内容正文:
24
专题特训(三) 功、功率与机械效率的综合计算
▶
“答案与解析”见P13
答案讲解
类型一 杠杆类
1.
如图所示,小明用一均匀杠杆OB 将
重为12N的货物匀速提升0.1m,
已知AB 长1m,AO 长0.2m,小明
所用拉力方向始终竖直向上,大小为3N.
(1)
求小明做的有用功.
(2)
求杠杆的机械效率.
(3)
若杠杆的重心位于杠杆OB 的中点,且不
计转轴O 处的摩擦,求杠杆的自重.
(第1题)
类型二 斜面类
2.
(2023·荆州)在某场地建设过程中,工人利
用长度s=3m的斜面把质量为240kg的重
物匀速推到h=1m的高处,如图所示,工人
所用推力F=1000N.g取10N/kg.
(1)
求推力做的有用功.
(2)
求斜面的机械效率.
(3)
工人将另一质量为300kg的重物匀速推
到同一高度,为了省力,换用长度为5m的斜
面,此时重物与斜面间的摩擦力与原来的摩
擦力之比为6∶5,共用时20s,求工人推力做
功的功率.
(第2题)
类型三 滑轮组类
3.
如图所示,质量为50kg的小龙站在水平高台
上,通过滑轮组竖直向上匀速提升重为600N
的物体.已知小龙对绳的拉力F 为250N,物
体在10s内上升了1m,假设整个拉动过程
中拉力方向始终竖直向上,不计绳重和摩擦.
(g取10N/kg)
(1)
物体克服重力做的功为多少?
(2)
此过程中滑轮组的机械效率为多少?
(3)
此动滑轮的重力为多少?
(4)
若小龙用该滑轮组提升重物的最大机械
效率为90%,则滑轮组的机械效率最大时,小
龙对水平高台的压力是多大?
(第3题)
物理(苏科版)九年级上
25
类型四 组合机械类
4.
建筑工人向楼上运送货物,为了省力,他在一
个斜面上安装了一个滑轮组,做成如图所示
的机械装置,斜面的倾角为30°且固定在水平
面上.工人用375N的力拉绳子,重为600N
的货物沿斜面匀速向上运动20m所用的时
间为40s,在此过程中工人做的有用功为
J,该装置的机械效率为 .
(第4题)
(第5题)
答案讲解
5.
如图所示,某建筑工地上,工人通过
固定在斜面顶端的两个定滑轮和一
个动滑轮把工件匀速拉上斜面.已
知斜面高h=6m,长L=10m,工人施加的
拉力F=600N,工件的质量m=250kg,工
件沿斜面上升的速度v=0.5m/s;若不计工
件和滑轮组长度,忽略绳和动滑轮的重力及
绳与滑轮间、滑轮与轮轴间的摩擦,g 取
10N/kg.求:
(1)
拉力F 做功的功率P.
(2)
整个装置的机械效率η.
(3)
工件所受斜面的摩擦力f.
6.
如图所示,轻质杠杆AB 能绕固定点O 在竖
直平面内转动,水平地面上重力为500N的
配重N 通过竖直的细绳系在杠杆的B 端.圆
柱形物体 M 的重力为1.5×103N、体积为
0.06m3,每个滑轮的重力相同,均为60N,
AO∶OB=2∶5.使用过程中,圆柱形物体M
始终保持匀速上升,杠杆始终在水平位置平
衡.不计绳重、绳与滑轮间的摩擦,不考虑水的
阻力,求:(g取10N/kg,ρ水=1.0×103kg/m3)
(1)
物体M 在上表面未露出水面时受到的
浮力.
(2)
物体M 浸没在水中匀速上升时,滑轮组
的机械效率.
(3)
人的质量为50kg时,配重N 对地面的
最小压力.
(第6题)
第十一章 简单机械和功
可比性,因此,不能得出结论.
