第+三章机械功与机械能

1第＋三章：机械功与机械能功一内容（一）功：（1）功的初步概念：力作用在物体上，物体在这个力的作用下通过了一段距离，这个力就对该物体做了功。功包括两个必要因素：一是作用在物体上的力，二是物体在力的方向上通过的距离。（2）功的计算：功等于力跟物体在力的方向上通过的距离的乘积。公式：功=力×距离，即W=FS。（3）功的单位：国际单位制中功的单位是焦耳，简称焦，符号为J。在国际单位制中力的单位是N，距离的单位是m，功的单位就是Nm，1J=1Nm。（二）功的原理：使用机械时，人们所做的功都等于不用机械而直接用手所做的功，也就是使用任何机械都不省功。这个结论叫做功的原理。要求1.正确理解物理学中“功”的意义：在物理学中，做功是指两个因素同时存在的物理过程，根据功的两个必要因素，下面三种情况没有做功。（1）物体受到力的作用，但没有通过距离，这个力对物体没有做功。（2）物体不受外力，由于惯性而做匀速直线运动，物体虽然通过了一段距离，但物体没有受到力的作用，这种情况也没有做功。（3）物体通过的距离跟它受到力的方向垂直，这种情况，虽然有力的作用，物体也通过一段距离，但这个距离不是在力的方向上通过距离，这个力也没有做功。力和功是物理中的重要概念，是两个实质不同的物理量。2.知道功的原理是一切机械都遵守的普遍规律使用任何机械都不省功，功的原理是对所有机械都普遍适用的原理。不考虑摩擦和机械自重的机械，我们把它叫做理想机械，考虑摩擦和机械自重的机械，又叫做实际机械。在利用功的原理解决简单机械问题时，要区别理想机械和实际机械，采用不同的方法去解答。（三）机械效率1、总功：W总：动力所做的功叫总功2、有用功：对人们有利用价的功3、额外功：对人们没有利用价的功，但又不得不做的功三者之间的关系：额外有用总＋＝、机械效率：有用功跟总功的比值叫机械效率，公式：η＝总有WW＝FsGh5、影响机械效率的因素及提高机械效率的方法同一个滑轮或滑轮组，提起的重物越重，机械效率越高；提起相同的重物，动滑轮越重，或使用动滑轮越多，机械效率越低。6、理解机械效率的意义：（1）机械效率是反映机械性能优劣的主要标志之一，有用功在总功中所占的比例越大，机械对总功的利用率就越高，机械的性能就越好。（2）在计算机械效率时，要注意各物理量名称所表示的意义。（3）因为有用功只占总功的一部分，有用功总小于总功，所以机械效率总小于1。(四)功率1、功率的概念：单位时间里完成的功，叫做功率。功率表示做功的快慢。2、功率的计算：公式P＝tW，P＝F·v3、功率的单位：功率的单位是瓦特。国际单位制中，功的单位是J，时间的单位是s，功率的单位就是J/s。J/s的专用名称叫做瓦特，简称瓦，符号W。1W=1J/S，意思是1s内完成了1J的功。1KW=10³W，1MW=10³KW4、理解功率的物理意义功率是表示做功快慢的物理量，它跟功和时间两个因素有关，并由它们的比值决定。5、.注意机械效率跟功率的区别：机械效率和功率是从不同的方面反映机械性能的物理量，它们之间没有必然的联系。功率大的机器不一定效率高。2动能势能机械能（一）内容1.能：物体具有做做功的本领。能量反映了物体具有做功的本领，能量的大小可以用能够做功的多少来衡量。能量是状态量，做功是过程量。2、动能和势能（1）动能：物体由于运动而具有的能量。一切运动的物体都具有动能。运动物体的速度越大，质量越大，它的动能就越大。（2）势能：势能可分为重力势能和弹性势能。重力势能：物体由于被举高而具有的能量。物体的质量越大，举得越高，它具有的重力势能就越大。弹性势能：物体由于发生弹性形变而具有的能量。物体的弹性形变越大，它具有的弹性势能就越大。（3）机械能：动能和势能统称为机械能。3、动能和势能的转化：动能可以转化为势能，势能也可以转化为动能。4、水能和风能的利用：水能和风能是人类可以利用的巨大的机械能资源。（二）要求1.正确理解能量（能）的概念。