外功可以提高机械效率()2有用功一定，减少额外功可以提高机械效率()3额外功一定，减少总功可以提高机械效率()核桃是外壳坚硬的果实，要想补脑要多吃核桃，为什么吃核桃时用核桃夹破壳呢？【提示】由于核桃外壳坚硬，想破壳必须选用省力的工具，所以选用核桃夹生产、生活中，为了节省人力，常使用不同的机械来搬运物体，滑轮是一种最简单的机械形式，如图144所示，甲、乙、丙、丁四个装置是利用不同的滑轮组合提升重物到同一高度图144探讨1：四种不同的装置中，有用功是什么？【提示】有用功是克服物体的重力所做的功，四种情况的有用功相同探讨2：提升重物过程中的额外功是什么？哪种情况额外功最多？【提示】额外功是克服滑轮重力所做的功，丁图中额外功最多探讨3：机械效率的高低与有用功的多少有没有直接关系，有用功越多，机械效率越高吗？【提示】机械效率的高低与有用功的多少没有直接关系，物体做的有用功多，机械效率不一定高提高机械效率的方法1减少额外功(1)在保证机械能够安全正常工作的前提下，尽量减轻机械本身的重力，可减少额外功(2)通过减少克服摩擦力做功，如加润滑剂，用滚动摩擦代替滑动摩擦等，来减少额外功2增加有用功当额外功一定时，在机械能够承受并且能够保证安全正常工作的前提下，尽可能增加有用功例如起重机提起重物时，尽可能增加每次提起重物的重力，充分发挥机械的作用3甲、乙两个机械的机械效率分别为80%、60%，两者相比，则下列说法中正确的是()A使用甲机械省力B使用甲机械做功快C在相同时间内，使用甲机械完成的功多D乙机械的额外功在总功中占的比例大【解析】机械效率是有用功和总功的比值，表示有用功在总功中所占的份额，与是否省力、做功多少和做功快慢无关【答案】D4(2016三明高一检测)如图145所示，不计任何摩擦，分别用定滑轮、动滑轮、滑轮组把同一个物体匀速升到同一高度，其中机械效率最高的是() 【导学号：01360017】图145A定滑轮B动滑轮C滑轮组 D无法确定【解析】在把重物匀速提升到同一高度的过程中，克服重力所做的功等于有用功，三种情况下所做的有用功相同，均为W有用Gh.使用定滑轮时，拉力所做的总功为W1Gh，机械效率为11；使用动滑轮时，拉力所做的总功为W2(GG0)2hGhG0h，机械效率为21；使用滑轮组时，拉力所做的功为W3(GG0)3hGhG0h，机械效率为3乙，P甲P乙B甲乙，P甲P乙C甲P乙 D甲乙，P甲乙；又因为在相同的时间内提升相同的高度，即P有用相同，由P总，而甲乙，所以P甲80%.故选项A正确【答案】A8.如图147所示，利用轻滑轮将一质量为100 kg的物体沿倾角37的斜面以速度v0.5 m/s匀速拉至高为h1.5 m的高处，斜面与物体间的动摩擦因数0.2.(sin 370.6，cos 370.8，g取10 m/s2)试求：图147(1)此过程中拉力F的功率；(2)这一过程的机械效率【解析】(1)该物体受到重力mg、斜面支持力N、摩擦力f、拉力F.因为物体沿斜面匀速向上，所以垂直斜面方向Nmgcos 37沿斜面方向F2Ffmgsin 37fN由可得Fmg(cos 37sin 37)/210010(0.20.80.6)/2 N380 N匀速运动时，拉力F的功率PFvF2v38020.5 W380 W.(2)物体沿斜面移动s m2.5 m拉力F通过的距离L2s5 m总功W总FL3805 J1 900 J有用功W有用WGmgh100101.5 J1 500 J0.7979%.【答案】(1)380 W(2)79%能力提升9缆车的总质量为2 t，用额定功率为100 kW的电动机牵引，在倾角为53的轨道上由静止向上运动，设电动机在额定功率下工作，电动机的效率为85%，缆车所受摩擦力大小为其重力的0.05倍缆车可达到的最大速度为(sin 530.8，g取10 m/s2)() 【导学号：01360020】A5 m/s B6 m/sC85 m/s D100 m/s【解析】缆车在倾斜的轨道上运动当牵引力F等于阻力时，缆车达到最大速度，而缆车的阻力等于重力沿轨道向下的分力Gsin与摩擦力f的合力即Fmgsin 53ff0.05GP额85%Fvm联立得vm5 m/s故A选项正确【答案】A10.(多选)(2016沈阳高一检测)如图148所示，用滑轮组提升重物时，重800 N的物体在10 s内匀速上升了1 m已知拉绳子的力F为500 N，则提升重物的过程中()图148A绳子自由端被拉下3 mB做的有用功是800 JC拉力F的功率是80 WD滑轮组的机械效率是80%【解析】该滑轮组是由两段绳子承担物体的重力，即s2h21 m2 m有用功W有用Gh800 N1 m800 J，总功W总Fs5002 J1 000 J拉力的功率P100 W，滑轮组的机械效率100%80%.由此可知，选项B、D正确【答案】BD11如图149所示，某工人用滑轮组往3 m高的平台上运送沙土，已知沙土的质量为40 kg，箱子与动滑轮共重100 N，不计绳重和摩擦，工人匀速拉动绳索则此过程中工人做的有用功是多少？此滑轮组的机械效率多大？(g取10 m/s2) 【导学号：01360021】149【解析】工人做的有用功就是克服沙土重力所做的功：W有用mgh40103 J1 200 J.工人做的总功就是克服沙土、箱子和动滑轮总重力所做的功：W总(mgG)h(4010100)3 J1 500 J.机械效率为100%80%.【答案】1 200 J80%12如图1410所示，重为100 N的物体G在大小为12 N的拉力F作用下，在水平方向匀速移动了2 m，弹簧测力计示数为5 N试求滑轮的机械效率图1410【解析】依题图知，拉力F移动的距离为s2s12 m1 m.利用滑轮做的总功为W总Fs212 N1 m12 J.因重物做匀速运动，fF5 N，则有用功为W有用fs15 N2 m10 J.根据，得滑轮的机械效率为0.83383.3%.【答案】83.3%