内容正文:
第2节 功 率
【素养目标】
物理观念
理解功率概念及额定功率和实际功率的定义。
科学思维
从功率概念的定义,体会用比值方法建立物理概念的方法。
科学态度与责任
通过功率概念建立的探究过程,培养学生敢于发表自己观点,坚持原则,善于合作的良好习惯及学以致用的思想。
一、功率的含义
1.定义:力所做的功W与完成这些功所用的时间t之比。
2.定义式:P=。
3.单位:在国际单位制中,功率的单位为瓦特,简称瓦,符号是W。1 W=1 J/s,1 kW=103 W。
二、常见机械的功率
1.额定功率:动力机械可以长时间工作的最大允许功率。
2.实际功率:机械工作时实际输出的功率。
三、功率与力、速度的关系
1.关系:一个沿着物体位移方向的力对物体做功的功率,等于这个力与物体速度的乘积。
2.公式:P=Fv
(1)若v是平均速度,则对应的功率P=Fv是t时间内的平均功率。
(2)若v是瞬时速度,则对应的功率P=Fv是该时刻的瞬时功率。
3.应用:由公式P=Fv可知,当功率P一定时,力F与物体运动的速率v成正比。例如,机械正常工作时的功率通常是一定的。车床在切削硬的工件时需要用较大的力,因此要降低车床的运转速度。当速度v一定时,力F与功率P成正比。例如,汽车上坡时、司机可通过加大油门,提高发动机的输出功率来增大牵引力。
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1.判断正误
(1)功率大表示做功快,做的功一定多。( × )
(2)功率小的机器做功慢。( √ )
(3)速度大的运动物体功率一定大。( × )
(4)汽车的速度越大,功率一定越大。( × )
(5)机械发动机铭牌上的功率指实际功率。( × )
(6)机车发动机的功率是指牵引力的功率。( √ )
2.链接实景
如图,泰山挑山工和缆车将相同的货物运至山顶,两者对货物做的功相同吗?做功的快慢相同吗?
提示: 做功相同,做功的快慢不相同
知识点一 对功率的理解
如图所示,某部队正用吊车将一台坦克车从码头上吊起装上舰船。
(1)将质量为m的坦克车以速度v匀速吊起,坦克车在t时间内匀速上升h高度。怎样计算吊车的功率?其瞬时功率是多少?
提示:吊车对坦克车做的功W=mgh,功率P==;P瞬=Fv=mgv。
(2)若坦克车在相同的时间t内,从静止开始以加速度a匀加速上升高度h时,该过程中吊车的平均功率是多少?其瞬时功率是多少?
提示:该过程中吊车的平均功率为P===;其瞬时功率为P瞬=Fv=(mg+ma)at。
1.公式P=和P=Fv的比较
项目
P=
P=Fv
适用条件
(1)功率的定义式,适用于任何情况下功率的计算,一般用来求平均功率
(2)当时间t→0时,可由定义式确定瞬时功率
(1)功率的计算式,仅适用于F与v同向的情况,一般用来求瞬时功率
(2)当v为平均速度时,所求功率为平均功率
联系
公式P=Fv是P=的推论
2.应用公式P=Fv解题的技巧和要点
(1)若F的方向与v的方向的夹角为α,由W=Fs cos α、P=得功率应为P=Fv cos α。计算功率时必须考虑作用力F与物体运动方向v的夹角。
(2)公式P=Fv一般用来计算瞬时功率,但如果F为恒力,v取平均速度,此式也可用来计算平均功率。
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一台起重机将静止在地面上、质量为m=1.0×103 kg的货物匀加速竖直吊起,在2 s末货物的速度v=4 m/s。(g取10 m/s2,不计额外功)求:
(1)起重机在这2 s内的平均功率;
(2)起重机在2 s末的瞬时功率。
解析: 设货物所受的拉力为F,加速度为a,则
(1)由v=at得,a=2 m/s2
F=mg+ma=1.0×103×10 N+1.0×103×2 N=1.2×104 N
