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1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第13講 機(jī)械效率 機(jī)械能13.1 學(xué)習(xí)提要13.1.1 機(jī)械效率1. 有用功、額外功和總功為實現(xiàn)某種目的而對物體直接所做的功,稱為有用功。例如:用滑輪組將重為G的物體提升高度h,則有用功W有用=Gh。在通過機(jī)械對物體做功的過程中,常常還須克服機(jī)械的摩擦做功,這部分功有時是我們不需要但又不得不做的功,所以叫做額外功。額外功產(chǎn)生的主要有兩種原因:一是提升物體時,克服機(jī)械、容器重力等因素所做的功。例如:用滑輪組提升物體時,克服動滑輪重力所做的額外功W額外=Gh(這里G是動滑輪的重力)。二是克服機(jī)械的摩擦所做的功。例如:用滑輪組或斜面提升物體時,克服輪和軸之間及輪和輪之間的
2、摩擦、物體與斜面之間的摩擦所做的額外功W額外=fs。有用功和額外功的總和,稱為總功。W總=W有用+W額外2. 機(jī)械效率機(jī)械效率表示通過機(jī)械對物體做功的有效程度的物理量效率越高,所做總功中有用功的比例就越大。在物理學(xué)中,將有用功跟總功的比值,稱為機(jī)械效率。用公式表示為= W有用/ W總13.1.2 機(jī)械能1. 能把物體做功的本領(lǐng)叫做能。物體能做的功越多,就說它具有的能越多。2. 動能和勢能動能是物體由于運(yùn)動而具有的能。物體的質(zhì)量越大,運(yùn)動速度越大,其動能就越大。重力勢能是物體處于某一高度時所具有的勢能。物體質(zhì)量越大,所處的位置越高,重力勢能就越大。彈性勢能是物體由于發(fā)生彈性形變而具有的勢能。物體
3、的彈性形變越大,彈性勢能就越大。重力勢能和彈性勢能統(tǒng)稱為勢能。3. 機(jī)械能動能和勢能統(tǒng)稱為機(jī)械能。動能和勢能之間可以相互轉(zhuǎn)化,在轉(zhuǎn)化過程中若沒有能量的損失或其他能量的補(bǔ)充,機(jī)械能的總和保持不變,機(jī)械能是守恒的。機(jī)械能和其他形式的能之間也可以相互轉(zhuǎn)化。無論是動能和勢能之間的相互轉(zhuǎn)化,還是機(jī)械能和其他形式的能之間的相互轉(zhuǎn)化常常是通過做功的過程來實現(xiàn)的。在轉(zhuǎn)化過程中,所做的功越多,一種形式的能轉(zhuǎn)化為另一種形式的能就越多。能量的轉(zhuǎn)化多少可以用做功的多少來量度。在國際單位制中能的單位與功的單位相同,也是焦(J)13.2 難點(diǎn)解釋13.2.1 理解機(jī)械效率的意義1. 機(jī)械效率總小于1機(jī)械效率是反映機(jī)械性能
4、優(yōu)劣的主要標(biāo)志之一,它反映了機(jī)械對總功的利用率。理想機(jī)械:W總=W有用(或W輸入=W輸出,W動=W阻)實際機(jī)械:W總=W有用+W額外(或W輸入=W輸出+W額外,W動=W有用阻力+W無用阻力)在實際機(jī)械中,由于W有用<W總,所以機(jī)械效率總小于1.2. 機(jī)械效率和功率的區(qū)別機(jī)械效率和功率是從不同方面反映機(jī)械性能的物理量,它們之間沒有必然聯(lián)系。功率大表示機(jī)械做功快,機(jī)械效率高表示機(jī)械對總功的利用率高。功率大的機(jī)械不一定效率高。例如內(nèi)燃機(jī)功率可以達(dá)到6000馬力(1馬力=735瓦),但機(jī)械效率只有30%40%。反之,效率高的機(jī)械功率不一定大。例如安裝在兒童玩具汽車?yán)锏碾妱訖C(jī),機(jī)械效率可達(dá)80%以
