(完整版)機械功原理

1、【知識點名稱 】機械功的原理課程標準的要求* 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 】1（魯科 J）知道機械功的原理，懂得使用任何機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）知道機械做功的本質(zhì)是能量轉(zhuǎn)化的過程。4（魯科 J）初步學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。機械功的原理（魯科 K ）很早以前，人類就開始應(yīng)用簡單機械來做功廠：人們發(fā)現(xiàn)，有的機械使用起來可以省力，

2、有的機械使用起來可以省位移。那么，有既省力、又省位移的機械嗎?下面，我們通過實驗進行探究。比較 D 5 與 D6 ，發(fā)現(xiàn)使用機械不能省功，反而費功，由此引發(fā)學生思考為什么在有用功一樣的情況下，使用機械反而費功這一問題，即要多克服機械的自身重力和摩擦所做的功，從而引發(fā)學生合理猜想：對于機械來說，一般情況下，動力功應(yīng)等于有用功加上額外功，即機械功。在這一教學過程巾，教師應(yīng)引導學生通過數(shù)據(jù)的比較。揭示事物的本質(zhì)規(guī)律，這正是科學探究所強調(diào)的：培養(yǎng)學生發(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；使用機械時，一方面動力對機械做功，

3、另一方面機械又克服阻力對外做功。其中，動力對機械所做的功 W動 ( 又稱輸入功 ) 就是總功 W總 ；機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額外 ( 又稱損失功，如克服機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)，對任何機械而言，總有WW 動 =W阻 =W有用 +W額外也可以寫成W 輸入 =W輸出 +W損失這一結(jié)論可以表述為：使用任何機械時，動力對機械所做的功總是等于機械克服阻力所做的功。這就是機械功的原理，簡稱為功的原理(principle of

4、work)。功的原理是機械的基本原理，是機械做功所遵循的基本規(guī)律。它告訴我們，使用任何機械都不能省功。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械總是費功的。斜面是一種典型的簡單機械。當我們利用斜面把重物推到高處時( 圖110) ，如果不計摩擦力，且已知斜面長為l ，高為h ，傾角為 ，重物所受的重力為G，根據(jù)機械功的原理，推力F 所做的功WF就應(yīng)當?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WG，即WG=Fl=Gh所以hF=G=Gsin 可見，利用斜面來搬運重物，所用的力可以

5、小于重物所受的重力，也就是說利用斜面可以省力。生活中關(guān)于斜面的應(yīng)用實例很多，如開瓶器 ( 圖 111) 、盤山公路 ( 圖 112) 等都是對斜面的巧妙利用。（魯科 J）教材從機械功的原理分析了用斜面搬運省力的道理，建議引導有能力的學生從動力學角度分析，相互驗證，有助于學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。人能夠搬動重物做功，說明人具有能量；風能夠推動帆船做功( 圖 1-13) ，說明風具有能量；被壓縮的彈簧放開時能夠?qū)ξ矬w做

6、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( 圖 114) 。汽車行

7、駛時牽引力對汽車做功，發(fā)動機中燃料的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為汽車的機械能。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，就必須利用機械來做功，機械做功的能量來自何處呢?機械本身并不能憑空產(chǎn)生能量，機械能夠做功是因為人們給機械輸入了能量，

8、從本質(zhì)上講，做功的機械是傳遞能量、實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化。的裝置。機械做功，只能將能量從一個物體傳遞或轉(zhuǎn)移到另個物體，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，功和能的概念對學生來講比較抽象，所以學生要進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?。耗艿母拍睢⒛艿霓D(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。在教學過程中要充分利用生活中具體例子加以啟發(fā)引導。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，從功的角度來認識能量概念相對容易些，所以課本對能的概念敘述

9、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動能， 被舉高的物體具有能量重力勢能， 被壓縮的彈簧具有能量彈性勢能，人具有能量儲存于體內(nèi)的化學能，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，使學生認識到：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生聯(lián)想到其中存在的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，進而得出做功過程必然伴隨能量轉(zhuǎn)化的認識；接著做定性分析：做功越多，物體能量的轉(zhuǎn)化也越多，由此引導學生認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。這就為學生認識功足能量轉(zhuǎn)化的量度架起了橋梁

10、。(3) 根據(jù)機械功的原理，任何機械都不能省功，而功又是能量轉(zhuǎn)化的量度，故任何機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)革命的需要當時的工程師們需要一個比較蒸汽機效益的辦法. 在實踐中大家逐漸同意用機器舉起的物體的重量與高度之積來量度機器的輸出，并稱之為功.19 世紀初，法國科學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乘積叫做“運動的功” 當功和能量這兩個概念在具體的物理過程中“匯合”之時，人們才進了

11、一大步，認識到“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思路，也是一種科學思維之路，因而對培養(yǎng)學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，認真分析了WG 與路徑無關(guān)的問題這是希望有助于學生形成嚴肅認真的科學態(tài)度我們不是鼓勵學生質(zhì)疑嗎?如果物體從A 至 B，不同路徑下WG 不同， E P 還有意義嗎 ?物理教學應(yīng)培養(yǎng)“追根問底”的思維習慣，“自圓其

12、說”應(yīng)是最起碼的要求【生活應(yīng)用 】【課本習題 】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6×1024 kg( 把地球視為質(zhì)點) ，如果阿基米德所使用的杠桿短臂長為1 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?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S 形路線增大了上坡的距離，由功的原理可知，走S 形路線能省力。本題考查學生對“功的原理”的認識。2（魯科 K）小車與貨物的質(zhì)量為50kg，沿搭板將其勻速推上汽車，若車廂離地面的高度

13、為1 0m，搭板的長度為40 m，求在這個過程中人做了多少功，人的推力有多大?如果直接把小車與貨物搬上去呢?( 不計摩擦阻力 )解答：直接搬貨時，人做的功w=Gh=50×9 8 ×1 O J=490 J 。根據(jù)功的原理：任何機械都不能省功，所以用斜面時人做的功約為490J。此時W=F 所以F=W =(490 4 O)N=122 5 N3（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 10m人所做的功。解答：推力做正功；小車機械能增加；在本題中摩擦力做負功，小車機械能減小。本題巾

14、出現(xiàn)的是摩擦力做負功的情況，可讓學生近一步思考：摩擦力總是做負功嗎?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 ）請舉出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” ，當爆竹爆炸時，火藥的化學能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能、聲能、光能和爆竹碎屑的動能；“二踢腳”爆炸時，火藥的一部分化學能還要先轉(zhuǎn)化為它的重力勢能。(3)炎炎夏日，電風扇、空調(diào)等給我們帶來涼爽生活。電風扇工作時電能轉(zhuǎn)化為葉片的動能，在這一過程

15、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，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 ×2 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

16、的功w=fs=104N×0 1 m=103J 。在此過程中摩擦力做負功，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103J。【基礎(chǔ)例題 】【其他習題】【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，物體受到的重力所做的功是否一樣。（魯科 J） “迷你實驗