2018初中物理競賽教程(基礎篇)：第13講機械效率機械能(附強化訓練題及答案).docx

1、13.1.1機械效率有用功、額外功和總功G的物為實現某種目的而對物體直接所做的功，稱為有用功。例如：用滑輪組將重為體提升高度h，則有用功W有用=Gh。在通過機械對物體做功的過程中，常常還須克服機械的摩擦做功，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。額外功產生的主要有兩種原因：一是提升物體時，克服機械、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

2、總功。W總=W有用+W額外2.機械效率機械效率表示通過機械對物體做功的有效程度的物理量效率越高比例就越大。在物理學中，將有用功跟總功的比值，稱為機械效率。用公式表示為n=W有用/w總13.1.2機械能1.厶匕能把物體做功的本領叫做能。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動而具有的能。物體的質量越大，運動速度越大，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。物體質量越大，所處的位置越高，重力物體的彈性形變越大，彈性勢能就越勢能就越大。彈性勢能是物體由于發(fā)生彈性形變而具有的勢能大。重力勢能和彈性勢能統(tǒng)稱為勢能。3.機械能動能和勢能統(tǒng)稱為機械能。動能和勢能

3、之間可以相互轉化，在轉化過程中若沒有能量的損失或其他能量的補充，機械能的總和保持不變，機械能是守恒的。機械能和其他形式的能之間也可以相互轉化。無論是動能和勢能之間的相互轉化，還是機械能和其他形式的能之間的相互轉化常常是通過做功的過程來實現的。在轉化過程中,所做的功越多，一種形式的能轉化為另一種形式的能就越多。能量的轉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難點解釋13.2.1理解機械效率的意義機械效率n總小于1機械效率是反映機械性能優(yōu)劣的主要標志之一，它反映了機械對總功的利用率。理想機械：WS=W有用（或W輸入=W輸出，W動=W阻）實際機械：WS

4、=W有用+W額外（或W輸入=W輸出+W額外，W護有用阻力+W無用阻力）在實際機械中，由于W有用W總，所以機械效率n總小于1.機械效率和功率的區(qū)別機械效率和功率是從不同方面反映機械性能的物理量，它們之間沒有必然聯系。功率大表示機械做功快，機械效率高表示機械對總功的利用率高。功率大的機械不一定效率高。例如內燃機功率可以達到6000馬力（1馬力=735瓦），但機械效率只有30%40%。反之，效率高的機械功率不一定大。例如安裝在兒童玩具汽車里的電動機，機械效率可達80%以上，但功率只有幾瓦。如果P輸入和P輸出分別表示機械的輸入功率和輸出功率，則機械效率也可以表示為n=P輸/P。出輸入組合機械的機械效率

5、在合機械中，入功（功）和出功（有用功）往往是相的，同的功于某一n=W有用1/W總,n=n。1?刁2部機器來是出功，而另一部機器來卻是入功。例如，機起重機，機的出功就是起重機的入功。由兩種機械合而成的合機械中，其中君總，而W總有用，因此，可得合機械的機械效率有用總總有用n2=W2/W22=W113.2.2正確理解能的概念一個物體能做功，個物體就具有能。由力學和運學的律，可以出運物體具有的能Ek=l/2mv2，重力能Ep=mgh，性能Ej=l/2kx2能是一個狀量。它可以用一些狀參量（如速度v,高度h，形x等）表示出其量的多少。能量的多少是可以改的。起重機的索用力把重物提高使物體的重力能增大，在引

6、力作用下行得越來越快，其能增大，用力拉簧使其伸而性能增大在物體能量改程中，通常伴隨著有力物體或物體克服阻力做功，所以功是能量改的量度。，在物體13-1所示，B球既s13-1沒有外力物體做功（或者只有重力、力物體做功）能與能相互化的程中，機械能量將保持不。如一個球從某一高度由靜止開始下落，光滑地面反再回到原高度（空氣阻力不）。當球在A放具有重力能，下落到有能（有速度），又有重力能（有高度）。落到C（C零高度）球的重力能零，能最大。在此程中球的重力能化成能，而A的重力能最大，C的能最大，B的重力能與能之和等于A的重力能，也等于C的能。球在C生形使能化成性能，再化成能，球被回A。在此程中，能又化成重

7、力能，機械能的和扔保持不（即機械能守恒）。若地面不光滑，空氣阻力作用不可忽略，球便不能回原高度，表明球在運程中有機械能化成其他形式的能（如內能），機械能的量就會減少。機械能和其他形式的能之可以相互化，例如水站水機機做功，將機械能化能，而機將能重新化機械能。汽和火的內燃機通燃氣推氣缸中的活塞做功，將燃料的化學能化汽的能。代生活和生中隨可的各種力機械，小到玩具、大到氣機，都是將能、化學能等其他形式的能化能的能量化器。13.3例題解析13.3.1理解有用功、額外功、總功和機械效率的含義例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

8、功是J，杠桿的機械效率是.【點撥】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。【解析】設貨物提高的高度為h，由功的原理，求得作用在杠桿上的動力通過的距離S=2h=2X0.2m=0.4m根據功的計算式，得手做的功W總=Fs=220NX0.4m=88J有用功W有用=Gh=400NX0.2m=80J根據機械效率的定義，求出杠桿的機械效率n=W有用w總=80J/88J心0.91=91%【答案】88J，80J，91%【反思】機械效率是有用功在總功中所占的比率，解題的關鍵是分析有用功和總功，就圖Z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動,如圖13-2所示

9、。已知物體A受到摩擦力是36N，動滑輪的機械效率是75%，求繞過動滑輪的繩子對固定墻B的拉力大小。【點撥】利用動滑輪牽引物體時，由于定滑輪的機械效率小于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是物體A移動距離的2倍?！窘馕觥吭O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。當物體在水平面上作勻速直線運動時，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，它們的關系