2 s内货物上升的高度h=at2=4 m
起重机在这2 s内对货物所做的功
W=F·h=1.2×104×4 J=4.8×104 J
起重机在这2 s内的平均功率
P===2.4×104 W。
(2)起重机在2 s末的瞬时功率
P瞬=Fv=1.2×104×4.0 W=4.8×104 W。
答案: (1)2.4×104 W (2)4.8×104 W
计算功率应该注意的问题
(1)首先应该明确所求的功率是平均功率还是瞬时功率,计算平均功率与瞬时功率选择的公式不同。
(2)求平均功率时,应明确是哪一段时间内的平均功率;求瞬时功率时,应明确是哪一时刻的瞬时功率。
(3)应该明确是哪一个力对物体做功的功率,是动力还是阻力,是恒力还是变力等。不同情况应选择不同的公式。
针对练1.(多选)质量为3 kg的物体,从高45 m处自由落下(g取10 m/s2),那么在下落的过程中( )
A.前2 s内重力做功的功率为300 W
B.前2 s内重力做功的功率为675 W
C.第2 s末重力做功的功率为600 W
D.第2 s末重力做功的功率为900 W
AC [前2 s物体下落h=gt2=20 m,重力做功的功率P1==300 W,A正确,B错误;2 s末物体的速度v=gt=20 m/s,此时重力的功率P2=mgv=600 W,C正确,D错误。]
针对练2.如图所示,质量为m=2 kg的木块在倾角为θ=30˚的斜面上由静止开始下滑,斜面足够长,木块与斜面间的动摩擦因数为μ=,g=10 m/s2。求:
(1)前2 s内重力做的功;
(2)前2 s内重力做功的平均功率;
(3)2 s末重力做功的瞬时功率。
解析: (1)对木块由牛顿第二定律可得mg sin θ-μmg cos θ=ma
代入数据解得a=1.25 m/s2
前2 s内的位移大小为s=at2=××22 m=2.5 m
前2 s内重力做的功W=mgssin 30˚=2×10×2.5×0.5 J=25 J。
(2)重力的平均功率为== W=12.5 W。
(3)2 s末重力做功的瞬时功率P=mg sin 30˚×v
2 s末的速度为v=at=1.25×2 m/s=2.5 m/s
联立可得P=25 W。
答案: (1)25 J (2)12.5 W (3)25 W
知识点二 机车的两种启动问题
机车启动通常有两种方式,即以恒定功率启动和以恒定加速度启动。分析的理论依据是机车功率P=Fv。
(1)用公式P=Fv研究汽车启动问题时,力F是什么力?
提示:F是汽车的牵引力。
(2)以恒定功率启动时,汽车的加速度变化吗?做什么运动?
提示:汽车以恒定功率启动,根据P=Fv,v增大,F减小,加速度减小,故加速度变化,汽车做变加速运动。
(3)汽车匀加速启动的过程能否一直持续下去?
提示:不能。汽车匀加速启动,F不变,v增大,P增大。当P=P额时,匀加速运动结束。
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1.两种启动方式的过程分析
以恒定功率启动
以恒定牵引力启动
Pt图像和v t图像
OA段
过程分析
v↑⇒F=↓⇒a=↓
a=不变⇒F不变P=Fv↑直到P=P额=Fv1
运动性质
加速度减小的加速直线运动
匀加速直线运动,维持时间t0=
AB段
过程分析
F=F阻⇒a=0⇒F阻=
v↑⇒F=↓⇒a=↓
运动性质
以vm做匀速直线运动
加速度减小的加速运动
BC段
无
F=F阻⇒a=0⇒F阻=,以vm做匀速直线运动
2.机车启动问题中几个物理量的求法
(1)机车的最大速度vmax的求法:机车达到匀速前进时速度最大,此时牵引力F等于阻力F阻,故vmax==。
(2)匀加速启动最长时间的求法:牵引力F=ma+F阻,匀加速的最后速度v1=,时间t=。
(3)瞬时加速度的求法:据F=求出牵引力,则加速度a=。
