第十二章 简单机械第3讲 机械效率 提高讲义--2024-2025学年人教版八年级物理下册

第十二章 简单机械 第3讲 机械效率 【板块一】 机械效率 题型一 机械效率的定义 方法技巧 (1)有用功的计算方法：当利用机械匀速提升物体时，有用功在数值上等于物体重力与升高的高度的乘积，即 当在水平方向利用机械匀速移动物体克服摩擦力做功时，有用功在数值上等于摩擦力与物体移动距离的乘积，即 其中s为物体移动的距离。 (2)机械效率不是固定不变的，同一机械在不同的做功过程中，机械效率也会不同。 【例1】如图所示的甲乙两个相同的滑轮组，匀速提起相同的重物，并上升相同的高度。不计绳重及摩擦。下列说法准确的说( ) A.甲图省力，甲图所做的总功大 B.甲图省力，甲、乙两图中所做的总功一样大 C.乙图省力，甲、乙两图中所做的总功一样大 D.乙图省力，乙图中所做的总功大 题型二 机械效率和功率的区别 方法技巧 功率和机械效率是两个不同的概念。功率表示做功的快慢，即单位时间内完成的功越多，做功越快；机械效率表示机械做功的效率，即所做的总功中有多大比例的有用功，机械效率越大，有用功跟总功的比值越大。 【例2】“电动葫芦”是建筑工地上普遍使用的起重设备，它通过电动机和一个动滑轮将物体提高，如图“电动葫芦”将0.9t的钢材匀速吊起1m高，钢绳的拉力为5000N，则下列说法正确的是( )(不计摩擦和钢绳的重力) A.有用功为900J B.动滑轮的机械效率为85% C.动滑轮重2000N D.若用此“电动葫芦”将1t的钢材提高1m，钢绳的拉力所做的功为11000J 【例3】如图所示，重300N的物体在20N的水平拉力F的作用下，以0.2m/s的速度沿水平地面向左匀速直线运动了10s，滑轮组的机械效率为80%，则在此过程中，下列说法正确的是( ) A.绳子自由端移动的距离为2m B.物体与地面间的滑动摩擦力为32N C.拉力 F的功率为4W D.有用功为40J 针对练习 1.如图所示，质量为50kg的某人将物体沿水平方向匀速拉动了5m，所用时间为10s。物体和地面之间的摩擦力为320N，此时滑轮组的机械效率为80%，不计绳重和滑轮组的摩擦，下列说法中正确的是( ) A. A、B、C处绳子受力的大小关系是 B.绳子A点移动的速度是0.5m/s C.动滑轮重为80N D.人拉绳子做功的功率为100W 2.小明站在水平高台上用如图所示的滑轮组匀速竖直向上提升不同重物，不计绳重和摩擦，小明的重力为640N，与地面接触的总面积为400cm²。某次提升过程中小明对高台的压强为2.0×10⁴Pa，提升时间为20s，重物上升高度为2m。在上述过程中下列说法不正确的是( ) A.提升时绳自由端的速度为0.3m/s B.拉力的功率为48W C.若已知动滑轮重力为90N，则所提重物的重力为390N D.若滑轮组的机械效率为80%，则所提重物的重力为380N 3.用如图甲所示的滑轮组缓慢提升不同物体，每次物体被提升的高度均为0.5m，滑轮组的机械效率与物体受到重力的关系如图乙所示，不计绳重和摩擦，下列分析正确的是( ) A.动滑轮的重力为20N B.每次提升重物时，绳子自由端移动的距离都是1.5m C.若被提升的物重30N，则滑轮组的机械效率是75% D.本装置若换一种绕绳方式，可以省距离 4.用如图甲所示的装置来探究滑轮组的机械效率η与物重G物的关系，改变G物，竖直向上匀速拉动弹簧测力计，计算并绘出η与G物的关系如图所示，若不计绳重和摩擦，则下列说法正确的是( ) A.