高中物理魯科版第一章功和功率 第1章第4節(jié)

第4節(jié)人與機械學習目標知識脈絡1.知道機械的額定功率和機械效率的物理意義，能熟練計算機械效率．(重點)2．理解功率和機械效率是從不同方面反映機械性能的兩個物理量，它們之間無必然的聯(lián)系．(難點)3．了解現(xiàn)代機械的發(fā)展水平及使用.功率和機械效率eq\a\vs4\al([先填空])1．機械效率(1)定義：有用功與總功的比值或克服有用阻力做功的有用功率與總功率的比值．(2)定義式：η＝eq\f(W有用,W總)＝eq\f(P有用,P總).(3)特點：不考慮摩擦阻力和其他額外阻力的理想情況下，機械效率等于1，實際情況中機械效率總小于1.(4)物理意義：表示機械做功或利用該機械實現(xiàn)能量轉化的有效程度的物理量．2．功率與機械效率功率和機械效率是從不同方面反映機械性能的兩個物理量，它們之間沒有必然聯(lián)系．功率大，表示機械做功快；機械效率高，表示機械對總能量的利用率高．eq\a\vs4\al([再判斷])1．在理想情況下，機械效率可以大于1.(×)2．有用功增大時機械效率一定增大．(×)3．功率的大小和機械效率沒有關系．(√)eq\a\vs4\al([后思考])如圖1－4－1所示，一級方程式賽車裝備了強大的發(fā)動機，其功率最高可達900馬力，車速最高可達370公里/小時．賽車的功率大，說明什么問題？功率大效率一定大嗎？圖1－4－1【提示】功率大說明機器做功快，這是車速快的動力源泉，但其效率不一定大，因為有用功占總功的比例不一定大．eq\a\vs4\al([合作探討])如圖1－4－2所示，工人用滑輪組將重物提升到高處．圖1－4－2探討1：在實際問題中，為什么機械效率總小于1?【提示】應用機械做功，根據(jù)功的原理可知，動力做的總功等于克服有用阻力和無用阻力所做的功，實際問題中，無用阻力做的功不等于零，因此，有用功一定小于總功，機械效率小于1.探討2：為什么說機械效率越高，機械對能量的利用率越高？【提示】機械效率高，說明有用功與總功的比值大，總功等于能量轉化的總量，有用功等于轉化成的有用能量，也就是所利用的能量，因此，機械效率越高，相等能量的轉化過程中利用的能量越多．eq\a\vs4\al([核心點擊])功率機械效率定義物體所做的功跟完成這些功所用時間的比值有用功跟總功的比值或有用功率和總功率的比值公式P＝eq\f(W,t)或P＝Fvη＝eq\f(W有用,W總)或η＝eq\f(P有用,P總)，總小于1意義表示做功的快慢表示機械對總能量利用率的高低關系兩者沒有必然的聯(lián)系，功率大的機械效率不一定高，機械效率高的功率不一定大1．有甲、乙兩臺機械，功率P甲>P乙，機械效率η甲<η乙，下列說法正確的是()【導學號：01360016】A．在相同的時間內，乙機械做的功多B．做相同的有用功，甲用的時間少C．甲機械中的摩擦阻力一定比乙機械中的大D．甲機械的輸出功率和輸入功率之比小于乙機械的輸出功率和輸入功率之比【解析】機械所做的功W＝Pt，由于P甲>P乙，所以在相同時間內W甲>W乙，故A錯；機械所做的有用功W有＝ηPt，由此可知有用功由η、P、t三個因素決定，所以無法比較做相同的有用功所用的時間，故B錯；無用功應包括克服摩擦阻力和額外阻力所做的功，所以效率低的機械摩擦阻力不一定大，故C錯；根據(jù)定義式η＝eq\f(P有用,P總)可知，D正確．【答案】D2.