具有能量的物体，由于所处的条件不同，可能正在做功，也可能没有做功，但只要它能做功它就具有能量。2.正确理解动能、势能的概念。学习时应注意掌握以下三个方面的知识：动能、势能产生的原因。动能、势能的决定因素。动能、势能的判断与比较方法。3.知道机械能的概念。一个物体可以同时具有动能和势能。把物体的动能和势能相加，就是该物体所具有的机械能。4.知道物体的动能和势能可以相互转化，如果转化过程只局限在动能和势能之间，不涉及其他形式的能，机械能的总量保持不变。1．下列关于机械效率的说法正确的是()A.机械效率可以提高到100％B．机械效率总小于1C．功率大的机械，机械效率高D．机械效率越高，有用功就越多2．如图所示，在50N的水平拉力F作用下,重800Ｎ的物体沿水平地面做匀速直线运动,物体与地面间滑动摩擦力为120Ｎ.则滑轮组的机械效率为_______；若物体的速度为0.2m/s,则1min内拉力做的功为___________J．3．各种机械在使用时产生额外功的原因不完全相同，要根据具体情况具体分析。具体分析右图中三种做功情况(设滑轮规格相同)，产生额外功最多的应是____图。若钩码(m=50g)在三种情况中均被提高1米，各种情况机械做的有用功均为_____，由此可判断出_______图的机械效率最大。(g取10N/Kg)4、工人师傅常利用斜面把重物搬运到汽车上，如图所示，汽车车厢底板高度h=1.5m，斜面长度s＝3m，现用力F沿着斜面把重力G=1800N的重物匀速拉到车上，若不计摩擦，拉力F为_____N；若实际拉力F′＝1200N，则该斜面的机械效率是%5．如图所示，小冯分别用甲、乙两滑轮把同一桶沙从一楼地面提到二楼地面，用甲滑轮所做的总功为W1，机械效率为ηl，用乙滑轮所做的总功为W2，机械效率为η2，若不计绳重与摩擦，则()A．Wl=W2ηl=η2B．W1=W2ηlη2C.W1W2η1η2D．W1W2ηlη26．如图所示，用滑轮组拉着一只木块P沿水平面以0.5m／s的速度匀速向右运动，此时弹簧测力计的读数为4N。若每只滑轮重1N，绳与滑轮间的摩擦不计，则该滑轮组的机械效率为________，在2s内拉力F做的功为__________J。7、从斜面上端滚下的小球，它有没有重力势能?在它下滚的过程中重力势能的大小有没有变化?为什么?在滚下的过程中有没有动能?它的动能有没有变化?为什么?3简单机械（一）杠杆1.定义（1）杠杆：一根硬棒，在力的作用下能绕着固定点转动，这根硬棒就是杠杆。（2）支点：杠杆绕着转动的点。（3）动力：使杠杆转动的力。（4）阻力：阻碍杠杆转动的力。（5）动力臂：从支点到动力作用线的距离。（6）阻力臂：从支点到阻力作用线的距离。2.杠杆的平衡条件动力×动力臂=阻力×阻力臂，或写作2211LFLF，也可写成2112LLFF。杠杆平衡时，动力臂是阻力臂的几倍，动力就是阻力的几分之一。3.杠杆的种类（1）省力杠杆：动力臂大于阻力臂的杠杆。例如：起子、扳子、撬棍、铡刀等。（2）费力杠杆：动力臂小于阻力臂的杠杆。例如：镊子、钓鱼杆，赛艇的船浆等。（3）等臂杠杆：动力臂等于阻力臂的杠杆。例如：天平。省力杠杆省力，但费距离（动力移动的距离较大），费力杠杆费力，但省距离。等臂杠杆不省力也不省距离。既省力又省距离的杠杆是不存在的。（二）滑轮1.定滑轮（1）定义：轴固定不动的滑轮叫定滑轮。（2）原理：定滑轮实质是等臂杠杆，不省力，但能改变力的方向。2.动滑轮（1）定义：轴可以随物体一起移动的滑轮叫动滑轮。（2）原理：动滑轮实质是动力臂（滑轮直径D）为阻力臂（滑轮的半径R）2倍的杠杆。动滑轮省一半力。3.滑轮组（1）定义：由几个滑轮组合在一起使用就叫滑轮组。（2）原理：既利用了动滑轮省一半力又利用了定滑轮改变动力的方向。【典型例题】[例1]在1998年特大洪水中有一运输车车轮被一障碍物阻住（如图1所示）。为让运输物资及时送到指定地点，附近民工立即跑来帮助推车轮。