如何对实验进行评估
对实验结论进行评估时,主要
考虑实验方法是否科学,实验步骤
是否合理,实验结论是否具有普
遍性.
5.
(1)
匀速上升 (2)
0.54 74.1%
(3)
变小 动滑轮的重力和上升高度
不变,克服动滑轮重所做的额外功不
变,克服摩擦所做的额外功增大,总的
额外功增大 (4)
增加物重 0.
8
[解析](1)
在缓慢提升物体时,还需
克服机械摩擦做功,所以为了测量滑
轮组提升物体时的机械效率,需在缓
慢匀速提升时读数.(2)
第3次实验
时,拉力所做的功W总=Fs=1.8N×
30×10-2m=0.54J,拉力做的有用
功W有用=Gh=4
N×10×10-2
m=
0.4J,滑轮组的机械效率η=
W有用
W总 ×
100%= 0.4J0.54J×100% ≈74.1%.
(3)
因为动滑轮的重力和上升的高度
不变,因此由W动=G动h可知,同一滑
轮组提升不同重物至同一高度,物重
增大,克服动滑轮重所做的额外功不
变;根 据 表 中 数 据 可 知 W额外1 =
W总1-W有用1=0.6N×0.3m-1N×
0.1m=0.08J;W额外2 =W总2 -
W有用2=1.0N×0.3m-2N×
0.1m=0.1J;W额外3 =
W总3 -
W有用3=1.8N×0.3m-4N×
0.1m=0.14J;显然克服滑轮组所做
的额外功变大,因此克服滑轮转轴处
摩擦所做的额外功变大,所以在所有
额外功中,克服动滑轮重所做的额外
功的占比变小.(4)
通过分析表中数
据可知,物重增大,滑轮组的机械效率
增大,故要提高同一滑轮组的机械效
率,可以增大物重;第1次实验时,做
的额外功最小,假设不计摩擦和绳重,
则动滑轮的重G轮 =3F-G=3×
0.6N-1N=0.8N,实际情况下小明
所用动滑轮的重一定小于0.8N.
6.
(1)
9.00 (2)
②
校零 0.3
③
0.3 60% (3)
①
无关 ②
120
[解析](1)
刻度尺上1cm 之间有
10个小格,所以一个小格代表的长度
是0.1cm=1mm,即此刻度尺的分度
值为1mm,使刻度尺零刻度线与水
平 地 面 对 齐,B 点 所 处 的 高 度 为
9.00cm.(2)
②
弹簧测力计使用前指
针要指向零刻度线,如果未指向零刻
度线,需要校零;由图乙可知,弹簧测
力计的分度值是0.02N,弹簧测力计
的示数为0.3N.③
将小车从A 点拉
到B 点的过程中,拉力做的功W总=
Fs=0.3N×1m=0.3J;利用斜面将
小车从水平地面提升到B 点时所做
的有 用 功 W有用 =Gh=2.0N×
9.00×10-2m=0.18J;机械效率η=
W有用
W总 ×100% =
0.18J
0.3J×100% =
60%.(3)
①
由图丙可读出当小车和
重物的总重G 增大到5N时,拉小车
从A 点到B 点所做的功W1=0.75J,
竖直向上将小车从水平地面提升到B
点所做的功W2=0.45J,利用斜面将
小车从水平地面提升到B 点的机械
效率η'=
W2
W1 ×100%=
0.45J
0.75J×
100%=60%,η'=η,所以由图丙可
知,用该通道斜面提升物体时的机械
效率与物重无关.②
这位父亲和所坐
轮椅的总重力G总=m总g=(60kg+
20kg)×10N/kg=800N,中年人用
沿着通道斜面方向的力推着轮椅匀速
上坡时,从A 点到B 点所做的有用功
W有用'=G总h=800N×9.00×
10-2m=72J;由η=
W有用
W总 ×100%
得,中年人用沿着通道斜面方向的力
推着轮椅匀速上坡时,从A 点到B 点
所做的总功W总'=
W有用'
η
=72J60%=
120J;由W=Fs得,力的大小F'=
W总'
s =
120J
1m=120N.
