2018-2019學(xué)年高中物理 第1章 功和功率 第4節(jié) 人與機(jī)械學(xué)案 魯科版必修2

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1、第4節(jié)　人與機(jī)械 學(xué)習(xí)目標(biāo) 核心提煉 1.知道常用的一些機(jī)械，認(rèn)識(shí)機(jī)械效率。 2.理解功、功率、機(jī)械效率的不同。 3.會(huì)求一些簡(jiǎn)單的機(jī)械效率問(wèn)題。 1個(gè)概念——機(jī)械效率 1個(gè)區(qū)別——功率和機(jī)械效率的區(qū)別 一、功率與機(jī)械效率 閱讀教材第16～17頁(yè)“功率與機(jī)械效率”部分，知道機(jī)械效率的概念，知道功率和機(jī)械效率的區(qū)別。 1.機(jī)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。η＝＝。 (2)特點(diǎn)：不考慮摩擦阻力和其他額外阻力的理想情況下機(jī)械效率等于1，實(shí)際情況中機(jī)械效率總小于1。 (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

2、有效程度的物理量。 2.功率和機(jī)械效率：兩者是從不同方面反映機(jī)械性能的兩個(gè)物理量，它們之間沒(méi)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)總能量的利用率高。 思維拓展 如圖1所示，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，說(shuō)明什么問(wèn)題？功率大，效率一定高嗎？ 圖1 答案　功率大說(shuō)明機(jī)械做功快，這是車速快的動(dòng)力來(lái)源，但機(jī)械效率不一定高，因?yàn)橛杏霉φ伎偣Φ谋壤灰欢ù蟆? 二、機(jī)械的使用 閱讀教材第17～18頁(yè)“機(jī)械的使用”部分，了解機(jī)械的使用目的及發(fā)展趨勢(shì)。 使用目的 用機(jī)械代替人力做功

3、，甚至完成超越人力的工作，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)器人廣泛地進(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 思考判斷 (1)機(jī)械通常都應(yīng)工作在額定功率下，不能長(zhǎng)時(shí)間超過(guò)額定功率工作。(　　) (2)有用功越大，機(jī)械效率越高。(　　) (3)使用機(jī)械能省功，也能提高工作效率。(　　) (4)提高機(jī)械的機(jī)械效率就能提高機(jī)械做功的功率。(　　) (5)任何實(shí)際機(jī)械的機(jī)械效率都不會(huì)大于1。(　　) 答案　(1)√　(2)×　(3)×　(4)×　(5)√ 　對(duì)功、功率及機(jī)械效率的理解 [要點(diǎn)歸納] 1.

4、功 (1)意義：物體受到力的作用并且在力的方向上發(fā)生位移。 (2)分類 (3)關(guān)系 2.機(jī)械效率與功率的比較 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 公式 P＝或P＝Fv η＝或η＝ 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 [精典示例] [例1] 如圖2所示，某工人用滑輪組往3 m高的平臺(tái)上運(yùn)送沙土，已知沙土的質(zhì)量為40 kg，箱子與動(dòng)滑輪共重100 N，不計(jì)繩重和摩擦，工人勻速拉動(dòng)繩索。則此過(guò)

5、程中工人做的有用功是多少？此滑輪組的機(jī)械效率是多大？(g取10 m/s2) 圖2 解析　工人做的有用功就是克服沙土重力所做的功： W有用＝mgh＝40×10×3 J＝1 200 J。 工人做的總功就是克服沙土、箱子和動(dòng)滑輪總重力所做的功：W總＝(mg＋G)h＝(40×10＋100)×3 J＝1 500 J。 機(jī)械效率為η＝＝×100%＝80%。 答案　1 200 J　80% 求解機(jī)械效率的步驟 (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額外阻力。 (2)根據(jù)功的公式或功能關(guān)系求出機(jī)械動(dòng)力所做的功(即總功)、克服有用阻力所做的功(即有

6、用功)以及克服額外阻力所做的功(即額外功或無(wú)用功)。 (3)求出有用功與總功的比值得到機(jī)械效率。 [針對(duì)訓(xùn)練1] 在【例1】中的工人施加的拉力多大？若箱子上升的速度為0.5 m/s，拉力的功率多大？ 解析　設(shè)拉力為F，取沙土、箱子和動(dòng)滑輪整體為研究對(duì)象， 由平衡條件得：2F＝mg＋G， 解得F＝250 N。 拉力的功率為P＝2Fv＝2×250×0.5 W＝250 W。 答案　250 N　250 W [針對(duì)訓(xùn)練2] 由一個(gè)動(dòng)滑輪和一個(gè)定滑輪組成的滑輪組，把一重為40 N的物體勻速提升1 m時(shí)，人站在地面上所用的向下的拉力為25 N。若繩重及摩擦不計(jì)，則滑輪組的機(jī)械效率為多大？滑輪