如圖1－4－3所示，工人用240N的拉力拉繩使水中的小船勻速靠岸，用10min將繩子拉下60m，已知小船重×104N，小船行進中受到的阻力是它所受重力的倍，求：(1)工人拉繩時做功的功率；(2)此裝置的機械效率．圖1－4－3【解析】(1)工人拉繩時做功的功率P1＝eq\f(W1,t)＝eq\f(Fs,t)＝eq\f(240×60,10×60)W＝24W.(2)小船靠岸時的有用功率P2＝eq\f(W2,t)＝eq\f(μGs,t)＝eq\f××104×60,10×60)W＝18W，此裝置的機械效率η＝eq\f(P2,P1)＝75%.【答案】(1)24W(2)75%“四步”巧解機械效率(1)確定有用功：有用功是達到使用機械的目的而所做的功，也就是不使用機械直接用手所做的功．(2)確定額外功：克服摩擦等無用阻力所做的功是額外功．(3)確定總功：①確定所研究的機械及輸入給機械的力所做的總功；②W總＝W有用＋W額外；③W總＝W輸出＋W損失．(4)求解機械效率：η＝eq\f(W有用,W總)＝eq\f(P有用,P總)＝eq\f(P輸出,P輸入).機械的使用eq\a\vs4\al([先填空])1．使用目的代替甚至超越人力工作，使人們的工作更輕松、更有效．2．發(fā)展趨勢智能化水平越來越高，高智能機器人廣泛進入生產、生活的各個領域．3．注意問題智能化機械若使用不當，會給人類造成危害．eq\a\vs4\al([再判斷])1．總功一定，增大額外功可以提高機械效率．(×)2．有用功一定，減少額外功可以提高機械效率．(√)3．額外功一定，減少總功可以提高機械效率．(×)eq\a\vs4\al([后思考])核桃是外殼堅硬的果實，要想補腦要多吃核桃，為什么吃核桃時用核桃夾破殼呢？【提示】由于核桃外殼堅硬，想破殼必須選用省力的工具，所以選用核桃夾．eq\a\vs4\al([合作探討])生產、生活中，為了節(jié)省人力，常使用不同的機械來搬運物體，滑輪是一種最簡單的機械形式，如圖1－4－4所示，甲、乙、丙、丁四個裝置是利用不同的滑輪組合提升重物到同一高度．圖1－4－4探討1：四種不同的裝置中，有用功是什么？【提示】有用功是克服物體的重力所做的功，四種情況的有用功相同．探討2：提升重物過程中的額外功是什么？哪種情況額外功最多？【提示】額外功是克服滑輪重力所做的功，丁圖中額外功最多．探討3：機械效率的高低與有用功的多少有沒有直接關系，有用功越多，機械效率越高嗎？【提示】機械效率的高低與有用功的多少沒有直接關系，物體做的有用功多，機械效率不一定高．eq\a\vs4\al([核心點擊])提高機械效率的方法1．減少額外功(1)在保證機械能夠安全正常工作的前提下，盡量減輕機械本身的重力，可減少額外功．(2)通過減少克服摩擦力做功，如加潤滑劑，用滾動摩擦代替滑動摩擦等，來減少額外功．2．增加有用功當額外功一定時，在機械能夠承受并且能夠保證安全正常工作的前提下，盡可能增加有用功．例如起重機提起重物時，盡可能增加每次提起重物的重力，充分發(fā)揮機械的作用．3．甲、乙兩個機械的機械效率分別為80%、60%，兩者相比，則下列說法中正確的是()A．使用甲機械省力B．使用甲機械做功快C．在相同時間內，使用甲機械完成的功多D．乙機械的額外功在總功中占的比例大【解析】機械效率是有用功和總功的比值，表示有用功在總功中所占的份額，與是否省力、做功多少和做功快慢無關．【答案】D4．(2023·三明高一檢測)如圖1－4－5所示，不計任何摩擦，分別用定滑輪、動滑輪、滑輪組把同一個物體勻速升到同一高度，其中機械效率最高的是()【導學號：01360017】圖1－4－5A．定滑輪 B．動滑輪C．滑輪組 D．