(2022·河北省唐山市高一下期中)某汽车发动机的额定功率为60 kW,汽车质量为1.5 t,汽车在运动中所受阻力的大小恒为车重的0.1倍。g取10 m/s2,求:
(1)汽车所能达到的最大速度;
(2)当汽车以额定功率启动,速度达到5 m/s时的加速度;
(3)当汽车以大小为1 m/s2的恒定加速度启动时,其匀加速过程维持的时间。
解答该题应注意以下问题
(1)汽车达到最大速度时牵引力等于阻力。
(2)匀加速运动时牵引力恒定,且可用牛顿定律求解。
(3)匀加速运动结束时汽车达到额定功率。
解析: (1)当汽车的加速度为零时,汽车的速度v达到最大值vmax此时牵引力与阻力相等,故最大速度为:vmax==40 m/s。
(2)由功率公式:P=F1v,F1-F阻=ma得速度v=5 m/s时的加速度为:
a==-=7 m/s2。
(3)当汽车以a′=1 m/s2的加速度启动时,匀加速运动所能达到的最大速度为
v1===20 m/s,由于此过程中汽车做匀加速直线运动,满足:v1=a′t,故匀加速过程能维持的时间:t==20 s。
答案: (1) 40 m/s (2)7 m/s2 (3)20 s
如图所示为修建高层建筑常用的塔式起重机,在起重机将质量m=5×103 kg的重物竖直吊起的过程中,重物由静止开始向上做匀加速直线运动,加速度a=0.2 m/s2,当起重机输出功率达到其允许的最大值时,保持该功率直到重物做vmax=1.02 m/s的匀速运动。g取10 m/s2,不计额外功。求:
(1)起重机允许的最大输出功率;
(2)重物做匀加速运动所经历的时间和起重机在第2 s末的输出功率。
解析: (1)设起重机允许的最大输出功率为P0,重物达到最大速度时拉力F0等于重力,有P0=F0vmax,F0=mg
代入数据得P0=5.1×104 W。
(2)匀加速运动结束时,起重机达到允许的最大输出功率,设此时重物受到的拉力为F,速度为v1,匀加速运动经历的时间为t1,有P0=Fv1,F-mg=ma,v1=at1
代入数据得t1=5 s,
t=2 s时,重物处于匀加速运动阶段,设此时速度为v2,输出功率为P,有v2=at,P=Fv2
代入数据得P=2.04×104 W。
答案: (1)5.1×104 W (2)5 s 2.04×104 W
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分析汽车启动类问题时,必须注意以下三点
(1)明确汽车的启动方式,是以恒定功率启动,还是以恒定加速度启动。
(2)抓住两个基本公式:功率P=Fv(P是汽车的实际功率,F是汽车的牵引力,v是汽车的速度);根据牛顿第二定律有F-F阻=ma(F阻是汽车受到的阻力)。
(3)正确分析汽车启动过程中各物理量在各个阶段(如匀加速运动阶段、变加速运动阶段、匀速运动阶段)的变化情况。
针对练1.汽车在平直公路上以速度v0匀速行驶,发动机功率为P,快进入闹市区时,司机减小了油门,使汽车的功率立即减小一半并保持该功率继续行驶。汽车所受阻力大小不变,下面四个图中,哪个图像正确表示了从司机减小油门开始,汽车的速度与时间的关系( )
C [汽车在匀速行驶时牵引力等于阻力,而当功率减半时速度不变,由此可知牵引力减半,故阻力大于牵引力,车将减速,因功率恒定,故做变减速运动,而牵引力变大,由a=知加速度逐渐减小,当牵引力等于阻力后,汽车将做匀速运动,由以上分析可知C正确。]
针对练2.在水平路面上运动的汽车的额定功率为100 kW,质量为10 t,设阻力恒定,且为车重的0.1,(g取10 m/s2)
(1)求汽车在运动过程中所能达到的最大速度。
(2)若汽车以0.5 m/s2的加速度从静止开始做匀加速直线运动,这一过程能维持多长时间?
(3)若汽车以额定功率从静止启动后,当汽车的加速度为2 m/s2时,速度多大?