7、多重？ 解析　由題意知，有兩段繩子承受物體和動(dòng)滑輪的重力。 W總＝Fs＝F×2h＝25×2×1 J＝50 J， W有用＝Gh＝40×1 J＝40 J， 所以機(jī)械效率η＝＝80%； W額外＝W總－W有用＝10 J，G動(dòng)滑輪＝＝10 N。 答案　80%　10 N 　機(jī)械的使用和提高機(jī)械效率的方法 [要點(diǎn)歸納] 1.對(duì)機(jī)械效率的理解 (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

8、高。 (2)機(jī)械效率反映了機(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。提高機(jī)械效率有著十分重要的意義，不僅有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，而且能增強(qiáng)人們的效率意識(shí)。 2.提高機(jī)械效率的方法 (1)減少額外功 ①在保證機(jī)械能夠安全正常工作的前提下，盡量減輕機(jī)械本身的重力，可減少額外功。 ②通過(guò)減少克服摩擦力做功，如加潤(rùn)滑劑，用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦等，來(lái)減少額外功。 (2)增加有用功 當(dāng)額外功一定時(shí)，在機(jī)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(jī)提起重物時(shí)，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。 易錯(cuò)提醒 (1)機(jī)械效率的高低與有用功的多少?zèng)]有直接關(guān)系

9、，物體做的有用功多，機(jī)械效率不一定高。 (2)機(jī)械效率與功率之間沒(méi)有必然聯(lián)系，功率大的物體機(jī)械效率不一定高。 [精典示例] [例2] 如圖3所示，不計(jì)任何摩擦，分別用甲、乙、丙、丁四個(gè)裝置把同一個(gè)物體勻速提升到同一高度，其中機(jī)械效率最小的是(　　) 圖3 A.甲 B.乙 C.丙 D.丁 解析　根據(jù)題目條件可知，設(shè)物體的重力為G，每個(gè)動(dòng)滑輪的重力為G0。在把物體勻速提升到同一高度的過(guò)程中，克服物體重力所做的功等于有用功，四種情況下所做的有用功相同，均為W有用＝Gh。 使用甲裝置時(shí)，拉力所做的總功為W1＝Gh，機(jī)械效率為η1＝1； 使用乙裝置時(shí)，拉力所做的總功為

10、W2＝(G＋G0)×2h＝Gh＋G0h， 機(jī)械效率為η2＝＜1； 使用丙裝置時(shí)，拉力所做的功為 W3＝(G＋G0)×3h＝Gh＋G0h， 機(jī)械效率為η3＝＝η2＜1； 使用丁裝置時(shí)，拉力所做的功為 W4＝(G＋2G0)×5h＝Gh＋2G0h， 機(jī)械效率為η4＝＜η3 由此可以看出，丁的機(jī)械效率最小，故選D。 答案　D [針對(duì)訓(xùn)練3] 有兩個(gè)人利用斜面共同將木箱拉上汽車，為了提高斜面的機(jī)械效率，下列做法中可取的是(　　) A.以較快的速度將木箱勻速拉上汽車 B.以較慢的速度將木箱勻速拉上汽車 C.改由一個(gè)人勻速將木箱拉上汽車 D.板長(zhǎng)不變，改用光滑的斜面板將木箱勻速拉

11、上汽車 解析　無(wú)論是兩人還是一人勻速將木箱拉上汽車，所做的有用功是相同的，都等于木箱的重力與木箱上升高度的乘積。要提高斜面的機(jī)械效率，只有減小額外功，也就是要減小摩擦阻力所做的功。因此，選項(xiàng)D正確，其他選項(xiàng)均錯(cuò)誤。 答案　D 1.(對(duì)機(jī)械效率的理解)(多選)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.做有用功多的機(jī)械，機(jī)械效率不一定高 C.總功一定，有用功多的機(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)械效率就越高 解析　機(jī)械是否省力與機(jī)械效率高低無(wú)關(guān)，A項(xiàng)錯(cuò)誤；機(jī)械效率的高低取決于有用功與總功的比值，選項(xiàng)B、C、D正確。 答案　BCD 2.(