無法確定【解析】在把重物勻速提升到同一高度的過程中，克服重力所做的功等于有用功，三種情況下所做的有用功相同，均為W有用＝Gh.使用定滑輪時，拉力所做的總功為W1＝Gh，機械效率為η1＝1；使用動滑輪時，拉力所做的總功為W2＝eq\f(1,2)(G＋G0)×2h＝Gh＋G0h，機械效率為η2＝eq\f(Gh,Gh＋G0h)<1；使用滑輪組時，拉力所做的功為W3＝eq\f(1,3)(G＋G0)×3h＝Gh＋G0h，機械效率為η3＝eq\f(Gh,Gh＋G0h)<1；綜合上述分析可知，選項A正確．【答案】A學業(yè)分層測評(四)(建議用時：45分鐘)[學業(yè)達標]1．下列關于功率和機械效率的說法中，正確的是()A．現(xiàn)在機械的機械效率小于1，將來有可能出現(xiàn)新的機械，其效率突破1B．功率的大小與機械效率的大小無關C．機械效率越大，說明有用功率越大D．功率越大，機械效率越大【解析】機械在做功的過程中，由于W總＝W有用＋W額外，所以W有用永遠不可能大于W總，因此機械效率不可能大于1，故A錯誤．功率和機械效率是兩個不同的物理量，功率是表示做功快慢的物理量，機械效率是表示對總能量利用率大小的物理量，兩者沒有必然聯(lián)系，故B正確，D錯誤．機械效率越大，說明有用功率在總功率中占的比重越大，并不能說明有用功率越大，有可能是額外功率變小了，故C錯誤．【答案】B2．在建筑工地上，需要把一車水泥運到樓頂，如果工人用手搬運，需要8名工人連續(xù)工作4小時才能搬完．但如果采用吊車搬運，只需1名工人工作1小時就能搬完．這件事說明了()【導學號：01360018】A．使用機械能夠省功B．使用機械可以提高工作效率C．工人用手搬運時，克服水泥重力做功多D．吊車克服水泥重力做功多【解析】使用任何機械都不省功，但可以提高工作效率，選項A錯誤，選項B正確；水泥質量相同，上升高度相同，所以兩種情況克服重力做功相同．C、D選項均錯．【答案】B3．下列說法正確的是()A．機械只能在額定功率下工作B．功率越大，機械效率越大C．功率的大小與機械效率的大小無關D．隨著科技的發(fā)展，機械效率有可能達到100%【解析】機械實際工作的功率可以小于或等于額定功率，A錯；功率與機械效率無必然聯(lián)系，B錯，C對；克服額外阻力而做的無用功總是存在的，故機械效率不可能達到100%，D錯．【答案】C4．采取下列措施，可以提高機械效率的是()A．有用功一定，增大總功B．總功一定，增大額外功C．有用功一定，減少額外功D．額外功一定，減少總功【解析】由η＝eq\f(W有用,W總)，W總＝W有用＋W額外知，W有用一定，減少額外功，總功也相應減小，選項C正確．【答案】C5．如圖1－4－6所示，在相同的時間里，用力F甲、F乙把等重的物體提升相同的高度，乙的動滑輪比甲重(忽略繩重和摩擦)，比較它們的機械效率η甲、η乙和兩力做功的功率P甲、P乙，則()圖1－4－6A．η甲>η乙，P甲>P乙 B．η甲>η乙，P甲<P乙C．η甲<η乙，P甲>P乙 D．η甲<η乙，P甲<P乙【解析】本題中有用功相同，但乙的動滑輪比甲重，所以乙的額外功大，由η＝eq\f(W有用,W有用＋W額外)可知η甲>η乙；又因為在相同的時間內提升相同的高度，即P有用＝eq\f(W有用,t)＝eq\f(mgh,t)相同，由η＝eq\f(P有用,P總)?P總＝eq\f(P有用,η)，而η甲>η乙，所以P甲<P乙．【答案】B6．(2023·景德鎮(zhèn)高一檢測)有一水輪發(fā)電機，它的效率為20%，發(fā)電機的發(fā)電功率為200kW，若水流的落差為20m時，則每分鐘流下的水量為()【導學號：01360019】A．