同一滑轮组的机械效率随G物的增大而增大，最后等于100% B.此滑轮组中动滑轮的重力为5N C.当 时，滑轮组机械效率为η=75% D. G物不变，改变图甲中的绕绳方式，滑轮组的机械效率不改变 5.如图所示，用一个长为1.2m的斜面将重为45N的物体沿斜面匀速拉到0.4m的高台上，斜面的机械效率为60%，则把重物拉上高台所做的有用功是 J，物体与斜面间的摩擦力是 N。 【板块二】 测量机械效率 题型一 测量滑轮组的机械效率 方法技巧 (1)滑轮(组)机械效率的测量，同学们要注意G动在实验中涉及的问题。 (2)杠杆的机械效率：判断机械自重时，我们往往通过不计摩擦的情况下，利用额外功来进行考虑。杠杆的机械效率问题在判断物体移动的距离与人手(或绳自由端)移动距离的关系时，会用到数学中的相似三角形知识考虑。 【例1】(2021江岸区期末)某小组按如图所示实验装置“测量滑轮组的机械效率”，依次得到如表所示的实验数据，已知甲、乙、丁图中动滑轮相同。下列相关判断错误的是( ) 实验次数 钩码重 量G/N 钩码上升 高度h/m 绳端拉力F/N 绳端移动距离s/m 机械效率η 1 4 0.1 2.7 0.2 74% 2 4 0.1 1.8 0.3 74% 3 4 0.1 2.0 0.3 4 8 0.1 3.2 0.3 83% A.第3次实验中所用的动滑轮比第2次实验中的动滑轮质量大 B.比较1、2两次实验数据可知，使用同一滑轮组提升同一重物时，滑轮组的机械效率与绳子段数无关 C.比较2、4两次实验数据可知，同一滑轮组提升重物时，物重越大，滑轮组的机械效率越高 D.为保证实验过程中弹簧测力计示数稳定，应该静止读数 题型二 测量斜面的机械效率 斜面机械效率的测量要注意的是：①摩擦力的判断，克服斜面摩擦力做的功等于额外功。②测斜面机械效率常用： 【例2】(2021广元)小敏在利用斜面搬运物体A 的过程中，提出了一个问题：“斜面的机械效率与斜面的倾斜程度有没有关系?”针对这个问题，他通过在斜面上匀速直线拉动物体进行了实验探究(如图所示)，测得的实验数据如表所示： 实验序号 斜面的倾斜程度 物体重力G/N 物体上升高度h/m 沿斜面拉 力 F/N 物体移动 距离 s/m 有用功W有/J 总功W总/J 机械效率η/% ① 较缓 5.0 0.10 1.6 0.50 0.50 0.80 62.5 ② 较陡 5.0 0.15 2.2 0.50 0.75 1.10 68.2 ③ 最陡 5.0 0.25 3.1 0.50 1.25 1.55 (1)根据表中的数据可求出第③次实验中斜面的机械效率是 %。 (2)通过对上述实验数据的分析可知，斜面的省力情况与斜面倾斜程度的关系是：斜面越陡，越 。 (3)通过对上述实验数据的分析，对斜面机械效率的问题可获得的初步结论是：在其他条件不变的情况下，斜面越陡，机械效率 。 针对练习 1.将规格完全相同的滑轮，用绳子绕成图中的甲、乙滑轮组。使用甲、乙滑轮组分别匀速提升重力为G₁、G₂的两物体，升高相同的高度。绳自由端施加的拉力大小分别为F₁和F₂，物重 不计绳重和摩擦。则下列判断正确的是( ) A.拉力 F₁一定大于 F₂ B.乙滑轮组的机械效率较高 C.甲、乙滑轮组的有用功相同 D.甲的额外功与有用功的比值较小 2.如图所示，在斜面上将一个重4.5N的物体匀速拉到高处，沿斜面向上的拉力为1.8N，斜面长s=1.2m、高h=0.3m。