2018初中物理競(jìng)賽教程(基礎(chǔ)篇)：第13講機(jī)械效率機(jī)械能(附強(qiáng)化訓(xùn)練題及答案).docx

1、13.1.1機(jī)械效率有用功、額外功和總功G的物為實(shí)現(xiàn)某種目的而對(duì)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(jī)械對(duì)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(shí)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(shí)，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(shí)，克服動(dòng)滑輪重力所做的額外功W額外=Gh（這里G是動(dòng)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(shí)，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(jī)械效率機(jī)械效率表示通過機(jī)械對(duì)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(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n=W有用/w總13.1.2機(jī)械能1.厶匕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(dòng)能和勢(shì)能動(dòng)能是物體由于運(yùn)動(dòng)而具有的能。物體的質(zhì)量越大，運(yùn)動(dòng)速度越大，其動(dòng)能就越大。重力勢(shì)能是物體處于某一高度時(shí)所具有的勢(shì)能。物體質(zhì)量越大，所處的位置越高，重力物體的彈性形變?cè)酱?，彈性?shì)能就越勢(shì)能就越大。彈性勢(shì)能是物體由于發(fā)生彈性形變而具有的勢(shì)能大。重力勢(shì)能和彈性勢(shì)能統(tǒng)稱為勢(shì)能。3.機(jī)械能動(dòng)能和勢(shì)能統(tǒng)稱為機(jī)械能。動(dòng)能和勢(shì)能

3、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(dòng)能和勢(shì)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(shí)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)械效率的意義機(jī)械效率n總小于1機(jī)械效率是反映機(jī)械性能優(yōu)劣的主要標(biāo)志之一，它反映了機(jī)械對(duì)總功的利用率。理想機(jī)械：WS=W有用（或W輸入=W輸出，W動(dòng)=W阻）實(shí)際機(jī)械：WS

4、=W有用+W額外（或W輸入=W輸出+W額外，W護(hù)有用阻力+W無用阻力）在實(shí)際機(jī)械中，由于W有用W總，所以機(jī)械效率n總小于1.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(duì)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?dòng)機(jī)，機(jī)械效率可達(dá)80%以上，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n=P輸/P。出輸入組合機(jī)械的機(jī)械效率

5、在合機(jī)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(jī)器來是出功，而另一部機(jī)器來卻是入功。例如，機(jī)起重機(jī)，機(jī)的出功就是起重機(jī)的入功。由兩種機(jī)械合而成的合機(jī)械中，其中君總，而W總有用，因此，可得合機(jī)械的機(jī)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(gè)物體能做功，個(gè)物體就具有能。由力學(xué)和運(yùn)學(xué)的律，可以出運(yùn)物體具有的能Ek=l/2mv2，重力能Ep=mgh，性能Ej=l/2kx2能是一個(gè)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(jī)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(jī)械能量將保持不。如一個(gè)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(dāng)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(jī)械能的和扔保持不（即機(jī)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(yùn)程中有機(jī)械能化成其他形式的能（如內(nèi)能），機(jī)械能的量就會(huì)減少。機(jī)械能和其他形式的能之可以相互化，例如水站水機(jī)機(jī)做功，將機(jī)械能化能，而機(jī)將能重新化機(jī)械能。汽和火的內(nèi)燃機(jī)通燃?xì)馔茪飧字械幕钊龉?，將燃料的化學(xué)能化汽的能。代生活和生中隨可的各種力機(jī)械，小到玩具、大到氣機(jī)，都是將能、化學(xué)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(jī)械效率的含義例1用動(dòng)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(jī)械效率是.【點(diǎn)撥】由杠桿動(dòng)力臂是阻力臂2倍的條件，可得出作用在杠桿上動(dòng)力通過的距離s。【解析】設(shè)貨物提高的高度為h，由功的原理，求得作用在杠桿上的動(dòng)力通過的距離S=2h=2X0.2m=0.4m根據(jù)功的計(jì)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(jù)機(jī)械效率的定義，求出杠桿的機(jī)械效率n=W有用w總=80J/88J心0.91=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，就圖Z能正確解決問題。例2某人用動(dòng)滑輪牽引物體A在水平地面上做勻速直線運(yùn)動(dòng),如圖13-2所示

