第4節(jié)人與機(jī)械1.知道機(jī)械的額定功率和機(jī)械效率的物理意義，能熟練計(jì)算機(jī)械效率2.理解功率和機(jī)械效率是從不同方面反映機(jī)械性能的兩個(gè)物理量，它們之間無(wú)必然的聯(lián)系3.了解現(xiàn)代機(jī)械的發(fā)展水平 學(xué)生用書(shū)P12一、功率與機(jī)械效率1機(jī)械效率(1)定義：有用功與總功的比值或有用功率與總功率的比值(2)定義式：(3)物理意義：表示機(jī)械做功或利用該機(jī)械實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化的有效程度的物理量2功率與機(jī)械效率的區(qū)別兩者是從不同方面反映機(jī)械性能的物理量，它們之間沒(méi)有必然的聯(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)總能量的利用率高一級(jí)方程式賽車裝備了強(qiáng)大的發(fā)動(dòng)機(jī)，其功率最大可達(dá)900 馬力(合662千瓦)，車速最高可達(dá)370千米/小時(shí)賽車的功率大，效率一定高嗎？提示：不一定，功率和效率是兩個(gè)意義不同的物理量二、機(jī)械的使用使用目的用機(jī)械代替甚至超越人力工作，使人們的工作更輕松、更有效發(fā)展趨勢(shì)智能化水平越來(lái)越高，高智能機(jī)器人廣泛進(jìn)入生產(chǎn)、生活的各個(gè)領(lǐng)域注意問(wèn)題智能化機(jī)械若使用不當(dāng)，會(huì)給人類造成危害舉例踏板縫紉機(jī)、自行車、智能機(jī)器人(1)使用機(jī)械能省功，也能提高工作效率()(2)提高機(jī)械的機(jī)械效率就能提高機(jī)械做功的功率()(3)任何實(shí)際機(jī)械的機(jī)械效率都不會(huì)大于1.()提示：(1)×(2)×(3)對(duì)機(jī)械效率的理解及計(jì)算學(xué)生用書(shū)P131有用功、額外功、總功、機(jī)械效率意義關(guān)系有用功克服有用阻力所做的功做功關(guān)系：W總W有用W額外功率關(guān)系：P總P有用P額外額外功克服額外阻力所做的功，如克服機(jī)械自身重力、摩擦阻力等所做的功總功利用機(jī)械時(shí)作用在機(jī)械上的動(dòng)力對(duì)機(jī)械所做的功機(jī)械效率有用功與總功的比值或有用功率與總功率的比值機(jī)械效率：2.機(jī)械效率與功率功率機(jī)械效率定義物體所做的功跟完成這些功所用時(shí)間的比值有用功跟總功的比值或有用功率跟總功率的比值續(xù)表功率機(jī)械效率公式P或PFv或意義表示做功的快慢表示機(jī)械對(duì)總能量利用率的高低關(guān)系兩者間沒(méi)有必然聯(lián)系，功率大，機(jī)械效率不一定高，機(jī)械效率高，功率不一定大 命題視角1機(jī)械效率的理解關(guān)于機(jī)械效率，下列說(shuō)法中正確的是()A有用功越大，機(jī)械的機(jī)械效率就越高B額外功越小，機(jī)械的機(jī)械效率就越高C總功越小，機(jī)械的機(jī)械效率就越高D有用功與總功的比值越大，機(jī)械的機(jī)械效率就越高解析機(jī)械效率的高低是由有用功、總功兩個(gè)因素決定的，若只分析一個(gè)因素的大小，不能判斷機(jī)械效率的高低選項(xiàng)A、B要在總功一定的前提條件下，才是正確的；選項(xiàng)C要在有用功一定的前提條件下，才是正確的選項(xiàng)A、B、C只說(shuō)出影響機(jī)械效率高低的一個(gè)因素，因此無(wú)法確定機(jī)械效率的高低答案D 命題視角2機(jī)械效率的計(jì)算如圖所示，利用輕滑輪將一質(zhì)量為100 kg的物體沿傾角37°的斜面以速度v0.5 m/s勻速拉至高為h1.5 m的高處，斜面與物體間的動(dòng)摩擦因數(shù)0.2.