把重物直接提升h所做的功作为有用功，则( ) A.有用功为1.35J,机械效率为75% B.有用功为2.16J,机械效率为62.5% C.有用功为1.35J,机械效率为62.5% D.有用功为1.35J,机械效率为 100% 3.如图甲所示，用动滑轮将正方体物块从装有水的容器底部缓慢匀速提起，拉力 F 随提升高度h变化的关系如图乙所示。物块完全离开水面后，动滑轮的机械效率为87.5%，绳重和摩擦忽略不计。下列选项正确的是( ) A.物块的边长为0.6m B.动滑轮重为300N C.提升物块完全离开水面前，动滑轮的机械效率大于87.5% D.将物块提升至上表面与水面相平的过程中拉力 F 做的功为1650J 4.在“测量滑轮组的机械效率”实验中，小丽用同一滑轮组提升不同的物体，如图甲、乙所示。实验数据记录如下：(忽略绳重和摩擦) 实验次数 物体重力/N 提升高度/m 拉力/N 绳端移动的距离/m 机械效率η 1 3 0.1 2.0 0.3 50% 2 6 0.1 ① 0.3 ② (1)实验中要竖直向上 拉动弹簧测力计，使物体升高。 (2)图乙中是第二次实验弹簧测力计的示数为 N，表格中②处的数据应为 。 (3)分析数据可得出结论：同一滑轮组，提升的物体越重，滑轮组的机械效率越 (选填“高”或“低”)。 (4)另一实验小组的同学改变动滑轮的重力，提升同一物体进行多次实验，获得数据并绘制出如图丙的图象。分析图象中的A点可知，被提升物体所受的重力为 N。 【板块三】 机械效率与杠杆综合计算 题型一 机械效率与杠杆做功综合 方法技巧 理解机械效率：对机械输入的功即为总功，机械输出被利用的功即为有用功。 【例1】由中铁十一局承建的武汉长青路改造跨铁路工程转体钢箱梁经历75分钟，成功跨越京广线上行、汉丹货线下行、京广线下行，安全平稳地实现了90度零误差“转体”后，与汉江大道长青路高架完美连接。修建时为不影响火车通行，该桥梁体先在顺铁路方向浇筑，浇筑完成后，再通过转体装置完美“转身”横跨铁路。(g=10N/kg) (1)跨铁高架桥为非对称转体，跨铁路侧转体箱梁长度大约是非跨铁路侧转体箱梁长度的2倍，其简化模型如图甲所示，已知高架桥箱梁长AB=78m，宽24.1m，厚度1.5m，桥墩高15.5m。高架桥箱梁在浇筑时需要在A、B两侧搭建支架，“转体”时撤除全部支架但需在A端施加520t配重达到水平平衡才能转体。假设高架桥箱梁可视为质量分布均匀的长方体，求： ①将520t的配重从地面吊起来平放在高架桥箱梁的A端至少做功多少J? ②高架桥箱梁的实际质量大约是多少t? (2)桥墩下的转体装置由如图乙所示的上转盘和下转盘组成。上转盘上有两根钢索，每根钢索由一台牵引器通过传动装置牵引。已知上转盘的周长为36m，每台牵引器的功率3kW，牵引器牵引钢索的效率为80%，求每根钢索拉动上转盘缓慢匀速转动时的牵引力多少 N? 针对练习 1.2020年5 月5日，被国民亲切的称为“胖五”的长征五号B运载火箭成功将搭载的新一代载人飞船试验船送入预定轨道。长征五号B运载火箭在中部芯级火箭周围有四个助推器，助推器内注入的推进剂为液氢、液氧和煤油。 (1)在四个助推器的作用下，“胖五”加速升空，在这个过程中，搭载的新一代载人飞船试验船受到的力 (选填“是”或“不是”)平衡力，它的机械能 (选填“变大”“变小”或“不变”)。 (2)载人飞船试验船的质量为22t，在“胖五”的推动下经488s的时间顺利到达离地球240km高的某一轨道上。