12、機(jī)械效率的求解)某機(jī)械的效率是80%，它對(duì)外做了1 000 J的有用功，這臺(tái)機(jī)械消耗的能量是(　　) A.1 000 J B.800 J C.1 200 J D.1 250 J 解析　由η＝可得，該機(jī)械消耗的總能量W總＝＝ J＝1 250 J，故D正確。 答案　D 3.(機(jī)械的使用及提高機(jī)械效率的方法)如圖4所示，是工人師傅往高處運(yùn)送貨物的兩種方法。物重均為500 N，滑輪重均為10 N，不計(jì)摩擦和繩重，下列說(shuō)法正確的是(　　) 圖4 A.甲圖中的拉力等于乙圖中的拉力 B.甲圖中的拉力小于乙圖中的拉力 C.甲圖中的機(jī)械效率小于乙圖中的機(jī)械效率 D.甲圖中的機(jī)械效

13、率大于乙圖中的機(jī)械效率 解析　題圖甲中利用定滑輪拉貨物，F(xiàn)1＝G貨，題圖乙中利用動(dòng)滑輪拉貨物，F(xiàn)2＝，所以題圖甲中拉力大于題圖乙中拉力，A、B項(xiàng)錯(cuò)誤；題圖甲中人所做總功等于克服貨物重力所做的有用功，為理想機(jī)械，其機(jī)械效率為1，乙圖中人所做總功等于克服貨物重力所做的有用功和克服滑輪重力所做的額外功之和，機(jī)械效率小于1，C項(xiàng)錯(cuò)誤，D項(xiàng)正確。 答案　D 4.(機(jī)械效率的應(yīng)用)一塊長(zhǎng)4 m的木板，一端放在地上，另一端放在離地面1 m 高的汽車車廂上，裝卸工人把一個(gè)重4 000 N的木箱沿著木板勻速推到車廂里，推木箱用的力為木箱重的0.5倍。則： (1)裝卸工人把木箱推上去時(shí)受到的摩擦力是多少？

14、 (2)克服摩擦力做的功是多少？ (3)斜面的機(jī)械效率是多少？ 解析　(1)裝卸工人推木箱的力F＝0.5G＝2 000 N 克服摩擦力所做的功 W額外＝fs＝W總－W有用＝Fs－Gh＝4 000 J 解得f＝1 000 N (2)克服摩擦力做的功W額外＝fs＝4 000 J (3)斜面的機(jī)械效率η＝＝50% 答案　(1)1 000 N　(2)4 000 J　(3)50% 基礎(chǔ)過(guò)關(guān) 1.(2018·本溪高一檢測(cè))關(guān)于功率和機(jī)械效率，下列說(shuō)法中正確的是(　　) A.功率大，機(jī)械效率一定高 B.機(jī)械效率低，功率一定小 C.減小額外阻力可以提高機(jī)械效率 D.減小有用阻

15、力可以提高機(jī)械效率 解析　功率與機(jī)械效率是兩個(gè)不同的物理概念，物理意義不同，沒(méi)有確定的大小關(guān)系，故A、B錯(cuò)誤；減小額外阻力、增大有用阻力，都可以提高機(jī)械效率，故C正確，D錯(cuò)誤。 答案　C 2.(多選)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　機(jī)械不但能夠承擔(dān)人類可以完成的工作，也可以承擔(dān)人類無(wú)法完成的一些工作，故A錯(cuò)誤，B正確；機(jī)械長(zhǎng)時(shí)間正常工作的條件是小于或等于額定功率，反之機(jī)械容易損壞，故C錯(cuò)誤，D正確。

16、 答案　BD 3. (多選)如圖1所示的滑輪組由同樣大、同樣重的一個(gè)定滑輪、一個(gè)動(dòng)滑輪組成，只是繩子繞法不同。分別使用它們將同一重物勻速升高相同的高度，則這兩個(gè)滑輪組中相同的物理量是(　　) 圖1 A.總功 B.有用功 C.繩的拉力 D.機(jī)械效率 解析　兩個(gè)滑輪組繩子繞法不同，只是造成繩子末端拉力F和F′不同及繩子末端發(fā)生的位移不同，但是拉力所做總功是一樣的，而有用功又相同，所以A、B、D均正確，C錯(cuò)誤。 答案　ABD 4.下列關(guān)于機(jī)械效率的說(shuō)法中正確的是(　　) A.機(jī)械效率越高的機(jī)械越省功 B.機(jī)械效率越高的機(jī)械做的有用功越多 C.功的原理只適用于理想機(jī)械

17、D.機(jī)械效率越高的機(jī)械不一定越省力 解析　無(wú)論機(jī)械效率高低，任何機(jī)械都不省功，故A錯(cuò)誤；在總功不變的情況下，機(jī)械效率越高的機(jī)械做的有用功越多，故B錯(cuò)誤；功的原理不僅適用于理想機(jī)械，也適用于普通機(jī)械，故C錯(cuò)誤；機(jī)械效率的高低與機(jī)械省不省力沒(méi)有關(guān)系，故D正確。 答案　D 5.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 .總功一定，增大額外功 C.有用功一定，減小額外功 .額外功一定，減小總功 解析　由η＝＝可知，有用功一定，減小額外功可以提高機(jī)械效率。 答案　C 6. (多選)如圖2所示，用滑輪組提升重物時(shí)，重800 N的物體在10 s內(nèi)勻速上升了1 m。

