5.质量为40 kg的物体,在光滑的水平面上做匀速直线运动,在5 s内通过的距离为10 m,那么外力对物体做的功为_____J,功率是_____W。
4.如图1所示,重为100 N的物体在F的作用下以12 m/s的速度在水平地面上做匀速直线运动,此时,弹簧秤的示数为4 N,则拉力F=_____,功率是_____W。
图1
3.举重运动员在3 s内把1500 N的杠铃举高到1.8 m,他对杠铃做了_____J的功,功率是_____W,若举在空中停了3 s,则这个过程做了_____J的功,功率是_____W。
2.两台机器的功率之比为3∶2,它们做同样的功所需要的时间之比为______;在相同的时间里,做功之比为______。
1.物体在_________叫功率,它是反应物体_____的物理量,国际单位制中的单位是_____。某机器的功率为5 W,其物理意义是_________。
1.人用筐将砖运送到楼上。2.人用滑轮将砖运送到楼上。3.使用起重机将砖运送到楼上。
提问:以上三种方法,除了机械效率不同外还有什么不同。(待学生思考不必要求立即回答)。 [例2] 一个人用通常的步伐走上三楼,或以快速地跑到三楼上。
提问:两种方法所做的功的情况有何不同。(要求同上题,先认真去思考,不必急于作答。) [例3] 有一个重型的机器,需要推至距100米远的厂房内。
方法有三: 1.工人们用推力推到厂房内。 2.工人们用车推到厂房内。 3.用马车拉到厂房内。
提问:三种方法完成此功有何不同。
对比上述三例,当人们完成一定的功时,存在着一个具体的实际问题是什么?
启发同学得出答案: 物体做功有快、有慢。
在例1中起重机做功快。 例2中人跑到三楼做功快。 例3中用马车做功快。
物理学里用功率来表示物体做功的快慢,板书:因此,单位时间里完成的功,叫做功率。
根据定义可得出:
板书:各物理量的国际单位,写在公式中。
1瓦特=1焦耳/秒,1千瓦=1000瓦,1兆瓦=106瓦特。
指出:功率是机器的主要技术性能之一。
功率小,做功慢,耗能少。 功率大,做功快,耗能多。
[例题] 高出水面30米处有一个容积是50米3的蓄水池,要用一台离心式水泵抽水给蓄水池,1小时能把水池充满即可,这台水泵的功率至少是多少千瓦?
已知:h=30米,V=50米3,
t=1小时=3600秒,
求:P
解:分析,根据已知条件
m=ρV。
m=1×103千克/米3×50米3=5×104千克
所以G=5×105牛顿。
W=Gh =5×105牛顿×30米=15×106焦耳。
答:这台水泵的功率至少是4.2千瓦。
指出:根据已知条件和所求的物理量的基本公式,知道水泵是克服水重而做功,故在题内首先根据水的质量求出水重,这样再代入功率的基本公式中求功率。
为什么题目最后所求的是“功率至少是”多少千瓦?为什么不求等于多少或者求最大是多少千瓦。
这是因为在实际中水泵有轴功率和配套功率的区别,轴功率是指单独水泵本身所能完成的功率,如果按题内所求功率,只能满足轴功率,那么水泵是无法工作的,因为水泵必须同其它机器配合使用才能工作,所以配套功率是要大于轴功率的,这是否是功率越大越好呢?不是的,因为功率越大,必定耗电或耗油多,是不符合经济效益的。
作业习题1、2、3。
[习题演练]
3.提高机械效率的主要办法是:改进机械的结构,例如提水时用容积较大而重量较轻的水桶,按规程进行保养、合理使用以减小摩擦.
2.略
1.起重机做的有用功是
W有用=Gh=3600 N×4 m=14400 J
总功为有用功和额外功之和
W总=W有用+W额外=14400 J+9600 J=24000 J
其机械效率为
η==
=60%
起重机提升装货物用的容器所做的功、各部件之间的摩擦做功等都是额外功.
2.机械效率
在实际做功的过程中,虽然不得不做一些额外功,但我们总是希望额外功能小一些,可以减小不必要的能量的损耗.这样一来,有用功在总功中占的比例就会大些.为了表示这个比例,物理学中引入了机械效率这个物理量.
(1)定义和定义式
机械效率被定义为:有用功与总功的比值,用希腊字母“η”表示.
根据定义写出公式:η=
(2)说明
关于机械效率,在此我要做两点说明:
一是在实际计算中,机械效率通常被表示为一个百分数;
二是由于W总>W有用,所以<1,因此机械效率必然小于100%.如果有人告诉你某机器:η大于1或大于100%,那肯定是错误的.
(3)简单计算
将功的计算公式与机械效率的计算关系相结合,我们来做一个例题:
例:起重机把质量为0.6 t的重物提升了3 m,而它的电动机所做的功是3.4×104 J,起重机的机械效率是多少?