5、上,但功率只有幾瓦。如果P輸入和P輸出分別表示機(jī)械的輸入功率和輸出功率,則機(jī)械效率也可以表示為=P輸出/P輸入。3. 組合機(jī)械的機(jī)械效率在組合機(jī)械中,輸入功(總功)和輸出功(有用功)往往是相對的,同樣的功對于某一部機(jī)器來說是輸出功,而對另一部機(jī)器來說卻是輸入功。例如,電動機(jī)帶動起重機(jī),電動機(jī)的輸出功就是起重機(jī)的輸入功。由兩種機(jī)械組合而成的組合機(jī)械中,其中1= W有用1/W總1,2= W有用2/W總2,而W總2=W有用1,因此,可得組合機(jī)械的機(jī)械效率=12。13.2.2 正確理解能的概念.一個物體能夠做功, 這個物體就具有能。由力學(xué)和運(yùn)動學(xué)的規(guī)律,可以導(dǎo)出運(yùn)動物體具有的動能Ek=1/2mv2,重
6、力勢能Ep=mgh,彈性勢能Ej=1/2kx2能是一個狀態(tài)量。它可以用一些狀態(tài)參量(如速度v,高度h,形變x等)表示出其量的多少。能量的多少是可以改變的。起重機(jī)的鋼索用力把重物提高使物體的重力勢能增大,在牽引力作用下車輛行駛得越來越快,其動能增大,用力拉彈簧使其伸長而彈性勢能增大在物體能量改變過程中, 通常伴隨著有力對物體或物體克服阻力做功,所以功是能量改變的量度。沒有外力對物體做功(或者只有重力、彈力對物體做功),在物體勢能與動能相互轉(zhuǎn)化的過程中,機(jī)械能總量將保持不變。如圖13-1所示,一個乒乓球從某一高度由靜止開始下落,經(jīng)光滑地面反彈再回到原高度(空氣阻力不計)。當(dāng)球在A處釋放時具有重力勢
7、能,下落到B處時球既有動能(有速度),又有重力勢能(有高度)。繼續(xù)落到C處(設(shè)C為零高度)球的重力勢能為零,動能最大。在此過程中球的重力勢能轉(zhuǎn)化成動能,而A處的重力勢能最大,C處的動能最大,B處的重力勢能與動能之和等于A處的重力勢能,也等于C處的動能。球在C處發(fā)生形變使動能轉(zhuǎn)化成彈性勢能,再轉(zhuǎn)化成動能,球被彈回A處。在此過程中,動能又轉(zhuǎn)化成重力勢能,機(jī)械能的總和扔保持不變(即機(jī)械能守恒)。若地面不光滑,空氣阻力作用不可忽略,乒乓球便不能彈回原高度,表明球在運(yùn)動過程中有機(jī)械能轉(zhuǎn)化成其他形式的能(如內(nèi)能),機(jī)械能的總量就會減少。機(jī)械能和其他形式的能之間可以相互轉(zhuǎn)化,例如水電站水輪機(jī)帶動發(fā)電機(jī)做功,
8、將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能,而電動機(jī)則將電能重新轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。汽車和火車的內(nèi)燃機(jī)通過燃?xì)馔苿託飧字械幕钊龉Γ瑢⑷剂系幕瘜W(xué)能轉(zhuǎn)化為汽車的動能?,F(xiàn)代生活和生產(chǎn)中隨處可見的各種動力機(jī)械,小到電動玩具、大到噴氣發(fā)動機(jī),都是將電能、化學(xué)能等其他形式的能轉(zhuǎn)化為動能的能量轉(zhuǎn)化器。13.3 例題解析13.3.1 理解有用功、額外功、總功和機(jī)械效率的含義例1 用動力臂是阻力臂2倍的杠桿,將重400N的貨物提高20cm,手像下壓杠桿的力是220N,人做的功是_J,其中的有用功是_J,杠桿的機(jī)械效率是_.【點(diǎn)撥】由杠桿動力臂是阻力臂2倍的條件,可得出作用在杠桿上動力通過的距離s?!窘馕觥吭O(shè)貨物提高的高度為h,由功的原理,