18、已知拉繩子的力F為500 N，則提升重物的過(guò)程中(　　) 圖2 A.繩子自由端被拉下3 m B.做的有用功是800 J C.拉力F的功率是80 W D.滑輪組的機(jī)械效率是80% 解析　該滑輪組是由兩段繩子承擔(dān)物體的重力，即s＝2h＝2×1 m＝2 m。有用功W有用＝Gh＝800 N×1 m＝800 J，總功W總＝Fs＝500×2 J＝1 000 J，拉力的功率P＝＝＝100 W，滑輪組的機(jī)械效率η＝×100%＝×100%＝80%，由此可知，選項(xiàng)B、D正確。 答案　BD 7.一臺(tái)水泵每秒鐘內(nèi)可把80 kg水揚(yáng)高10 m，若水泵的效率是80%，帶動(dòng)水泵的電動(dòng)機(jī)效率為85%，則下

19、列電動(dòng)機(jī)中的哪一臺(tái)可以帶動(dòng)水泵工作(g取10 m/s2)(　　) A.9.8千瓦的電動(dòng)機(jī) B.12千瓦的電動(dòng)機(jī) C.10千瓦的電動(dòng)機(jī) D.6千瓦的電動(dòng)機(jī) 解析　由題意得：P×t×80%×85%＝mgh 則P＝ W≈11.76 kW。 則B正確，A、C、D錯(cuò)誤。 答案　B 8.一臺(tái)輸入功率為10 kW的電動(dòng)機(jī)，效率為90%，帶動(dòng)一臺(tái)機(jī)械效率為70%的起重機(jī)勻速提升1 t的重物，重物被提升的速率為多少？(g取10 m/s2) 解析　提升重物時(shí)的牽引力F＝mg， 有用功率為P有用＝η1η2P0＝0.9×0.7×104 W＝6.3×103 W P有用＝mgv，所以v＝＝0.63

20、 m/s。 答案　0.63 m/s 能力提升 9.(多選)有甲、乙兩臺(tái)機(jī)械，功率P甲>P乙，機(jī)械效率η甲<η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　機(jī)械所做的功W＝Pt，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＝ηPt，由此可知有用功由η、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；額外功應(yīng)包括克服摩擦阻力和其他額外阻力所做的功，所以效率低的機(jī)械

21、摩擦阻力不一定大，故C錯(cuò)誤；根據(jù)定義式η＝可知，D正確。 答案　AD 10.一滑輪組，不計(jì)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(shí)其機(jī)械效率為80%，則用此滑輪組來(lái)提升一重為2G的貨物時(shí)，其機(jī)械效率將(　　) A.大于80% B.等于80% C.小于80% D.無(wú)法確定 解析　設(shè)當(dāng)提升重為G的貨物時(shí)有用功為W有用，額外功為W額外，則有η＝＝80%；當(dāng)提升重為2G的貨物時(shí)有用功為2W有用，額外功保持不變，仍為W額外，所以有η′＝>80%，故選項(xiàng)A正確。 答案　A 11.風(fēng)力發(fā)電是一種環(huán)保的電能獲取方式。設(shè)計(jì)每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率為40 kW。實(shí)驗(yàn)測(cè)得風(fēng)的動(dòng)

22、能轉(zhuǎn)化為電能的效率約為20%，空氣的密度是1.29 kg/m3，當(dāng)?shù)厮斤L(fēng)速約為10 m/s，問(wèn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片長(zhǎng)度約為多少才能滿足設(shè)計(jì)要求？(動(dòng)能表達(dá)式Ek＝mv2，結(jié)果保留兩位有效數(shù)字) 解析　風(fēng)的動(dòng)能Ek＝mv2， t時(shí)間內(nèi)通過(guò)以葉片為半徑圓的空氣的質(zhì)量m＝ρV＝ρπl(wèi)2vt， 所以發(fā)電功率P＝＝ρπl(wèi)2v3η。得l≈10 m。 答案　10 m 12.2016年，長(zhǎng)江中下游流域遭受大旱，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？(g取9.8 m/s2) 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 W＝mgh＝380×9.8×15 J＝55 860 J， 故水泵的有用功率P有用＝＝ W＝931 W， 根據(jù)η＝×100% 知P總＝＝ W＝1 163.75 W。 答案　1 163.75 W 11