(sin 37°0.6，cos 37°0.8，g10 m/s2)試求：(1)此過(guò)程中拉力F的功率；(2)這一過(guò)程的機(jī)械效率解題探究(1)物體以速度v勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，拉力F的作用點(diǎn)的速率是多少？(2)題中的有用功等于重力做的功還是等于摩擦力做的功？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?yàn)槲矬w沿斜面勻速向上運(yùn)動(dòng)，所以垂直斜面方向Nmgcos 37°沿斜面方向F2Ffmgsin 37°fN由可得FN380 N勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，拉力F的功率PF·vF·2v380×2×0.5 W380 W.(2)物體沿斜面移動(dòng)的距離s m2.5 m拉力F通過(guò)的距離L2s5 m總功W總FL380×5 J1 900 J有用功W有用WGmgh100×10×1.5 J1 500 J0.7979%.答案(1)380 W(2)79%分析機(jī)械效率的基本思路(1)對(duì)機(jī)械進(jìn)行受力分析和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析，找出動(dòng)力和阻力，尤其注意分清有用阻力和無(wú)用阻力(2)根據(jù)功的公式求解動(dòng)力做的功(總功)、克服有效阻力做的功(有用功)、克服無(wú)效阻力做的功(額外功)(3)有用功與總功的比值是機(jī)械的機(jī)械效率 提高機(jī)械效率的方法學(xué)生用書(shū)P131提高機(jī)械的機(jī)械效率的思路(1)根據(jù)機(jī)械效率的定義知道當(dāng)總功一定時(shí)，機(jī)械所做的有用功越多或額外功越少，機(jī)械效率就越高當(dāng)有用功一定時(shí)，機(jī)械所做的總功越少或額外功越少，機(jī)械效率就越高當(dāng)額外功一定時(shí)，機(jī)械所做的總功越多或有用功越多，有用功在總功中所占的比例就越大，機(jī)械效率就越高(2)要提高機(jī)械效率，通常是通過(guò)減少額外功來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在無(wú)法減少額外功的情況下，則采用增大有用功的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)2提高機(jī)械效率的有效途徑(1)盡量減少額外功，采取減輕機(jī)械本身的重力或加潤(rùn)滑油減小摩擦的辦法(2)當(dāng)額外功一定時(shí)，在機(jī)械能承受的范圍內(nèi)盡可能增加每次提起重物的重力，充分發(fā)揮機(jī)械的作用要提高某一機(jī)械的效率，可以采取的正確方法是()A增加機(jī)械做功的時(shí)間B減小機(jī)械做功的時(shí)間C有用功一定，減少額外功D增加重物上升的高度解析在使用機(jī)械時(shí)，改變機(jī)械做功的時(shí)間或高度，有用功和總功會(huì)同時(shí)改變相同的倍數(shù)，由可得，機(jī)械效率不會(huì)改變由、W總W有用W額外可得，當(dāng)W有用一定時(shí)，W額外越少，就越高選項(xiàng)C正確答案C1.用如圖所示的滑輪組分別把甲、乙、丙三個(gè)物體勻速提升1 m，三個(gè)物體的重力依次為300 N、600 N、800 N，則滑輪組的機(jī)械效率(不計(jì)摩擦)()A提升甲物時(shí)較高B提升乙物時(shí)較高C提升丙物時(shí)較高D機(jī)械效率不變解析：選C.