9、求得作用在杠桿上的動力通過的距離S=2h=2×0.2m=0.4m根據(jù)功的計算式,得手做的功W總=Fs=220N×0.4m=88J有用功 W有用=Gh=400N×0.2m=80J根據(jù)機(jī)械效率的定義,求出杠桿的機(jī)械效率=W有用/W總=80J/88J0.91=91%【答案】88J,80J,91%【反思】機(jī)械效率是有用功在總功中所占的比率,解題的關(guān)鍵是分析有用功和總功,就能正確解決問題。例2 某人用動滑輪牽引物體A在水平地面上做勻速直線運(yùn)動,如圖13-2所示。已知物體A受到摩擦力是36N,動滑輪的機(jī)械效率是75%,求繞過動滑輪的繩子對固定墻B 的拉力大小?!军c(diǎn)撥】利用動滑
10、輪牽引物體時,由于定滑輪的機(jī)械效率小于1,因此動力F和繞過動滑輪的繩子對固定墻B 的拉力是不相等的。而拉力F作用在繩子自由端移動的距離應(yīng)是物體A移動距離的2倍?!窘馕觥吭O(shè)作用在物體A上的拉力是F1,物體A受到的摩擦力為f,繞過定滑輪的繩子對墻的拉力為F2,人通過繩子向左拉滑輪的力為F。當(dāng)物體在水平面上作勻速直線運(yùn)動時,f=F1=36N。由于滑輪隨物體一起在水平面上作勻速直線運(yùn)動,去滑輪為研究對象,滑輪受到3個水平作用力,即水平向左的作用力F和F2,以及水平向右的作用力F1,它們的關(guān)系是F1=F2+F。根據(jù)機(jī)械效率的定義和繩子的自由端移動的距離s與物體A移動的距離s的倍數(shù)關(guān)系,可得=W有用/W總
11、=F1s1/Fs整理得 F= F1s1/s=36N×1/(0.75×2)=24NF2=F-F1=36N-24N=12N【答案】12N【反思】在解決實際機(jī)械使用的問題時,不能與理想機(jī)械混淆。本題的關(guān)鍵就在于作用力F大于繩子作用在固定墻B的力。例3 如圖13-3所示,重力為500N 的物體在沿斜面的拉力作用下,勻速的從斜面的下端移動到斜面的頂端。已知斜面的長是高的5倍,機(jī)械效率為80%,求斜面對物體的摩擦力?!军c(diǎn)撥】斜面上的物體受到重力、支持力、摩擦力和拉力等四個力的作用,由于物體所受到的重力有沿斜面向下的分力,所以物體在拉力作用下勻速向上運(yùn)動時受到的拉力F大于摩擦力f。所以拉
12、力做的功(即總功)是有用功和克服摩擦力所做的功之和?!窘獯稹坷ψ龅墓?W總=W有用 + W無用 = Gh + fL根據(jù)機(jī)械效率的定義=W有用/W總=Gh/(Gh+fL)整理后得, f=(1/-1)Gh/L=(1/0.8-1)×500N×1/5=25N【答案】25N【反思】由于物體在拉力F的作用下沿斜面向上運(yùn)動時受到摩擦力的作用,因此拉力F做的功是總功,它既要克服有用阻力(即物體的重力),又要克服摩擦力而做功,利用機(jī)械效率的定義,就可以解決此類問題。11.3.2 怎樣理解能的概念和機(jī)械能的轉(zhuǎn)化例4 下列說法中正確的是( )A 水從高處流向低處,勢能減少,動能增加B 低空飛行
13、的飛機(jī)只有動能C 用線懸掛著的物體沒有做功,所以沒有能量D 在光滑水平地面上勻速前進(jìn)的物體,由于沒有物體對它做功,所以沒有能量【點(diǎn)撥】物體能夠?qū)ζ渌矬w做功,則物理學(xué)中稱這個物體具有能量。而物體具有的動能是由物體的質(zhì)量和它的運(yùn)動速度大小決定的,物體的勢能是由它的質(zhì)量和它所處的位置高度或彈性體的彈性形變決定的?!窘馕觥緼中水由高處向低處流動時,高度在減小,說明它的重力勢能在減小,但流動的速度在增大,說明水的動能在增大,A正確。B低空飛行飛機(jī)離地面有一定高度,因此它具有重力勢能。B不對。C物體同樣有重力勢能,C不對。D中作勻速運(yùn)動的物體它具有動能,因此它具有做功的本領(lǐng),D不對。【答案】A【反思】根