103kg B．5C．6×104kg D．3【解析】設流水的功率為P，則由機械效率公式η＝eq\f(P出,P)得P＝eq\f(P出,η)＝eq\f(200×103,20%)W＝106W，設每分鐘流下的水量為m，由功率公式得P＝eq\f(mgh,t)所以m＝eq\f(Pt,gh)＝eq\f(106×60,10×20)kg＝3×105kg，故D選項正確．【答案】D7．一滑輪組，不計繩子與滑輪間及所有滑輪的輪軸之間的摩擦，用它提升一重為G的貨物時其機械效率為80%，則用此滑輪組來提升一重為2GA．大于80% B．等于80%C．小于80% D．無法確定【解析】設當提升重為G的貨物時有用功為W有用，額外功為W額外，則有η＝eq\f(W有用,W有用＋W額外)＝80%；當提升重為2G的貨物時有用功為2W有用，額外功保持不變，仍為W額外，所以有η′＝eq\f(2W有用,2W有用＋W額外)>80%.故選項A正確．【答案】A8.如圖1－4－7所示，利用輕滑輪將一質量為100kg的物體沿傾角α＝37°的斜面以速度v＝0.5m/s勻速拉至高為h＝1.5m的高處，斜面與物體間的動摩擦因數(shù)μ＝.(sin37°＝，cos37°＝，g取10m/s2)試求：圖1－4－7(1)此過程中拉力F的功率；(2)這一過程的機械效率．【解析】(1)該物體受到重力mg、斜面支持力N、摩擦力f、拉力F′.因為物體沿斜面勻速向上，所以垂直斜面方向N＝mgcos37°①沿斜面方向F′＝2F＝f＋mgsin37°②f＝μN③由①②③可得F＝mg(μcos37°＋sin37°)/2＝100×10××＋/2N＝380N勻速運動時，拉力F的功率P＝F·v′＝F·2v＝380×2×W＝380W.(2)物體沿斜面移動s＝eq\f(h,sin37°)＝eq\f,m＝2.5m拉力F通過的距離L＝2s＝5m總功W總＝FL＝380×5J＝1900J有用功W有用＝WG＝mgh＝100×10×J＝1500Jη＝eq\f(W有用,W總)＝eq\f(1500J,1900J)≈＝79%.【答案】(1)380W(2)79%[能力提升]9．纜車的總質量為2t，用額定功率為100kW的電動機牽引，在傾角為θ＝53°的軌道上由靜止向上運動，設電動機在額定功率下工作，電動機的效率為85%，纜車所受摩擦力大小為其重力的倍．纜車可達到的最大速度為(sin53°＝，g取10m/s2)()【導學號：01360020】A．5m/s B．6m/sC．85m/s D．100m/s【解析】纜車在傾斜的軌道上運動．當牽引力F等于阻力時，纜車達到最大速度，而纜車的阻力等于重力沿軌道向下的分力Gsinθ與摩擦力f的合力．即F＝mgsin53°＋f①f＝0.05GP額×85%＝F·vm③①②③聯(lián)立得vm＝5m/s故A選項正確．【答案】A10.(多選)(2023·沈陽高一檢測)如圖1－4－8所示，用滑輪組提升重物時，重800N的物體在10s內勻速上升了1m．已知拉繩子的力F為500N，則提升重物的過程中()圖1－4－8A．繩子自由端被拉下3mB．做的有用功是800JC．拉力F的功率是80WD．滑輪組的機械效率是80%【解析】該滑輪組是由兩段繩子承擔物體的重力，即s＝2h＝2×1m＝2m．有用功W有用＝Gh＝800N×1m＝800J，總功W總＝Fs＝500×2J＝1000J拉力的功率P＝eq\f(W總,t)＝eq\f(1000J,10s)＝100W，