9、。已知物體A受到摩擦力是36N，動(dòng)滑輪的機(jī)械效率是75%，求繞過動(dòng)滑輪的繩子對(duì)固定墻B的拉力大小?！军c(diǎn)撥】利用動(dòng)滑輪牽引物體時(shí)，由于定滑輪的機(jī)械效率小于1，因此動(dòng)力F和繞過動(dòng)滑輪的繩子對(duì)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(dòng)的距離應(yīng)是物體A移動(dòng)距離的2倍。【解析】設(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(duì)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(dòng)時(shí)，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(dòng)，去滑輪為研究對(duì)象，滑輪受到3個(gè)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

10、是F=F2+F。s與物體A移動(dòng)的距離s的倍數(shù)關(guān)系，根據(jù)機(jī)械效率的定義和繩子的自由端移動(dòng)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(shí)際機(jī)械使用的問題時(shí),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(dòng)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(duì)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(gè)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(yùn)動(dòng)時(shí)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。【解答】拉力做的功W總=W有用+W無用=Gh+fL根據(jù)機(jī)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(yùn)動(dòng)時(shí)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

12、下列說法中正確的是()A水從高處流向低處，勢(shì)能減少，動(dòng)能增加B低空飛行的飛機(jī)只有動(dòng)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(duì)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(gè)物體具有能量。而物體具有的動(dòng)能是由物體的質(zhì)量和它的運(yùn)動(dòng)速度大小決定的，物體的勢(shì)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(dòng)時(shí)，高度在減小，說明它的重力勢(shì)能在減小，但流動(dòng)的速度在增大，說明水的動(dòng)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(shì)能。B不對(duì)。C物體同樣有重力勢(shì)能，C不對(duì)。D中作勻速運(yùn)動(dòng)的

13、物體它具有動(dòng)能，因此它具有做功的本領(lǐng)，D不對(duì)?！敬鸢浮緼【反思】根據(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(dòng)能，也不一定具有勢(shì)能?？赡軇?dòng)能和勢(shì)能都具有，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(dòng)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(dòng)能和勢(shì)能統(tǒng)稱為機(jī)械能。動(dòng)能和勢(shì)能可以相互轉(zhuǎn)化?！窘馕觥壳螂x開手后向下運(yùn)動(dòng)，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(shí)，重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，落地后再轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能。當(dāng)籃球恢復(fù)到彈性形變，彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為

14、動(dòng)能，繼續(xù)上升，再轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能?！痉此肌縿?dòng)能和勢(shì)能可以相互轉(zhuǎn)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(shí)，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(shí)，它的機(jī)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(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。一臺(tái)起重機(jī)將重力為5000N的重物勻速地提高4m，動(dòng)力做功25000J，這臺(tái)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(jī)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(dòng)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。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.1:4TOC o 1-5 h zn關(guān)于機(jī)械效率，下列說法中正確的是（）越省力的機(jī)械，n的值越大b.功率越小的機(jī)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?yàn)閚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(dòng)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(shì)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(shí)繩下端的位置，c點(diǎn)是游戲者所達(dá)到的最低點(diǎn)。對(duì)于游戲者離開跳臺(tái)到最低點(diǎn)的過程中，下列說法正確的是（A.游戲者的動(dòng)能一直在增大B.游戲者減少的重力勢(shì)能全部轉(zhuǎn)化為動(dòng)能C.游戲者通過a點(diǎn)后，繩子具有

17、彈性勢(shì)能D.游戲者通過c點(diǎn)時(shí)，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(shí)間圖像,請(qǐng)你判斷小明動(dòng)能最大的時(shí)段是（）A.在-t2時(shí)間內(nèi)在t2t3時(shí)間內(nèi)ft在Ot1時(shí)間內(nèi)在三段時(shí)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(gè)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(dòng)。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

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(zhì)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(jī)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(xiàng)重要任務(wù)。圖13-13是上?！懊髦榫€”某輕軌車站的設(shè)計(jì)方案，與站臺(tái)連接的軌道有一個(gè)小的坡度。請(qǐng)你從提高能量利用率的角度，分析這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)。20.一臺(tái)水泵每秒鐘內(nèi)可以把質(zhì)量為80kg的水抽到10m高處，若水泵的效率為80%，帶動(dòng)水泵的電動(dòng)機(jī)的效率為85%，試計(jì)算帶動(dòng)水泵工作的電動(dòng)機(jī)的功率。參考答案A卷1.總功，12.2.5X104，2X104，5X103，80%3.（1）重力勢(shì)能，動(dòng)能；2）彈性勢(shì)能；3）動(dòng)能；4）重力勢(shì)能，動(dòng)能；（5）動(dòng)能，重力勢(shì)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(zhì)量，繩子的質(zhì)量以及摩擦19.灑水車灑水時(shí)，車子的速度