则火箭推动载人飞船试验船上升时克服试验船的重力至少要做多少功? (3)已知单个助推器(不含推进剂)的质量为14t。吊装阶段为了移动助推器，在助推器两侧分别安装两个固定点，如图甲所示，在固定点上分别套上各自独立的钢丝绳(共4根)，然后将钢丝绳固定在上方的硬杆上(硬杆每一端的两根钢丝绳固定点之间的距离很近，忽略不计)，调整两侧的钢丝绳长度，使助推器处于水平位置，此时两侧相互平行的两根钢丝绳提供的拉力大小相等。 ①吊装单个助推器(不含推进剂)的简化示意图如图乙所示，此时杠杆水平平衡，其重心在 B点， A点到CE的距离为6m。请问沿CE方向的两根钢丝绳提供的拉力共为多少? ②在图一中若提升单个助推器(不含推进剂)时滑轮组的机械效率为70%，求每个助推器注入 140t的推进剂(液氢、液氧和煤油)后滑轮组的机械效率是多少?(不计所有钢丝绳和硬杆的质量，不计钢丝绳与滑轮间的摩擦) 【板块四】 机械效率与滑轮综合计算 题型一 机械效率与滑轮做功综合 方法技巧 在滑轮组中，有用功 (G指物体重力，h指物体升高的高度)，总功 (F指作用在绳子自由端的力，s指绳子自由端移动的距离)，额外功 (一)般都不考虑绳子与滑轮间摩擦、滑轮与轴之间的摩擦做功)， 机械效率 【例1】如图所示是修建武汉火神山医院时用到的起重机，如图乙是起重机的示意图，起重机重 (包括悬臂、滑轮组及钢绳)，重心为P₁。为了使起重机起吊重物时不至倾倒,在其右侧配有配重M,重心为P₂。现测得AB为10m,BO为1m,BC为4m,CD为1.5m。 (1)匀速起吊重物时，重物的机械能 (选填“增大”“不变”或“减小”)； (2)计算说明配重不得超过多少?(在不吊起货物时的情景中计算) (3)如图丙是它的滑轮组装置示意图。起重机悬臂的底部有一台电动机带动的两台相同的转扬机，这两台转扬机一起同向转动回收钢绳，从而吊起物体。在某次起吊质量为2t的建筑材料时，起吊装置的效率为80%，电动机的输出功率(即为滑轮组获得的总功率)为2kW，则右转扬机拉绳的速度是多少? 针对练习 1.叉车是一种工业搬运车辆，是指对成件托盘货物进行装卸，堆垛和短距离运输作业的各种轮式搬运车辆，叉车在企业的物流系统中扮演着非常重要的角色，是物料搬运设备中的主力军。被广泛应用于港口、车站、机场、货场、工厂车间、仓库、流通中心和配送中心等，并可进入船舱.车厢和集装箱内进行托盘货物的装卸。搬运作业，是托盘运输集装箱运输必不可少的设备。如图所示，是电动叉车搬运货物的情境，此叉车的重心在司机座椅的中心。下列是该叉车的技术参数：额定起重量：叉车的额定起重量是指在自重情况下，货物重心在1倍载荷中心距处时，允许起升的货物的最大重量。(以叉车前轮为支点，叉车刚好不翻转)载荷中心距：载荷中心距是指在货叉上放置标准的货物时，其重心到货叉垂直段前壁的水平距离。最大起升高度：最大起升高度是指在平坦坚实的地面上，叉车满载，货物升至最高位置时，货叉水平段的上表面离叉车所在的水平地面的垂直距离。最大起升速度：叉车最大起升速度通常是指叉车满载时，货物起升的最大速度，以m/min(米/分)表示。提高最大起升速度，可以提高作业效率，但起升速度过快，容易发生货损和机损事故。国内叉车的最大起升速度已提高到20m/min。 最大起升高度 3.5m 载货中心距 0.5m 货叉长度 1.07m 货叉最小离地间距 0.04m 自重 1.5×10³kg 最大提升速度 20m/ min 充电 6~8h 轮胎个数 4 额定起升重量 1.0×10³kg 转弯半径 4.5m (1)叉车将质量为 的货物提升3.4m高度所做的功为多少? (2)质量为80kg的司机驾驶载着 的货物的叉车匀速行驶时对路面的压强为多少?