解析: (1)当汽车速度最大时,a1=0,F1=F阻,P=P额
故vmax== m/s=10 m/s。
(2)汽车从静止开始做匀加速直线运动的过程中,a2不变,v变大,P也变大,当P=P额时,此过程结束。
F2=F阻+ma2=(0.1×104×10+104×0.5) N=1.5×104 N
v2== m/s≈6.7 m/s
则t== s=13.4 s。
(3)F3=F阻+ma3=(0.1×104×10+104×2) N=3×104 N
v3== m/s≈3.3 m/s。
答案: (1)10 m/s (2)13.4 s (3)3.3 m/s
1.(多选)(2022·陕西西安高一检测)关于功率公式P=和P=Fv,下列说法正确的是( )
A.由于力F和速度v均为矢量,故根据公式P=Fv求得的功率P为矢量
B.由公式P=Fv可知,若功率保持不变,则随着汽车速度增大汽车所受的牵引力减小
C.由公式P=Fv可知,在牵引力F一定时,功率与速度成正比
D.由P=可知,只要知道W和t就可求出任意时刻的功率
BC [虽然力F和速度v均为矢量,但是功率P为标量,故A错误;由公式P=Fv可知,若功率保持不变,则随着汽车速度增大,汽车所受的牵引力减小,当速度达到最大值时,牵引力最小,故B正确;由P=Fv可知,当牵引力不变时,汽车牵引力的功率一定与它的速度成正比,故C正确;根据P=只能计算平均功率的大小,所以只要知道W和t就可求出时间t内的平均功率。故D错误。]
2.(2022·山东省青岛市高一期中)如图所示,质量为50 kg的同学在做仰卧起坐运动。若该同学上半身的质量约为全身质量的,她在1 min内做了50个仰卧起坐,每次上半身重心上升的距离均为0.3 m,则她克服重力做的功W和相应的功率P约为( )
A.W=4 500 J P=75 W
B.W=450 J P=7.5 W
C.W=3 600 J P=60 W
D.W=360 J P=6 W
A [每次上半身重心上升的距离均为0.3 m,则她每一次克服重力做的功:W=mgh=×50×10×0.3=90 J,1分钟内克服重力所做的功:W总=50W=50×90=4 500 J;相应的功率约为:P===75 W,故A正确,B、C、D错误。]
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3.一质量为m的木块静止在光滑的水平地面上,大小为F、方向与水平面成θ角的恒力作用在该木块上,经过时间t,力F的瞬时功率为( )
A. B.
C. D.
A [对木块受力分析可知,木块受重力、支持力和力F的作用,由牛顿第二定律可得,F cos θ=ma,所以a=,t时刻的速度为v1=at=,所以瞬时功率P=Fv1cos θ=,A正确。]
4.质量为2×103 kg 的汽车,发动机的额定功率为3×104 W。在水平公路上行驶受到阻力恒为车重的0.1,g取10 m/s2。
(1)求汽车行驶的最大速度。
(2)若汽车从静止开始保持2 m/s2的加速度做匀加速直线运动,则这一过程能持续多长时间?
解析: (1)汽车行驶的最大速度:
vmax===15 m/s。
(2)由F-F阻=ma,代入数据得F=6 000 N,
此时由P=Fv得v=5 m/s,
由v=at得t=2.5 s。
答案:(1)15 m/s (2)2.5 s
课时精练(二) 功 率
(本栏目内容,在学生用书中以独立形式分册装订!)