10、是F=F2+F。s與物體A移動的距離s的倍數關系，根據機械效率的定義和繩子的自由端移動的距離可得整理得n=W有用/W總=FiSi/FsF=FS/ns=36NXl/(0.75X2)=24NF2=F-F1=36N-24N=12N【答案】12N【反思】在解決實際機械使用的問題時,不能與理想機械混淆。本題的關鍵就在于作用力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，機械效率為80%，求斜面對物體的摩擦力。【點撥】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

11、斜面向下的分力，所以物體在拉力作用下勻速向上運動時受到的拉力F大于摩擦力f所以拉力做的功(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總=W有用+W無用=Gh+fL根據機械效率的定義n=W若中/W呂=Gh/(Gh+fL)TOC o 1-5 h z有用總整理后得，f=(1/n-1)Gh/L=(1/0.8-1)X500NX1/5=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械能的轉化例4

12、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低空飛行的飛機只有動能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的物體，由于沒有物體對它做功，所以沒有能量【點撥】物體能夠對其他物體做功，則物理學中稱這個物體具有能量。而物體具有的動能是由物體的質量和它的運動速度大小決定的，物體的勢能是由它的質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中作勻速運動的

13、物體它具有動能，因此它具有做功的本領，D不對。【答案】A【反思】根據能的概念，可以判斷物體具有的能。但是物體具有的機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校部赡苤痪哂衅渲幸环N，并且它們之間可以相互轉化。例5籃球運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，球的機械能是怎樣轉化的？【點撥】物體的動能和勢能統(tǒng)稱為機械能。動能和勢能可以相互轉化?！窘馕觥壳螂x開手后向下運動，高度變低，速度變大，落地后球發(fā)生彈性形變，籃球恢復形變后，球繼續(xù)上升，越升越高，速度越來越小。所以當籃球下落時，重力勢能轉化為動能，落地后再轉化為彈性勢能。當籃球恢復到彈性形變，彈性勢能轉化為

14、動能，繼續(xù)上升，再轉化為重力勢能?！痉此肌縿幽芎蛣菽芸梢韵嗷マD化，在理想的條件下（如不考慮摩擦）機械能總量是不變的，所以籃球能回到手中。但考慮到物體克服摩擦力做功時，物體將有一部分機械能要轉化為其他形式的能，因此球落地后反彈上升時，它的機械能在減小，回到手中的高度是減小的。莎3/亜同啡A卷利用任何機械做功，額外功都是不可避免的，有用功在中占的比例叫做機械效率，機械效率總小于。一臺起重機將重力為5000N的重物勻速地提高4m，動力做功25000J，這臺起重機做的總功為J，有用功J，額外功J，起重機的機械效率TOC o 1-5 h z為。說出下列物體各具有什么能？(1)被投出的籃球：(2)被壓縮的

15、彈簧：(3)在水平道路上行駛的汽車：(4)提升的貨物：(5)地球同步衛(wèi)星：TOC o 1-5 h z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，機械效率是。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，機械效率是96%，則物體的重力為N。用100N的力沿斜面向上拉物體，已知物體重力為400N，斜面的機械效率為60%，則該斜面的高度和斜面的長度之比為（）A.20:3B.3:20C.4:1D.1:4TOC o 1-5 h zn關于機械效率，下列說法中正確的是（）越省力的機械，n的值越大b.功率越小的機械，n的值越小C

16、.額外功在總功中占的比值越小，n的值越大d.因為nv2，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點是彈性繩自然下垂時繩下端的位置，c點是游戲者所達到的最低點。對于游戲者離開跳臺到最低點的過程中，下列說法正確的是（A.游戲者的動能一直在增大B.游戲者減少的重力勢能全部轉化為動能C.游戲者通過a點后，繩子具有

17、彈性勢能D.游戲者通過c點時，他具有的機械能為零15.小明從家里去上學，圖13-11是他上學過程中的路程-時間圖像,請你判斷小明動能最大的時段是（）A.在-t2時間內在t2t3時間內ft在Ot1時間內在三段時間內16.某人用10N的拉力，沿斜面將重為16N的物體在5s內勻速地拉上長為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動。已知A的質量為500kg，拉力為612.5N，滑輪組的機械效率為80%，求：（1）物體A所受的摩擦

18、力是多少？（2）若物體A的速度為0.1m/s，拉力的功率是多少?質量為It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，斜面的機械效率為70%，求：（1）汽車牽引力所做的有用功；（2）汽車在斜面的速度。19.隨著人類能源消耗的迅速增加，如何有效地提高能源利用率是人類所面臨的一項重要任務。圖13-13是上?！懊髦榫€”某輕軌車站的設計方案，與站臺連接的軌道有一個小的坡度。請你從提高能量利用率的角度，分析這種設計的優(yōu)點。20.一臺水泵每秒鐘內可以把質量為80kg的水抽到10m高處，若水泵的效率為80%，帶動水泵的電動機的效率為85%，試計算帶動水泵工作的電動機的功率。參考答案A卷1.總功，12.2.5X104，2X104，5X103，80%3.（1）重力勢能，動能；2）彈性勢能；3）動能；4）重力勢能，動能；（5）動能，重力勢能4.1.44X104，2.4X104，60%5.6006.B7.D8.D9.B10.C11.B12.D13.C14.D15.A16.4.8X103W，9.6X103W17.1)1960N；2)1568W18.1）拉力F，物體的重力G；2）n=G/(3F)；3）滑輪的質量，繩子的質量以及摩擦19.灑水車灑水時，車子的速度