14、據(jù)能的概念,可以判斷物體具有的能。但是物體具有的機(jī)械能并不等于一定具有動能,也不一定具有勢能??赡軇幽芎蛣菽芏季哂?, 也可能只具有其中一種,并且它們之間可以相互轉(zhuǎn)化。例5 籃球運(yùn)動員放手讓籃球自由下落,球從離開手后落地到又回到手中,球的機(jī)械能是怎樣轉(zhuǎn)化的?【點(diǎn)撥】物體的動能和勢能統(tǒng)稱為機(jī)械能。動能和勢能可以相互轉(zhuǎn)化?!窘馕觥壳螂x開手后向下運(yùn)動,高度變低,速度變大,落地后球發(fā)生彈性形變,籃球恢復(fù)形變后,球繼續(xù)上升,越升越高,速度越來越小。所以當(dāng)籃球下落時,重力勢能轉(zhuǎn)化為動能,落地后再轉(zhuǎn)化為彈性勢能。當(dāng)籃球恢復(fù)到彈性形變,彈性勢能轉(zhuǎn)化為動能,繼續(xù)上升,再轉(zhuǎn)化為重力勢能。【反思】動能和勢能可以相互轉(zhuǎn)
15、化, 在理想的條件下(如不考慮摩擦)機(jī)械能總量是不變的,所以籃球能回到手中。但考慮到物體克服摩擦力做功時,物體將有一部分機(jī)械能要轉(zhuǎn)化為其他形式的能,因此球落地后反彈上升時,它的機(jī)械能在減小, 回到手中的高度是減小的。A 卷1. 利用任何機(jī)械做功,額外功都是不可避免的,有用功在_中占的比例叫做機(jī)械效率,機(jī)械效率總小于_。2. 一臺起重機(jī)將重力為5000N的重物勻速地提高4m,動力做功25000J,這臺起重機(jī)做的總功為_J,有用功_J,額外功_J,起重機(jī)的機(jī)械效率為_。3. 說出下列物體各具有什么能?(1) 被投出的籃球:_;(2) 被壓縮的彈簧:_;(3) 在水平道路上行駛的汽車:_;(4) 提
16、升的貨物:_;(5) 地球同步衛(wèi)星:_。4. 利用滑輪組將重3600N的貨物提高4m,如果額外功是9600J,有用功是_J,總功是_J,機(jī)械效率是_。5. 用250N的力在一根撬棒的一端將另一端的物體撬起,已知撬棒的動力臂與阻力臂之比是5:2,機(jī)械效率是96%,則物體的重力為_N。6. 用100N的力沿斜面向上拉物體,已知物體重力為400N,斜面的機(jī)械效率為60%,則該斜面的高度和斜面的長度之比為( )A. 20 :3B. 3 :20C. 4 :1D. 1 :47. 關(guān)于機(jī)械效率,下列說法中正確的是( )A. 越省力的機(jī)械,的值越大B. 功率越小的機(jī)械,的值越小C. 額外功在總功中占的比值越小
17、,的值越大D. 因為<1,所以額外功總是小于有用功8. 如圖13-4所示,假若沒有阻力,滾擺在上升過程中( )A. 動能和勢能都逐漸減小B. 勢能和動能都逐漸增加C. 動能逐漸增加,勢能逐漸減小D. 動能逐漸轉(zhuǎn)化為勢能,滾擺的機(jī)械能總量保持不變9. 騎自行車下橋時,盡管人不再蹬車,但車速卻越來越大,這時( )A. 重力勢能不斷增大B. 重力勢能轉(zhuǎn)化為動能C. 機(jī)械能不斷增大D. 慣性不斷增大10. 如圖13-5所示,A、B、C是三個高度相同而傾角不同的光滑斜面,讓質(zhì)量相同的小球沿斜面從頂端運(yùn)動到底端,比較小球滾到底端時速度的大小為( )A. 在A斜面的速度最大B. 在C斜面的速度最大C.