[基础达标]
1.(多选)关于力对物体做功的功率,下面几种说法中正确的是( )
A.力对物体做功越多,这个力的功率就越大
B.力对物体做功的时间越短,这个力的功率就越大
C.力对物体做功少,其功率可能很大;力对物体做功多,其功率也可能较小
D.功率是表示做功快慢而不是表示做功多少的物理量
CD [功率P=,表示单位时间内所做的功。当t一定时,W越大,P越大,当W一定时,t越小,P越大,可见P由W、t共同决定,只强调一个因素的说法是错误的,故A、B错误;如果W较小,但当t更小时,P就可能很大;如果W较大,但当t更大时,P就可能较小,故C正确;由P=知P是表示做功快慢的物理量,P越大表示单位时间内 做功越多,即做功越快,故D正确。]
2.(多选)关于额定功率与实际功率,下列说法中正确的是( )
A.正常条件下可以长时间工作的功率叫额定功率
B.机器在工作时发动机实际输出的功率叫实际功率
C.实际功率可以小于额定功率,但绝不能大于额定功率
D.机器的实际功率可能会暂时超过额定功率,但不能长时间工作
ABD [由额定功率和实际功率的定义可知A、B正确,实际功率通常比额定功率要小,但可能会短时间超过额定功率,故C错误,D正确。]
3.如图所示,物体A、B质量相同,A放在光滑的水平面上,B放在粗糙的水平面上,在相同的力F作用下,由静止开始都通过了相同的位移s,那么( )
A.力F对A做功较多,做功的平均功率也较大
B.力F对B做功较多,做功的平均功率也较大
C.力F对A、B做的功和做功的平均功率都相同
D.力F对A、B做功相等,但对A做功的平均功率较大
D [由W=Fs知,两种情况下,力F做功相等,但在光滑水平面上用时少,由P=知,在光滑水平面上平均功率较大,故D正确。]
4.一小球由静止释放,不计空气阻力,小球在空中运动的过程中重力做功的功率P随时间t变化的图像是( )
A [设经过时间t速度大小为v,由功率公式P=Fv知,此时重力的功率P=mgv=mg·gt=mg2t,所以A正确。]
5.(2022·上海静安高一期中)京沪杭高铁综合试验运行最高时速达到486.1 km/h,刷新了世界纪录,铁路提速再次引起世人的关注。铁路提速要解决许多具体的技术问题,其中提高火车牵引力功率是一个重要问题,假设匀速行驶时,火车所受阻力与速度的平方成正比,那么当火车分别以150 km/h 和50 km/h的速率在水平轨道上匀速行驶时,火车的牵引力功率之比为( )
A.3∶1 B.9∶1
C.27∶1 D.81∶1
C [由题意知,火车所受阻力为F阻=kv2,而火车匀速行驶时,火车的牵引力大小等于其所受阻力,则火车的牵引力的功率P=kv3,故功率之比为27∶1,所以C正确。]
6.(2022·黑龙江大庆高一下学期期中)如图所示,质量相同的两物体从同一高度由静止开始运动,A沿着固定在地面上的光滑斜面下滑,B做自由落体运动。两物体分别到达地面时,下列说法正确的是( )
A.重力的平均功率>
B.重力的平均功率=
C.重力的瞬时功率PA=PB
D.重力的瞬时功率PA<PB
D [物体B做自由落体运动,运动时间tB=,A做匀加速直线运动,a=g sin θ,根据=g sin θ·t2得,tA=,重力做功相等,根据=知,A<B,故A、B错误。根据动能定理,mgh=mv2得,物块到达底端时的速度v=。A物体重力的瞬时功率PA=mgv sinθ,B物体重力的瞬时功率PB=mgv.则PA<PB。故D正确,C错误。]
7.质量为1.5×103 kg的汽车以某一恒定功率启动后沿平直路面行驶,且行驶过程中受到的阻力恒定,汽车能够达到的最大速度为30 m/s。若汽车的速度大小为10 m/s时的加速度大小为4 m/s2,则该恒定功率为( )
A.90 kW B.75 kW
C.60 kW D.4 kW
A [汽车以恒定的功率启动,由牛顿第二定律F-F阻=ma和功率Pmax=Fv联立可得-F阻=ma,当速度为10 m/s时的加速度大小为4 m/s2,即:-F阻=4 m,而汽车达到最大速度时加速度为零,有:=F阻,联立两式解得:Pmax=60m=60×1.5×103 W=90 kW,故A正确。]
8.(2022·福建宁德期末)如图所示,某同学到超市购物,用大小为20 N、方向与水平成60˚角斜向上的拉力F拉购物篮,以1 m/s的速度v匀速前进。求:
(1)前进6 s内拉力所做的功W;
(2) 6 s末拉力做功的功率P。
解析: (1)6 s内购物篮前进的位移s=vt
拉力对购物篮做的功为W=Fs cos θ
解得W= 60 J。
(2)根据P=Fv cos θ,解得P=10 W。
答案: (1) 60 J (2)10 W
[能力提升]
9.(多选)(2022·重庆渝中区中学期中)发动机额定功率为P0的汽车在水平路面上从静止开始先匀加速启动,最后达到最大速度并做匀速直线运动,已知汽车所受路面阻力恒为F,汽车刚开始启动时的牵引力和加速度分别为F0和a0,如图所示描绘的是汽车在这一过程中速度随时间以及加速度、牵引力和功率随速度变化的图像,其中正确的是( )
AC [汽车匀加速启动时,a一定,根据v=at知v增大,根据F=ma+F阻知F一定,根据P=Fv知,功率P也均匀增大,达到P额后,功率保持不变,由v继续增大,牵引力减小,当F=F阻时,a=0,速度达到最大,之后匀速,故A、C正确。]
10.(多选)一辆汽车在水平路面上由静止启动,在前5 s内做匀加速直线运动,5 s末达到额定功率,之后保持额定功率运动,其vt图像如图所示。已知汽车的质量为m=2×103 kg,汽车受到阻力为车重的0.1,g取10 m/s2,则( )
A.汽车在前5 s内的牵引力为3×103 N
B.汽车在前5 s内的牵引力为6×103 N
C.汽车的额定功率为60 kW
D.汽车的最大速度为60 m/s
BC [汽车受到的阻力为F阻=0.1×2×103×10 N=2×103 N,前5 s内,由图知a=2 m/s2,由牛顿第二定律可知F-F阻=ma,求得汽车的牵引力为F=F阻+ma=6×103 N,故B正确,A错误;t=5 s末功率达到额定功率,汽车的额定功率为P=Fv=6×104 W=60 kW,故C正确;当牵引力等于阻力时,汽车达最大速度,则最大速度vmax==30 m/s,故D错误。]
11.(多选)(2022·河南洛阳高一期中)如图甲所示,物体受到水平推力F的作用在粗糙水平面上做直线运动。监测到推力F、物体速度v随时间t变化的规律如图乙、丙所示。取g=10 m/s2,则( )
A.第1 s内推力做功为1 J
B.第2 s内摩擦力做的功为W=2.0 J
C.第1.5 s时推力F的功率为3 W
D.第2 s内推力F做功的平均功率P=3 W
CD [由vt图可知第1 s内物体速度为零没有运动,所以推力做的功为零,A错误;由vt图和Ft图可知第3 s内物体匀速,则f=F=2 N,第2 s内位移为1 m,由Wf=-fs=-2×1 J=-2.0 J,则B错误;1.5 s时的瞬时速度为1 m/s,推力为3 N,则由P=Fv=3×1 W=3 W,C正确;第2 s内的推力为3 N,第2 s内物体做匀加速直线运动平均速度为1 m/s,由P=F=3×1 W=3 W,D正确。]
12.近年来,被称为“绿色环保车”的电动车成了不少市民购买的首选,电动车在出厂时都要进行检测,在检测某款电动车性能的实验中,质量为8×102 kg的电动车由静止开始沿平直公路行驶,达到的最大速度为15 m/s,利用传感器测得此过程中不同时刻电动车的牵引力F与对应的速度v,并描绘出F图像,如图所示(图中AB、BO均为直线)。假设电动车行驶中所受阻力恒定,求此过程中:
(1)电动车的额定功率;
(2)电动车由静止开始运动,经过多长时间,速度达到2 m/s?
解析: 由F图像知,AB段对应电动车加速过程中保持牵引力F=2 000 N恒定不变,即做匀加速直线运动;BO段中直线的斜率k==Fv保持恒定不变,对应电动车在这一阶段以额定功率加速行驶。
(1)当电动车达到最大速度vmax=15 m/s时,电动车的牵引力F=F阻=400 N,其中F阻为地面对电动车的阻力。
所以电动车的额定功率P=F阻vmax=400×15 W=6 000 W。
(2)电动车匀加速行驶过程中的加速度a== m/s2=2 m/s2,
电动车刚达到额定功率时其速度v== m/s=3 m/s,之后它将做加速度减小的变加速运动。
故当电动车的速度v′=2 m/s时,正处于匀加速阶段,则这一过程所用时间t== s=1 s。
答案: (1)6 000 W (2)1 s
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