解:起重机提升重物所做的功为有用功,因此:
W有用=Fh=( )=mgh
=0.6×( ) kg×( )×3 m =1.8×104 J
W总=3.4×104 J
所以η=( )= =( )
计算时要注意结果为百分数.
(4)斜面的机械效率
在这里,我们来探究一下斜面的机械效率.
在影响机械效率的许多因素中,摩擦是一个重要因素.例如,把物体拉上斜面时,就要克服物体与斜面之间的摩擦力而做额外功,这里我们要研究的是:光滑程度一样的斜面,当它的倾斜程度不同时,斜面的机械效率是否相同.
如图14-14所示,找一条长木板,一端垫高,成为一个斜面.我们的目的是把物体抬到高度为h的位置.因此,我们无论采
用什么方法,都要达到这个目的,所
以我们所做的有用功就是相当于直接
把重力为G的物体抬高h时所做的功,
所以W有用=Gh.
图14-14
为了省力,我们往往不把重物竖直提升,而是采用一些省力的机械,斜面就是省力机械,因此,我们把重物放在斜面上,用力F将它拉到斜面顶部,如果斜面长为s,那么在此过程中做的总功为W总=Fs.
由此分析可见,在实验过程中知道了G、h、F、s的大小,才能计算出W有用和W总,才能计算出机械效率.
把小车放在斜面上,用弹簧秤拉着小车在斜面上匀速上升,注意要让小车保持匀速直线运动,读出这时拉力F的大小,当小车达到高度h时停止,用刻度尺测出小车移动的距离s和小车被抬高的高度h,用弹簧秤测出小车的重力G,记录到下面的表格中.改变木板的倾斜程度,再测量两次斜面的机械效率.
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在进行探究实验之前,你猜想一下:斜面能省力多少与斜面的倾斜程度有什么关系?斜面的机械效率与它的倾斜程度有什么关系?完成探究后再看,你当初的猜想是否正确.
[学习方法指导]
求机械效率的方法
求简单机械的机械效率是日常生活、生产中常遇到的问题.先来看两道例题:
例1:一斜面长5 m,高2 m,用500 N的力沿斜面将重为1000 N的物体推上去,求它的机械效率.
解:在此过程中总功为推力做的功:
W总=F·s=500 N×5 m=2500 J
有用功为将物体抬到斜面顶部的功:
W有用=F′·s′=Gh=1000 N×2 m=2000 J
则机械效率为:
η==
=80%
例2:如图14-15滑轮组,被提起的是质量200 g的物体,对绳子自由端的实际拉力是0.8 N,当物体升高0.2 m时,求滑轮组的机械效率.
解:有用功为
W有用=F′·s′=G·h=mgh
=0.2 kg×10 N/kg×0.2 m
=0.4 J
动滑轮由3股绳子承担,所以
s=nh=3×0.2 m=0.6 m
则总功为
W总=Fs=0.8 N×0.6 m=0.48 J 图14-15
η==
=83.3%
在这两道例题中,我们不难看出,当机械用于提高物体时,有用功为不用机械而直接将物体匀速提高做的功,即有用功为W有用=Gh,而总功为拉力大小与物体在拉力方向移动的距离,即W总=Fs.
在滑轮组的机械效率中,s=nh(n为共同承担动滑轮的绳子股数),但由于考虑摩擦和滑轮的重力,F≠,这一点你应该注意.
通过上述分析,我们可以得出计算简单机械的机械效率公式为η= =
.
你学会了吗?可以用这种方法做两道题试试.
[知识拓展]
机械效益
使用机械的最终目的之一是省力.就一般而言,不同的机械省力的情况不同.为了比较各种不同机械的省力程度,物理上还引入了一个机械效益的概念.机械效益定义为机械产生的对外作用力(P)跟外界施于机械的力(F)之比,若以A表示机械效益.则:
A=
对于杠杆,A就是动力和阻力之比;对于轮轴,在不考虑摩擦情况下,A等于轮半径和轴半径之比;对于斜面,在忽略摩擦的情况下,A等于斜面的长和高之比.根据定义,机械效益是由实际测得的机械对外作用力(有用阻力)和外界施于机械的力(动力)的大小所决定的.同样克服一个有用阻力,有时因为机械润滑得好,无用阻力就小,需要的动力也就小.因此,机械效益就大,反之,机械效益就小.新机械的机械效益往往比旧机械的机械效益 大些.
机械效益又称“机械利益”,有时亦称“力比”.概括地说,机械效益是一个描述机械省力程度的物理量.
机械效率与机械效益的联系和区别:
机械效率与机械效益是两个比较类同的概念,使用时稍不留心就要混淆.经过以上分析,我们可以得出以下两点:
(1)机械效率是描写机械做功本领程度的一个物理量,它研究机械做功情况时引出;机械效益是描述机械省力程度的一个物理量,它研究机械省力情况时引出.
(2)机械效率与机械效益都是一个无单位的纯数,机械效率η总是小于1,而机械效益A可以小于1,也可以等于1或大于1.
[问题点拨]
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