18、 三個斜面的速度一樣大D. 無法判斷11. 甲球的質(zhì)量是乙球質(zhì)量的100倍,靜止放在水平地面上,而乙球沿水平地面滾動,則( )A. 甲球的重力勢能大于乙球的重力勢能B. 乙球的動能大于甲球的動能C. 甲球的機(jī)械能大于乙球的機(jī)械能D. 以上三種可能都存在12. 一只壘球以某一速度飛向木柵欄,被木柵欄彈回來,而一輛汽車以相同的速度撞向木柵欄,木柵欄就會被撞壞。這是因為汽車具有( )A. 較大的勢能B. 較大的彈性C. 較大的功率D. 較大的動能13. 用定滑輪、動滑輪、滑輪組分別提升同樣重物,在不計摩擦阻力和繩子重力的情況下,機(jī)械效率最高的是( )A. 動滑輪B. 滑輪組C. 定滑輪D. 都一樣1
19、4. 使用斜面,由兩人共同將木箱拉上汽車,為了提高斜面的機(jī)械效率,下面措施中可取的是( )A. 以較快的速度將木箱勻速拉上汽車B. 以較慢的速度將木箱勻速拉上汽車C. 改由一人將木箱勻速拉上汽車D. 斜面長度不變,改用更光滑的斜面將木箱勻速拉上汽車15. 利用長10m,高4m的斜面,用50N沿斜面向上的拉力將重為100N的物體拉上斜面頂端,則斜面的機(jī)械效率及斜面對物體的摩擦力大小分別為( )A. 80%,10NB. 80%,40NC. 50%,10ND. 50%,40N16. 機(jī)械效率為50%的起重機(jī),在1min40s內(nèi)把重48000N的貨物勻速提升10m,求起重機(jī)所做的有用功率和總功率各為多
20、少?17. 如圖13-6所示的裝置,機(jī)械效率為80%,物體A的質(zhì)量為80kg,現(xiàn)以1m/s的速度勻速向下拉動動滑輪,求:(1)拉力F的大??;(2)有用功率。 18. 測定由一個動滑輪和一個定滑輪組成的滑輪組的機(jī)械效率時,要求用三段繩子承擔(dān)重物的重力G,并在拉力的作用下上升h。請回答:(1)用文字或字母表示此實驗中必須測出的物理量;(2)此實驗中測出的機(jī)械效率的表達(dá)式;(3)此實驗中影響滑輪組機(jī)械效率的因素。19. 為保持城市清新空氣,進(jìn)入夏天后經(jīng)常有灑水車在馬路上灑水,如果一輛在水平地面上保持勻速直線運(yùn)動的灑水車,在灑水的過程中它的動能如何變化?20. 沿長4m,高1m的斜面將重物從底部勻速推
21、上斜面的頂端,所用的推力是300N,已知斜面的機(jī)械效率為75%,求:(1)物體的重力;(2)推動物體過程中克服阻力所做的功。B 卷1. 滑輪組的機(jī)械效率是80%,利用它將重為2000N的貨物勻速舉高10m,做的有用功是_J,總功是_J,其中有_J是額外功。2. 某人用重30N的吊桶將一桶水勻速上升拉到3m高處,已知拉力為98N,他,每拉一桶水所做的總功為_J,有用功為_J,他提水的效率為_。3. 重50N的物體,在沿斜面向上的拉力F=10N作用下,自底端勻速運(yùn)動到頂端的時間為20s,若斜面高為1.6m,機(jī)械效率為80%,則斜面長為_m,物體在斜面上的運(yùn)動速度是_m/s。4. 甲、乙兩人體重相同
22、,甲乘纜車從山腳下登上山頂,乙沿山路從山腳下登上同一座山的山頂,在山頂時,甲的重力勢能_乙的重力勢能(選填“大于”、“等于”或“小于”)。5. 用一只木桶從井中取水,第一次取半桶水,做功W1,效率為1,第二次取滿桶水,做功W2,效率為2,兩次相比較,W1_W2,1_2(選填“大于”、“等于”或“小于”)。6. 人造衛(wèi)星從遠(yuǎn)地點(diǎn)向近地點(diǎn)運(yùn)動的過程中,( )A. 勢能減少,動能增加,機(jī)械能不變B. 勢能增加,動能減少,機(jī)械能不變C. 勢能減少,動能不變,機(jī)械能減少D. 勢能增加,動能不變,機(jī)械能增加7. 如圖13-7所示,小球從離地h的高度沿著光滑的軌道滑下,使小球滑到光滑的離心軌道頂端A(A端的
23、高度小于h的高度)而不下落,此時( )A. 小球既有勢能,又有動能B. 小球只有勢能,沒有動能C. 小球只有動能,沒有勢能D. 以上說法都不正確8. 分別用定滑輪、動滑輪和三股繩子承擔(dān)重物的滑輪組提升同一物體,對繩子自由端所用的拉力分別是100N、80N和60N,不計摩擦,比較它們的機(jī)械效率,則( )A. 定滑輪的機(jī)械效率最高B. 動滑輪的機(jī)械效率最高C. 滑輪組的機(jī)械效率最高D. 條件不足,無法比較9. 如圖13-8所示,測定滑輪組的機(jī)械效率時,所用鉤碼的質(zhì)量是200g,幾位同學(xué)用彈簧測力計測出拉力F的讀數(shù)分別如下列各項,其中肯定錯誤的是( )A. 0.6NB. 0.7NC. 0.8ND.