对影响斜面机械效率
因素的认知
利用斜面工作时,做额外功的
原因只有一个:克服斜面对物体的
摩擦力.影响斜面机械效率的两个
因素是斜面的粗糙程度和斜面的
倾斜程度,和物重无关,这一点应
和杠杆及滑轮组加以区别.其他条
件相同时,斜面的倾斜程度越大,
机械效率越高;其他条件相同时,
斜面的粗糙程度越大,机械效率
越低.
专题特训(三) 功、功率
与机械效率的综合计算
1.
[解析](1)
用杠杆将货物匀速提升
0.1m,做的有用功 W有用 =Gh=
12N×0.1m=1.2J.(2)
由题图可
知,拉力移动的距离s=OBOA×h=
1m+0.2m
0.2m ×0.1m=0.6m
,拉力做
的总功 W总 =Fs=3N×0.6m=
1.8J,杠杆的机械效率η=
W有用
W总 ×
100%=1.2J1.8J×100% ≈66.7%.
(3)
若不计摩擦,则只克服杠杆的重
力做额外功,W额外 =W总 -W有用 =
31
1.8J-1.2J=0.6J,杠杆重心上升的
高度h'=12s=
1
2×0.6m=0.3m
,
由于W额外=G杠杆h',因此杠杆的重力
G杠杆=
W额外
h' =
0.6J
0.3m=2N.
2.
[解析](1)
推 力 做 的 有 用 功
W有用 = Gh = mgh = 240kg×
10N/kg×1m=2400J.(2)
推力做
的总功W总=Fs=1000N×3m=
3000J,斜面的机械效率η=
W有用
W总 ×
100% =2400J3000J×100% =80%.
(3)
此过程中的额外功W额外=W总-
W有用=3000J-2400J=600J,由
W额外=fs得重物与斜面间的摩擦力
f=
W额外
s =
600J
3m =200N.
工人将另
一质量为300kg的重物匀速推到同
一高度,为了省力,换用长度为5m的
斜面,此时重物与斜面间的摩擦力与
原来的摩擦力之比为6∶5,即f'=
6
5×200N=240N
,有用功W有用'=
G'h=m'gh=300kg×10N/kg×
1m=3000J;额外功W额外'=f's'=
240N×5m=1200J;则总功W总'=
W有用'+W额外'=3000J+1200J=
4200J;推力做功的功率P=
W总'
t =
4200J
20s =210W.
3.
[解析](1)
物体克服重力做的功
W有用=Gh=600N×1m=600J.
(2)
由图可知n=3,绳子自由端移动
的距离s=nh=3×1m=3m,拉力做
的总功 W总 =Fs=250N×3m=
750J,此过程中滑轮组的机械效率
η=
W有用
W总 ×100%=
600
J
750
J×100%=
80%.(3)
因为不计绳重和摩擦时
F=1n
(G+G动),所以动滑轮的重力
G动=nF-G=3×250N-600N=
150N.(4)
由不计绳重和摩擦时η=
W有用
W总 × 100% =
W有用
W有用+W额外 ×
100% = GhGh+G动h × 100% =
G
G+G动×100%
可知,滑轮组的机
械效率最大时,最大物重 G最大=
η最大
1-η最大
G动 = 90%1-90% ×150N=
1350N,因为不计绳重和摩擦,所以
绳子自由端的拉力F'=1n
(G最大+
G动)= 13×
(1350N+150N)=
500N,小龙的重力 G人 =m人g=
50kg×10N/kg=500N,则小龙对水
平高台的压力F压=G+F'=500N+
500N=1000N.
4.
