(完整版)機(jī)械功原理

1、m f io-【知識點名稱】機(jī)械功的原理課程標(biāo)準(zhǔn)的要求*舉例說明功是能量變化的量度；理解功和功率。關(guān)心生活和生產(chǎn)中常見機(jī)械功率的大小及其意義。*通過實驗，探究恒力做功與物體動能變化的關(guān)系。理解動能和動能定理。用動能定理解釋生活和生產(chǎn)中的現(xiàn)象?！救S目標(biāo)】1.（魯科J）知道機(jī)械功的原理，懂得使用任何機(jī)械可以省力但不能省功。2 .（魯科J）能舉例說明功是能量轉(zhuǎn)化的量度。3. （魯科J）知道機(jī)械做功的本質(zhì)是能量轉(zhuǎn)化的過程。4 .（魯科J）初步學(xué)會用能量觀點分析問題和解決問題。具有尊重客觀規(guī)律、實事求是的精神。機(jī)械功的原理（魯科K）很早以前，人類就開始應(yīng)用簡單機(jī)械來做功廠：人們發(fā)現(xiàn)，有的機(jī)械使用起來可

2、以省力，有的機(jī)械使用起來可以省位移。 那么，有既省力、又省位移的機(jī)械嗎 ？下面，我們通過實驗進(jìn)行探究。比較D5與D6，發(fā)現(xiàn)使用機(jī)械不能省功，反而費功，由此引發(fā)學(xué)生思考為什么在有用功一樣的情況下，使用機(jī)械反而費功這一問題， 即要多克服機(jī)械的自身重力和摩擦所做的功，從而引發(fā)學(xué)生合理猜想：對于機(jī)械來說，一般情況下，動力功應(yīng)等于有用功加上額外功，即 機(jī)械功。在這一教學(xué)過程巾，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生通過數(shù)據(jù)的比較。揭示事物的本質(zhì)規(guī)律，這正是科學(xué)探究所強(qiáng)調(diào)的：培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分 析論證的能力。（魯科k）在實驗中我們看到，不使用任何機(jī)械時，動力所做的功即為動力克服物體所受重力做的功；使用機(jī)械時，一方面動力對機(jī)械做

3、功，另一方面機(jī)械又克服阻力對外做功。其中，動力對機(jī)械所做的功W動（又稱輸入功）就是總功W總；機(jī)械克服阻力所做的功W阻，既包括克服有用阻力所做的有用功W有用（又稱輸出功，如克服被提物體所受的重力做的功），也包括克服額外阻力所做的額外功W額外（又稱損失功，如克服機(jī)械自身所受重力和各種摩擦阻力做的功）。經(jīng)過長期實踐和大量研究，人們發(fā)現(xiàn)，對任何機(jī)械而言，總有W動=W/a =W有用+W貿(mào)外也可以寫成W輸入 =W輸出+W損失這一結(jié)論可以表述為：使用任何機(jī)械時，動力對機(jī)械所做的功總是等于機(jī)械克服阻力所做的功。這就是機(jī)械功的原理，簡稱為功的原理（principle of work） 。功的原理是機(jī)械的基本原理

4、，是機(jī)械做功所遵循的基本規(guī)律。它告訴我們，使用任何機(jī)械都不能省 功。做一定量的功，要省力就要增大做功時的位移，而要減小做功時的位移就要多用力。事實上，使用 任何機(jī)械都必然存在無用阻力，也就是說在實際情況下使用任何機(jī)械總是費功的。斜面是一種典型的簡單機(jī)械。當(dāng)我們利用斜面把重物推到高處時（圖1 10），如果不計摩擦力，且已知斜面長為l，高為h，傾角為9,重物所受的重力為 G根據(jù)機(jī)械功的原理，推力F所做的功 WF就應(yīng)當(dāng)?shù)扔诓挥眯泵娑扇酥苯訉⒃撝匚锾岬酵桓叨葧r克服重力所做的功W,即W=Fl=Gh所以F=G h =Gsin 9 l可見，利用斜面來搬運重物，所用的力可以小于重物所受的重力，也就是說利用