(每个轮胎与路面的接触面积为0.2m²) (3)质量为80kg的司机驾驶载着标准货物的叉车能安全匀速行驶时的最大货物质量为多少? 2.爬梯式混凝土搅拌机(如图)是用于一般建筑工地、桥梁水电等工程的建筑机械，由搅拌部分和提升部分组成。工作时，搅拌机将原料加工成混凝土后自动倒入运料斗，在提升电机的带动下，运料斗通过顶端的定滑轮竖直爬梯上升到一定位置，然后将混凝土卸下。已知某型号爬梯式搅拌机部分参数如下表所示，求： 型号 J2M** * 整机质量(kg) 1970 空的运料斗重(N) 600 提升电机功率(kW) 4.5 (1)若搅拌机与地面的接触面积为0.05m²，则工作前搅拌机对水平地面的压强是多大? (2)若运料斗每完成一次运料平均耗时 1min，每次所装混凝土质量为400kg，则运送30m³的混凝土需要多长时间?设混凝土的密度为 (3)某次将装有4000N混凝土的运料斗提升到某高度用时16s，提升部分的机械效率为80%，则提升过程中运料斗受到爬梯的阻力是多大?不计绳重、滑轮摩擦及空气阻力。 第3讲 机械效率 【板块一】 机械效率 【例1】 (C 【例2】 D 【例3】B 【针对练习】 1. C 2. D 3. C 4. D5.18 10 【板块二】测量机械效率 【例1】 D 【例2】 (1)80.6 (2)费力 (3)越高 【针对练习】 1. D 2. C 3. D 4.(1)匀速缓慢 (2)3.2 62.5% (3)高 12 【板块三】 机械效率与杠杆综合计算 【例1】 解:(1)①配重的重力为:G= mg=520× 将配重举起的高度为:h=15.5m+1.5m=17m,将520t的配重从地面吊起来平放在高架桥箱梁的 A 端做的功： ②设箱梁的重力为G₀，箱梁重心O离支点C点的距离为L₂，如图： 则 由杠杆平衡条件得 所以高架桥箱梁的实际重力为： 则高架桥箱梁的实际质量为 (2)转盘转动的时间为:t=75min=75×60s=4500s, 已知周长c=36m，则上转盘转动90°，钢索移动距离 每台牵引器做的总功： 4500s=1.35×10⁷J, 有用功： 牵引力： 【针对练习】 1.解:(1)不是 变大 (2)试验船的重力 克服试验船的重力做的功 (3)①以 A为支点 5.1m, 根据杠杆平衡条件 即70%= 可得 加入推进剂后 ×10³)kg×10N/ kg=1.54×10⁶N, 即η₂ = ②另解： 即 由 得 注入助推器后 ×10³)kg×10N/ kg=1.54×10⁶N, 【板块四】 机械效率与滑轮综合计算 【例1】 解:(1)增大 (2)OC=BC-BO=4m-1m=3m, 80%,∴F=6250N, 【针对练习】 1.解:(1)由公式W= Fs得 kg×3.4m=3.4×10⁴J; (3)达到额定起重量时：由杠杆平衡条件得 G自L₂, 最大质量时，由杠杆平衡条件得 联立两方程得： 2.解：(1)工作前搅拌机对地面的压力等于总重：F= 工作前搅拌机对水平地面的压强是： (2)30m³ 的混凝土的质量: 要运的次数 运送30m³的混凝土需要时间:t=150×1min=150min;(3)提升部分的机械效率为： 提升过程中运料斗受到爬梯的阻力是:f=400N。 学科网（北京）股份有限公司 $$