设车对轮子的作用力及轮子重力共为G，方向如图，轮子直径为R，障碍物高度为H，民工作用最省力的方向应指向何处，作用力最小应为多少才能将车轮推上台阶。4G图1解析：民工推轮子的过程中，支点为轮子与障碍物的接触点，阻力G与阻力臂的乘积一定，故当动力臂最大时，民工作用力最小。答案：最省力的方向如图2，由杠杆平衡条件有：RFHRRG2)(22GRHRHF222FG图2拓展延伸：解此类题时要利用杠杆平衡条件：动力乘动力臂等于阻力乘阻力臂，找出最大动力力臂，即可求出最小动力。[例2]在轻质杆两端各挂有体积相同的铜块A和铝块B)(铝铜，支点在如图3所示的O点位置时，杠杆在水平位置保持平衡，则在下列情况下，杠杆仍在水平位置平衡的方法是（）A.在AB上同时放上质量相等的两物块B.将AB同时浸没在同一液体中C.在AB上同时切去体积相同的一小部分D.将A，B同时向支点O移动一小段相同的距离CDOAB图3解析：杠杆平衡时有ODBOCAgLmgLm，由题设知gmgmBA，OCODLL，OCODBALLmm//，选项A中ODBOCAgLmmgLmm)()(，选项B中两物体所受浮力相等，故ODBOCALFgmLFgm)()(浮浮，选项C中，切去相等体积后剩余体积V相同，故有：OCODLLVVVgVggmgm铝铜铝铜铝铜铝铜选项D中LLLLgmgmOCODBA答案：C方法提炼：在解答杠杆平衡的习题中，要抓住杠杆平衡条件，列出方程，进行数学变换，再根据新的等量关系得出正确答案。[例3]一支步枪长0.8m，火药爆炸时高压气体对子弹的平均推力是2000N，子弹在离开枪口后又在空中飞行了500m，高压气体对子弹做功多少？解析：在枪膛中高压气体推力对子弹做功，离开枪口后不再受气体推力，子弹飞行500m是由于惯5性，故高压气体不再做功。答案：高压气体对子弹做功JJFsW16008.02000方法提炼：解物理过程复杂的物理题时常将复杂的物理过程看成一个个简单的物理过程的组合。本题将子弹的运动过程看成子弹在枪膛内推力推子弹做功的过程和子弹离开枪口后子弹靠惯性运动，没有推力对子弹做功的过程。[例4]把一只长试管分两种情况分别放在有水的容器中压向容器底同一深度。第一次试管底向上如图3甲，第二次试管底向下如图3乙，哪种情况下把试管压下所需的功比较多？（容器中水并不溢出，当试管底向下时水不流入试管中）甲乙图3解析：当把试管压向容器底时用力等于浮力减去试管重力。在甲情形中试管里的空气受到压缩后一部分水进入试管中，因此在甲情形中试管所受浮力小于乙情形中试管受到的浮力。答案：把试管压入水中时压力等于浮力减重力。且甲情形中气体可压缩，即甲所受浮力小于乙所受浮力。所以在乙情形中把试管压向容器底所做的功多。易错分析：常认为两种情况下试管所受浮力相等，即在两种情况下，试管的压力相等，故做功相等。[例5]一个重力为10N的物体在1.5N的水平拉力作用下，第一次在光滑水平面上移动0.5m，第二次在表面粗糙的水平面上移动0.5m，求在这两次情况下拉力所做的功。解析：根据功的定义，拉力所做的功等于拉力与在拉力方向上通过的距离的乘积，与表面是否粗糙无关。答案：JJFsW75.05.05.1易错分析：解此类题中常认为在粗糙水平面上物体受摩擦力，故拉力做功多。[例6]某人用图4所示的滑轮组吊起一个重1000N的物体。滑轮组的机械效率为80%。他在1min内使绳子自由端移动8m。求此人的总功率为多大？F图4解析：因此滑轮组有5段绳子承力，克服重力做功为有用功，绳子拉力做功为总功。答案：因为FhGh5，所以NGF250%80510005JJFsW20008250总，WWtWP3.33602000总总6方法提练：弄清滑轮组动滑轮上有n段绳子承受重力，绳的拉力做功为总功，重力做功为有用功，再根据功、机械效率公式即可得出正确答案。【模拟试题】一.选择题1.如图1所示，一根重木棒在水平拉力F作用下以O为轴，由竖直位