5、斜面可以省力。生活中關(guān)于斜面的應(yīng)用實例很多，如開瓶器（圖1 11）、盤山公路（圖1 12）等都是對斜面的巧妙利用。（魯科J）教材從機(jī)械功的原理分析了用斜面搬運省力的道理，建議引導(dǎo)有能力的學(xué)生從動力學(xué)角度分析，相互驗證，有助于學(xué)生從不同的 角度看待問題，對問題有更全面的理解。做功和能的轉(zhuǎn)化（魯科K）功和能是物理學(xué)中最基本、最重要的兩個物理量，它們之間有著密 切的聯(lián)系。（魯科K）如果一個物體能夠?qū)e的物體做功，我們就說這個物體具有能量。(e Iffll-11開瓶羞罩店面的一蹲螢環(huán)1-iz立山瓷at便九去上城古力人能夠搬動重物做功，說明人具有能量；風(fēng)能夠推動帆船做功（圖1-13），說明風(fēng)具有能量；被

6、壓縮的彈簧放開時能夠?qū)ξ矬w做功，說明被壓縮的彈簧具有能量。實際上，功和能量總是相互伴隨的。例如，人在走路時重心有時上升、有時下降，即使是在平坦的大路上步行，其重力也要做功，而要做功就必然需要能量。根據(jù)實驗，一個人在平地上步行15km需要的能量相當(dāng)于把其提升到1km高處時消耗的能量。另外，步行時肌肉的收縮、關(guān)節(jié)內(nèi)的摩擦等也要消耗能量。做的功越多，需要的能量就越多；而能量越大，就可以做越多的功。研究表明，做功時消耗的能量并沒有消失，而是發(fā)生了轉(zhuǎn)化。例如，人做功把杠鈴舉到高處，所消耗的人體內(nèi)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為杠鈴的勢能。把杠鈴舉得越高，人做的功就越多。放手后，重力對杠鈴做功，杠鈴的勢能轉(zhuǎn)化為杠鈴的動能（

7、圖1 14）。汽車行駛時牽引力對汽車做功，發(fā)動機(jī)中燃料的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為汽車的機(jī)械能。因此，做功的過程就是能量的轉(zhuǎn)化過程。做了多少功，就表示有多少能從一種形式轉(zhuǎn) 化為另一種形式。所以我們說，功是能量變化的量度。我們可以用做功的多少來量度在做功過程中有多少能量發(fā)生了轉(zhuǎn)化。反過來，我們也可以用一個過程中能量轉(zhuǎn)化的多少，來量度在這 個過程中做了多少功。特別是在變力做功的情況下，不能直接用公式W=Fscosa來計算功的大小，但可以通過能量轉(zhuǎn)化的多少來得知做功的多少。一個人可以抬起一只汽車輪胎做功，而要抬起一輛汽車，就必須利用機(jī)械來做功，機(jī)械做功的能量來自何處呢？機(jī)械本身并不能憑空產(chǎn)生能量，機(jī)械能夠做功是因為

8、人們給機(jī)械輸入了能量，從本質(zhì)上講，做功的機(jī)械是傳遞能量、實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化。的裝置。機(jī)械做功，只能 將能量從一個物體傳遞或轉(zhuǎn)移到另一個物體，或者將一種形式的能量轉(zhuǎn)化為另一種形式的能量。（魯科J）談到功能關(guān)系，必然要涉及各種形式的能量及功的概念，功和能的概念對學(xué)生來講比較抽 象，所以學(xué)生要進(jìn)一步理解功和能量轉(zhuǎn)化之間的關(guān)系就更為困難。要突破難點，應(yīng)抓住：能的概念、能的 轉(zhuǎn)化、能量轉(zhuǎn)化與做功存在的必然聯(lián)系。關(guān)于做功與能量的關(guān)系定位于定性分析。在教學(xué)過程中要充分利 用生活中具體例子加以啟發(fā)引導(dǎo)。建議圍繞下述三點加以展開：（1）各種形式能的概念建立：能量概念最難定義，有多種講法，從功的角度來認(rèn)識能量概念相對