24、0.9N10. 一鋼球和乙鋁球,體積相同,都為實心球。鋼球靜止在水平桌面上,鋁球在水平桌面上勻速運(yùn)動,則( )A. 兩球的勢能相等B. 兩球的動能相等C. 兩球的機(jī)械能一定不等D. 兩球的機(jī)械能可能相等11. 如圖13-9所示,斜面長為L,高為h,現(xiàn)用力F沿著斜面把重為G的物體從斜面底端勻速拉至頂端,已知物體與斜面間的摩擦力為f,則斜面機(jī)械效率的表達(dá)式為( )A. =Gh/(F+f)LB. =Gh/(F-f)LC. =Gh/fLD. =Gh/FL12. 滑輪組的機(jī)械效率為80%,便用它可以用100N的力勻速提起400N的重物,則此時負(fù)擔(dān)重物和動滑輪重力的繩子股數(shù)為( )A. 3股B. 4股C.
25、 5股D. 6股13. 甲、乙兩個相同的籃球在離地相同的高度處,分別以v1和v2的速度豎直向下拋出,且v1>v2,下列說法不正確的是( )A. 落地后反彈的高度相比較,甲球大于乙球B. 兩球的總機(jī)械能相比較,甲球大于乙球C. 兩球落地后反彈到最高處的動能相比較,甲球等于乙球D. 兩球落地后反彈到最高處的重力勢能相比較,甲球等于乙球14. 如圖13-10所示的情景是一種叫做蹦極的游戲。游戲者將一根有彈性的繩子一端系在身上,另一端固定在高處,從高處跳下,圖中a點(diǎn)是彈性繩自然下垂時繩下端的位置,c點(diǎn)是游戲者所達(dá)到的最低點(diǎn)。對于游戲者離開跳臺到最低點(diǎn)的過程中,下列說法正確的是( )A. 游戲者的
26、動能一直在增大B. 游戲者減少的重力勢能全部轉(zhuǎn)化為動能C. 游戲者通過a點(diǎn)后,繩子具有彈性勢能D. 游戲者通過c點(diǎn)時,他具有的機(jī)械能為零 15. 小明從家里去上學(xué),圖13-11是他上學(xué)過程中的路程-時間圖像,請你判斷小明動能最大的時段是( )A. 在t1t2時間內(nèi)B. 在t2t3時間內(nèi)C. 在Ot1時間內(nèi)D. 在三段時間內(nèi)16. 某人用10N的拉力,沿斜面將重為16N的物體在5s內(nèi)勻速地拉上長為4m、高為2m的斜面頂端。在這個過程中,求:(1)拉力克服重力和克服摩擦力所做的功分別為多少?(2)拉力做功的功率是多少?(3)該斜面的機(jī)械效率是多大?17. 如圖13-12所示,滑輪組拉物體A在水平面上做勻速直線運(yùn)動。已知A的質(zhì)量為500kg,拉力為612.5N,滑輪組的機(jī)械效率為80%,求:(1)物體A所受的摩擦力是多少?(2)若物體A的速度為0.1m/s,拉力的功率是多少? 18. 質(zhì)量為1t的汽車沿立交橋引橋勻速向上行駛,已知引橋是長150m、高30m的斜面,汽車牽引力的功率為16.8kW,斜面的機(jī)械
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