依據(jù)可知，在滑輪組不變的情況下，所提起重物的重力越大，機(jī)械效率越高，故C正確機(jī)械功率和機(jī)械效率的分析與計(jì)算學(xué)生用書(shū)P14如圖所示，在相同的時(shí)間里，用力F甲、F乙把等重的物體提升相同的高度，乙的動(dòng)滑輪比甲重(忽略繩重和摩擦)，比較它們的機(jī)械效率甲、乙和兩力做功的功率P甲、P乙，則()A甲>乙，P甲>P乙B甲>乙，P甲<P乙C甲<乙，P甲>P乙D甲<乙，P甲<P乙解析本題中有用功相同，但乙的動(dòng)滑輪比甲重，所以乙的額外功大，由可知甲>乙；又因?yàn)樵谙嗤臅r(shí)間內(nèi)提升相同的高度，即P有用相同，由P總，而甲>乙，所以P甲<P乙答案B2.電梯載著重900 N的貨物，以2 m/s的速度勻速上升，電機(jī)的輸出功率為1.5×104 W，則該電梯的有用功率、效率分別是()A450 W、12%B1 800 W、12%C1 800 W、10% D450 W、10%解析：選B.勻速上升時(shí)，貨物受到電梯的支持力Fmg，有用功率P有用Fvmgv900×2 W1 800 W，效率12%，故選項(xiàng)B正確隨堂檢測(cè)學(xué)生用書(shū)P141下列說(shuō)法正確的是()A機(jī)械只能在額定功率下工作B功率越大，機(jī)械效率越高C功率的大小與機(jī)械效率的高低無(wú)關(guān)D隨著科技的發(fā)展，機(jī)械效率有可能達(dá)到100%解析：選C.機(jī)械實(shí)際工作的功率可以小于或等于額定功率，A錯(cuò)誤；功率與機(jī)械效率無(wú)必然聯(lián)系，B錯(cuò)誤，C正確；克服額外阻力而做的無(wú)用功總是存在的，故機(jī)械效率不可能達(dá)到100%，D錯(cuò)誤2一個(gè)滑輪組經(jīng)改進(jìn)后提高了效率，用它把同一物體提升同樣的高度，改進(jìn)后與改進(jìn)前相比()A有用功減少，總功減少B有用功增加，總功增加C有用功不變，總功不變D有用功不變，總功減少解析：選D.提高機(jī)械效率可以通過(guò)減少額外功而保持有用功不變，也可以通過(guò)增加有用功而保持額外功不變兩種方式本題中把物體提升同樣的高度則有用功不變，通過(guò)改進(jìn)機(jī)械后減少了額外功，從而提高了機(jī)械效率，因此A、B、C錯(cuò)誤，D正確3機(jī)械效率是70%的機(jī)械與機(jī)械效率是80%的機(jī)械相比較，下列說(shuō)法中正確的是 ()A效率是70%的機(jī)械做功快B效率是80%的機(jī)械做功快C兩種機(jī)械做功一樣快D無(wú)法比較做功的快慢解析：選D.功率是描述物體做功快慢的物理量，機(jī)械效率是有用功與總功的比值，表示機(jī)械對(duì)總能量利用率的高低，已知機(jī)械效率無(wú)法判定物體做功的快慢，選項(xiàng)D正確4某車以相同的功率在兩種不同的水平路面上行駛，受到的阻力分別為車重的k1和k2倍，最大速率分別為v1和v2，則()Av2k1v1Bv2v1Cv2v1 Dv2k2v1解析：選B.該車在水平路面上達(dá)到最大速率時(shí)，處于平衡狀態(tài)，即該車此時(shí)的牽引力F1k1mg，F(xiàn)2k2mg，兩種情況下，車的功率相同，即F1v1F2v2，解得v2v1，故選項(xiàng)B正確課時(shí)作業(yè)學(xué)生用書(shū)P99(單獨(dú)成冊(cè))一、單項(xiàng)選擇題1有關(guān)功、功率和機(jī)械效率的說(shuō)法中，正確的是()A機(jī)器的功率越大，做的功就越多B功率不同的機(jī)器，做的功可能相等C機(jī)器做功的時(shí)間越少，功率就越大D機(jī)器的功率越大，機(jī)械效率就越低解析：選B.