9、容易些，所以課本對能的概念敘述為“如果一個物體能夠?qū)e的物體做功，我們就說這個物體具有能量”如運動的物體具有能量一一動能，被舉高的物體具有能量一一重力勢能，被壓縮的彈簧具有能量一一彈性勢能，人具有能量一一儲存于體內(nèi)的化學(xué)能，等等。（2）能的轉(zhuǎn)化與做功關(guān)系的建立：任何做功過程，都可以用如下的流程圖表示。通過流程圖的分析，使學(xué)生認(rèn)識到：做功過程必然存在一種形式能量的增加，同時有另一種形式能量的減少，這種增與減容易使學(xué)生聯(lián)想到其中存在的轉(zhuǎn) 化現(xiàn)象，進(jìn)而得岀做功過程必然伴隨能量轉(zhuǎn)化的認(rèn)識；接著做定性分析：做功越多，物體能量的轉(zhuǎn)化也越多，由此引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識做功多少 與能量轉(zhuǎn)化的多少存在數(shù)量上的必然聯(lián)系。這

10、就為學(xué)生認(rèn)識功足能量轉(zhuǎn)化的量度架起了橋梁。0血型i,K 1Jfe.JUH*種4iMF fI，-（3）根據(jù)機(jī)械功的原理，任何機(jī)械都不能省功，而功又是能量轉(zhuǎn)化的量度，故任何機(jī)械都只能將一種形式能量轉(zhuǎn)化為另一種形式 能量，它決不可能產(chǎn)生或消滅能量。這一關(guān)系的建立比較抽象，建議結(jié)合具體例子加以說明，本節(jié)的知識為下一章能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的 建立打下了基礎(chǔ)。（人教J）功能關(guān)系的討論功的概念起源于早期工業(yè)革命的需要當(dāng)時的工程師們需要一個比較蒸汽機(jī)效益的辦法.在實踐中大家逐漸同意用機(jī)器舉起的物體的重量與高度之積來量度機(jī)器的輸出，并稱之為功.19世紀(jì)初，法國科學(xué)家科里奧利明確地把作用力和受力點沿力的方向的位移的

11、乘積叫做“運動的功” 當(dāng)功和能量這兩個概念在具體的物理過程中“匯合”之時，人們才進(jìn)了一大步，認(rèn)識到“功的重要意義在于它可以決定能 量的變化，因而為研究能量轉(zhuǎn)化過程奠定了定量分析的基礎(chǔ)”這是今天的物理學(xué)總把“功”和“能”捆綁在一起的原因.功和能量在哪些物理過程中“匯合”了呢？重力做功和重力勢能的變化過程就是一個典型事例本書就是從這里開始，討論功和能的關(guān)系的這既是一種教學(xué)思路，也是一種科學(xué)思維之路，因而對培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力和研究方法是有益的.在重力做功與重力勢能關(guān)系的討論中，認(rèn)真分析了WG與路徑無關(guān)的問題這是希望有助于學(xué)生形成嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度我們不是鼓勵學(xué)生質(zhì)疑嗎？如果物體從A至B,不同路徑

12、下 Wg不同，Ep還有意義嗎？物理教學(xué)應(yīng)培養(yǎng)“追根問底”的思維習(xí)慣，“自圓其說”應(yīng)是 最起碼的要求.【生活應(yīng)用】【課本習(xí)題】1.（魯科K）阿基米德有句名言：“給我一個支點，我可以撬動地球?！奔僭O(shè)阿基米德的質(zhì)量為60kg，地球的質(zhì)量約為6 x 102kg（把地球視為質(zhì)點），如果阿基米德所使用的杠桿短臂長為-m那么，他需要的杠桿總長是多少 ？若想將地球舉高 1mm阿基米德需要將杠桿的3另一端壓下多少米？S形路線增大了上坡的距離,解答：騎車上陡坡走 S形路線同盤山公路一樣，都是對斜面的巧妙運用。一定的，走由功的原理可知，走 S形路線能省力。本題考查學(xué)生對“功的原理”的認(rèn)識2.（魯科K）小車與貨物的質(zhì)