6000 40% [解析]货物在斜面
上运动20
m,斜面的倾角为30°,根据
数学知识可知,货物上升的高度h=
1
2s=
1
2×20
m=10
m,工人做的有
用功 W有用 =Gh=600
N×10
m=
6000
J;由图可知,动滑轮上有2段绳
子,即n=2,已知货物沿斜面移动的
距离s=20
m,则绳子自由端移动的
距离s'=ns=2×20
m=40
m,工人
做的总功W总=Fs'=375
N×40
m=
15
000
J,该装置的机械效率η=
W有用
W总 ×100%=
6000
J
15
000
J×100%=
40%.
5.
[解析](1)
由图知绳子股数n=3,
则绳 端 移 动 速 度 v1=nv=3×
0.5m/s=1.5m/s,拉力F 做功的功
率P=Fv1=600N×1.5m/s=
900W.(2)
工人做的总功W总=F×
(nL)=600N×(3×10m)=1.8×
104J,工人做的有用功W有用=Gh=
mgh=250
kg×10
N/kg×6
m=
1.5×104J,整个装置的机械效率η=
W有用
W总 ×100%=
1.5×104
J
1.8×104
J×100%
≈
83.3%.(3)
根据W额外+W有用=W总
得,克服摩擦做的额外功 W额外 =
W总-W有用 =1.8×104J-1.5×
104J=3×103J,由W额外=fL 可得
f=
W额外
L =
3×103J
10m =300N.
6.
[解析](1)
物体M 在上表面未露
出水面时,排开水的体积V排=V=
0.06m3,则物体M 受到的浮力F浮=
ρ水 V排 g =1.0×103 kg/m3 ×
0.06m3×10N/kg=600N.(2)
由图
可知,动滑轮上绳子的段数n=3,则
人对绳子的拉力F1=
1
n
(GM-F浮+
G动)=13×
(1.5×103N-600N+
60N)=320N,所以滑轮组的机械效
率 η =
W有用
W总 × 100% =
(GM-F浮)h
F1nh ×100%=
GM-F浮
nF1 ×
100% = 1.5×10
3N-600N
3×320N ×
100%=93.75%.(3)
由图可知,若M
完全离开水面,则杠杆A 端受到的力
最大,杠杆B 端对配重的拉力最大,
此时配重N 对地面的压力最小.当物
体M 完全离开水面后,人对绳子的拉
力F2=
1
n
(GM+G动)=
1
3×
(1.5×
103N+60N)=520N,人的重力
G人=mg=50kg×10N/kg=500N,
由于F2>G人,所以人对绳子的最大
拉力Fmax=G人=500N,此时杠杆A
端所受的力FA=2Fmax+G定=2×
41
500N+60N=1060N,由杠杆的平衡
条件可得FA ×OA=FB×OB,即
1060N×2=FB ×5,解得 FB =
424N,由力的作用是相互的可得,配
重N 对地面的最小压力F压=F支=
GN-FB=500N-424N=76N.
第十一章复习
[知识体系构建]
硬棒 F1l1=F2l2 > < 等臂
两 力 力 力的作用 W=Fs 功
P=Wt
有用功 η=
W有用
W总 ×100%
[高频考点突破]
典例1 C [解析]据力的平衡条件,
对于上方木模有 Fa=mg+Fb+
Fc ①,Fa≠mg,Fa>Fb,故A、B错
误.以a下方的连接点为支点,据杠杆
的平衡条件,对于上方木模有Fblb+
Fclc=GlG ②,若沿左右方向平移
三根细线在上方木模的连接点,线仍
竖直,则lb、lc 不变,lG 改变,由②可
知,Fb、Fc 会改变;由①可知,Fa 也
会改变,故C正确.将整个装置看作
一个整体,因沿左右方向平移三根细
线在上方木模的连接点,线仍竖直,该
整体 始 终 静 止 在 水 平 地 面 上,故
F压=F支=2mg,F压 不会改变,故D
错误.
[跟踪训练]
1.