由P可推得WPt，即做功的多少由功率和做功時(shí)間兩個(gè)量決定，功率大的機(jī)器做的功不一定多，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤，選項(xiàng)B正確只有時(shí)間而沒(méi)有做功的多少，無(wú)法確定功率的大小，故選項(xiàng)C錯(cuò)誤功率反映的是做功的快慢程度，而機(jī)械效率反映的是有用功在總功中所占的份額，這是兩個(gè)不同的概念，它們之間沒(méi)有必然的聯(lián)系，故選項(xiàng)D錯(cuò)誤2以下說(shuō)法中正確的是()A機(jī)械效率越高的機(jī)械越省力B功的原理只適于理想機(jī)械C總功一定，有用功多的機(jī)械，機(jī)械效率高D額外功在總功中占的比例越小，機(jī)械的機(jī)械效率就越低解析：選C.機(jī)械是否省力與機(jī)械的工作特點(diǎn)有關(guān)，與機(jī)械效率的高低無(wú)關(guān)，A錯(cuò)誤；功的原理也適于普通機(jī)械，B錯(cuò)誤；根據(jù)機(jī)械效率的定義可知，C正確；額外功在總功中占的比例越小，機(jī)械效率越高，D錯(cuò)誤3兩臺(tái)機(jī)械所做的總功之比為 21，它們的機(jī)械效率之比為34，則它們所做的有用功之比()A21B34C41 D32解析：選D.由公式可知，W有用W總，所以兩臺(tái)機(jī)械的有用功之比W有1W有232.4采取下列措施，可以提高機(jī)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總功一定，減小額外功D額外功一定，減小總功解析：選C.根據(jù)，W有用一定，增大總功，機(jī)械效率將變小，A錯(cuò)；W總W有用W額外，W總一定，增大W額外，W有用變小，因，所以變小，B錯(cuò)；W總一定，減小額外功，W有用變大，據(jù)，變大，故C對(duì)；額外功一定，減小W總，則W有用變小，則變小，故D錯(cuò)5如圖所示，不計(jì)任何摩擦，分別用定滑輪、動(dòng)滑輪、滑輪組把同一個(gè)物體勻速提升到同一高度，其中機(jī)械效率最高的是()A定滑輪 B動(dòng)滑輪C滑輪組 D無(wú)法確定解析：選A.使用動(dòng)滑輪和滑輪組提升物體，都需要克服滑輪自身重力做功，克服滑輪自身重力所做的功是額外功，而使用定滑輪不需克服滑輪自身重力做功，選項(xiàng)A正確6利用機(jī)械效率不同的三種機(jī)械，分別把同一物體提高相同的高度，若1<2<3，則下列關(guān)系正確的是()AW總1<W總2<W總3BW總1>W總2>W總3CW總1W總2W總3D無(wú)法判斷解析：選B.由×100%知，當(dāng)W有用相同，且有1<2<3時(shí)，W總1>W總2>W總3.所以選項(xiàng)B正確二、多項(xiàng)選擇題7關(guān)于人與機(jī)械，下列說(shuō)法中正確的是()A機(jī)械只能承擔(dān)人類可以完成的工作B機(jī)械能夠承擔(dān)某些人類無(wú)法直接完成的工作C機(jī)械可以在超過(guò)額定功率的狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間工作D機(jī)械可以在小于額定功率的狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間工作解析：選BD.機(jī)械可以承擔(dān)某些人類無(wú)法直接完成的工作機(jī)械不能在超過(guò)額定功率的狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間工作，否則易將機(jī)械損壞8有甲、乙兩臺(tái)機(jī)械，功率P甲>P乙，機(jī)械效率甲<乙，下列說(shuō)法正確的是()A在相同的時(shí)間內(nèi)，甲機(jī)械做的功多B做相同的有用功，甲用的時(shí)間少C甲機(jī)械中的摩擦阻力一定比乙機(jī)械中的大D甲機(jī)械的輸出功率和輸入功率之比小于乙機(jī)械的輸出功率和輸入功率之比解析：選AD.