13、量為50kg，沿搭板將其勻速推上汽車，若車廂離地面的高度為1. 0m搭板的長度為4. 0 m,求在這個過程中人做了多少功，人的推力有多大解答：直接搬貨時，人做的功?如果直接把小車與貨物搬上去呢?（不計摩擦阻力）w=Gh=50 X9. 8 X1 . O J=490 J 。根據(jù)功的原理：任何機(jī)械都不能省功，所以用斜面時人做的功約為490 J。此時 W=F I所以 F=W /c=（490 /4 . O）N=122 . 5 NenT3.（魯科K）通過一個定滑輪和一個動滑輪勻速提升重物，已知重物質(zhì)量為60k8，滑輪自身重力和摩擦阻力不計。求：（1）人的拉力。（2）把重物提高1 . 0m人所做的功。解答：

14、推力做正功；小車機(jī)械能增加；在本題中摩擦力做負(fù)功，小車機(jī)械能減小。本題巾岀現(xiàn)的是摩擦力做負(fù)功的情況，可讓學(xué)生近一步思考：摩擦力總是做負(fù)功嗎？有無可能摩擦力做正功或不做功？分別對應(yīng)于什么情況？4. （魯科k）請舉岀3個生活中物體能量轉(zhuǎn)化的實例，并分析在這些實例中都有什么力做了功，同時有哪些能量發(fā)生了轉(zhuǎn)化，如何 轉(zhuǎn)化。解答：（1）用煤氣灶燒開水時，煤氣的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為水的內(nèi)能；蒸汽推動壺蓋做功，水的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為壺蓋的動能。（2）“爆竹聲聲辭舊歲”，當(dāng)爆竹爆炸時，火藥的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能、聲能、光能和爆竹碎屑的動能；“二踢腳”爆炸時，火藥的一部分化學(xué)能還要先轉(zhuǎn)化為它的重力勢能。（3）炎炎夏日，電風(fēng)扇、空調(diào)

15、等給我們帶來涼爽生活。電風(fēng)扇工作時電能轉(zhuǎn)化為葉片的動能，在這一過程中，還有一部分電能轉(zhuǎn)化 為內(nèi)能；然后葉片做功，使空氣流動，即產(chǎn)生了風(fēng)，葉片的動能轉(zhuǎn)化為空氣的動能。5. （魯科k）在不計空氣阻力的情況下，重為 10 N的物體在下落2 m的過程中重力對物體做了多少功 ？在此過程中，有哪些能量發(fā) 生了轉(zhuǎn)化？轉(zhuǎn)化了多少？解答：重力做功 wG=Gh=10 N X2 m=20 J。在此過程中，物體的重力勢能轉(zhuǎn)化為動能，轉(zhuǎn)化的能量等于重力做功的多少，即為 20 J。6. （魯科k） 一顆子彈射入墻內(nèi)深 10 cm處，并留在其中。在此過程中子彈所受的摩擦力大小為104N。子彈克服摩擦力做了多少 功？同時有哪

16、些能量發(fā)生了轉(zhuǎn)化 ？轉(zhuǎn)化了多少？解答：子彈克服摩擦力做的功 w=fs=104N X0 . 1 m=103J。在此過程中摩擦力做負(fù)功，子彈的動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。轉(zhuǎn)化能量的多少等于克服摩擦做功的多少，為103 J?！净A(chǔ)例題】【其他習(xí)題】【基礎(chǔ)探究活動】【其它探究活動】（魯科K）迷你實驗室使用機(jī)械能省功嗎？（1）用測力計將一件已知質(zhì)量的重物豎直勻速提高1 m 圖1 9（a），記下人所做的功有多大。(2)通過一對滑輪組將同一重物豎直勻速提高1m圖1- 9(b)，記下人所用的力和繩子自由端的位移，算出這種情況下人所做的功。比較兩次提起重物的過程，看看人所用的拉力，也就是動力是否一樣，動力所做的功是否一樣，物體受到的重力