[解析]A 的重力G=mg=4kg×
10N/kg=40N,计算CD 绳上的拉力
时,E 为支点,则此时A 的重力的力
臂lA =l1+l2=20
cm+40
cm=
60
cm,绳的拉力的力臂lCD =l2=
40cm,由 杠 杆 的 平 衡 条 件 可 得
FCDlCD =GlA,即 FCD ×40cm=
40N×60cm,解得FCD=60N;计算
EF 绳上的拉力时,D 为支点,则此时
A 的重力的力臂lA'=l1=20cm,绳
的拉力的力臂lEF=l2=40cm,由杠
杆的平衡条件可得FEFlEF=GlA',即
FEF×40cm=40N×20
cm,解得
FEF=20N.
典例2 (1)
0 (2)
m(l1-l0)
Vl
(3)
3.2 (4)
200mL [解析](1)
据
题意,此时桶中无液体,C点的密度刻
度线应标注为0.(2)
据杠杆的平衡条
件和题意,桶中无液体时:G桶l=
mgl0 ①,桶中注满液体时:G桶l+
ρ液gVl=mgl1 ②,将①代入②并整
理可得ρ液=
m(l1-l0)
Vl .
(3)
据ρ液=
m(l1-l0)
Vl
和 题 意 可 得 1.0×
103kg/m3=
m×4cm
Vl ③
,0.8×
103kg/m3=
m(l1'-l0)
Vl ④
,由④
③
可
得l1'-l0=3.2cm.(4)
由ρ液 =
m(l1-l0)
Vl
变形可得,l1-l0=ρ
液Vl
m
,
因为在ρ液 相同时,l1-l0 与V 成正
比,所以要使制作的杠杆密度计的测
量精度更高一些,应选择200mL规
格的空桶.
[跟踪训练]
2.
(1)
ρ=2L ×104 kg/m4
(2)
0.3 6×103 (3)
将空桶装满
水,再将秤砣移至B 点右侧0.05m
处,若 轻 杆 平 衡,则 刻 度 准 确
(4)
AB [解析](1)
在A 点挂空桶
时,由杠杆的平衡条件可得GLOB=
G桶LOA ①,桶中装满密度为ρ的液
体时,G液=ρVg,由杠杆的平衡条件
可得,(G桶 +ρVg)LOA =G(LOB +
L) ②,联立①②解得ρ=
GL
gVLOA=
2N×L
10N/kg×1×10-4m3×0.1
m=2L×
104
kg/m4.(2)
该秤上标注零刻度线
的位置与 A 端之间的距离LAB =
LOA+LOB=0.1
m+0.2
m=0.3
m;
当秤砣移到最右端时,L=0.6
m-
0.3
m=0.3
m,此时测量的液体密度
最大,ρmax=2×0.3m×104
kg/m4=6×
103kg/m3.(3)
将空桶装满水,再将秤砣
移至B 点右侧L水= ρ
水
2×104
kg/m4
=
1×103kg/m3
2×104kg/m4
=0.05m处,若轻杆平
衡,则刻度准确.(4)
由ρ=
GL
gVLOA
可
知,密度秤的分度值ρ
L =
G
gVLOA
,则
密度秤的分度值与秤砣的重力、空桶
的容积、OA 的长度有关,与空桶的质
量和OB 的长度无关.要提高密度秤
的测量精度,即减小密度秤的分度值,
由ρ
L=
G
gVLOA
可知,可以换用重力小
的秤砣,或换用容积更大的空桶,或增
大提纽位置与A 端之间的距离(即增
大OA 的长度),故A、B符合题意.
典例3 200 [解析]如图所示,设人
的拉力至少为F,分析下方滑轮的受
力情况可知,绕过上方滑轮绳子的拉力
为2F.将人和吊篮看成一个整体,据力
的平衡条件有2F+F+F=G人+G篮,
故F=
G人+G篮
4 =
(m人+m篮)g
4 =
(50kg+30kg)×10N/kg
4 =200N.
(典例3图)
51