機(jī)械所做的功WPt，由于P甲>P乙，所以在相同時(shí)間內(nèi)W甲>W乙，故A正確；機(jī)械所做的有用功W有Pt，由此可知有用功由、P、t三個(gè)因素決定，所以無(wú)法比較做相同的有用功所用的時(shí)間，故B錯(cuò)誤；無(wú)用功應(yīng)包括克服摩擦阻力和機(jī)械自身重力等所做的功，所以效率低的機(jī)械摩擦阻力不一定大，故C錯(cuò)誤；根據(jù)定義式可知，D正確9如圖所示用滑輪組將重600 N的物體勻速提升，如果人用的拉力為250 N，則下列結(jié)論中正確的是()A若將物體提升2 m，拉力做功1 000 JB若將物體提升1 m，裝置所做的有用功為250 JC物體以0.5 m/s的速度勻速被提升，拉力的功率為375 WD此時(shí)裝置的機(jī)械效率是80%解析：選CD.由題圖知，有三股繩拉物體，所以拉力移動(dòng)的距離是物體移動(dòng)距離的3倍，若將物體提升2 m，拉力做的功為WFFs250×2×3 J1 500 J，故選項(xiàng)A不正確若將物體提升1 m，裝置所做的有用功為W有用Gh600×1 J600 J，故選項(xiàng)B不正確物體以0.5 m/s的速度勻速被提升，拉力的功率為P拉Fv拉250×0.5×3 W375 W，故選項(xiàng)C正確機(jī)械效率80%，故選項(xiàng)D正確三、非選擇題102015年春，山東、河南等地遭受大旱，給當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了巨大的損失，當(dāng)?shù)厝罕姺e極開(kāi)展抗旱自救工作農(nóng)田灌溉需用水泵抽水，假設(shè)每分鐘用水380 kg，所用水需從15 m深的井里抽取，已知水泵的效率為80%，則水泵的輸入功率至少是多少？解析：水泵抽水是連續(xù)的，我們可以取一段時(shí)間(如1 min)分析，在此時(shí)間內(nèi)把380 kg的水提升15 m.在1 min內(nèi)，水泵克服水的重力做功為Wmgh380×9.8×15 J55 860 J故水泵的有用功率P有用 W931 W根據(jù)×100%知P總 W1 163.75 W.答案：1 163.75 W11用如圖所示的裝置提升物體，物體重G250 N，動(dòng)滑輪重G010 N斜面長(zhǎng)L5 m、高h(yuǎn)3 m，人在右側(cè)用F100 N的力拉繩，使物體由斜面底部勻速地上升到頂端，不計(jì)繩的質(zhì)量及輪和軸的摩擦求：(1)該裝置的機(jī)械效率；(2)斜面對(duì)物體的摩擦力大小解析：(1)設(shè)當(dāng)物體由斜面底部上升到斜面頂端時(shí)，繩自由端移動(dòng)的距離為s，則根據(jù)題圖可知s2L，W有用Gh，W總Fs2FL×100%×100%×100%75%.(2)W總2FL2×100×5 J1 000 J設(shè)摩擦力為f，則額外功為W額外fLG0h根據(jù)功的原理得，W總W有用W額外，則2FLGhfLG0h，解得f44 N.答案：(1)75%(2)44 N12如圖所示，工人用滑輪組往2 m高的平臺(tái)上運(yùn)建筑材料，已知材料的質(zhì)量為40 kg，箱子與動(dòng)滑輪共重100 N，不計(jì)繩重與摩擦(1)工人勻速拉動(dòng)繩索時(shí)，所用的拉力是多大？(2)此過(guò)程中工人做的有用功是多少？(3)此滑輪組的機(jī)械效率是多大？解析：(1)材料的重力：Gmg40 kg×9.8 N/kg392 N，動(dòng)滑輪有2段繩子承擔(dān)重力，所以工人的拉力F(GG)×(392 N100 N)246 N.(2)工人做的有用功：W有用Gh392 N×2 m784 J.(3)拉力作用點(diǎn)移動(dòng)距離：s2h2×2 m4 m，拉力做的功：W總Fs246 N×4 m984 J，滑輪組的機(jī)械效率：×100%×100%79.7%.答案：(1)246 N(2)784 N(3)79.7%11