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- 2021-11-11 发布
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专题训练(一) 功、功率和机械效率的综合计算
►类型一 利用滑轮组提升物体
1.用如图Z-1-1所示的滑轮组提升重物,当作用在绳子自由端的拉力为100 N时,能匀速提起重力为240 N的物体,不计绳重和摩擦,求:
(1)动滑轮的重力.
(2)若绕绳能承受的最大拉力为200 N,则该滑轮组的最大机械效率是多少.
图Z-1-1
2.用如图Z-1-2所示的滑轮组提升货物,已知动滑轮重30 N,货物重360 N,上升速度是0.3 m/s,拉力F的功率是180 W(不计绳重).求:
(1)滑轮组的机械效率η.
(2)货物上升3 m的过程中,克服摩擦力做的功.
图Z-1-2
3.如图Z-1-3所示为“测量滑轮组机械效率”的实验装置,钩码总质量为0.6 kg,小明用2.4 N的拉力竖直向上匀速拉动细绳(绳重和摩擦忽略不计,g取10 N/kg).
(1)若钩码2 s内上升0.1 m,则钩码上升的速度是多少?
(2)小明拉力做功的功率是多少?该滑轮组的机械效率是多少?(结果保留一位小数)
(3)当钩码总重力为12 N时,该滑轮组的机械效率为多大?(结果保留一位小数)
图Z-1-3
5
►类型二 利用滑轮组水平拉动物体
4.一辆质量是3.5×103 kg的汽车不慎陷入泥泞地面,汽车司机组织人们用如图Z-1-4所示的滑轮组将汽车拖出.已知整个过程中,水平拉力F为1×103 N,汽车沿水平方向匀速移动了2 m,滑轮组的机械效率为90%.求:
(1)拉力F做的总功.
(2)有用功的大小.
(3)汽车受到的阻力大小.
图Z-1-4
►类型三 利用斜面提升物体
5.如图Z-1-5所示,斜面倾角为30°,斜面高为2 m.小兵同学用绳子沿斜面将重为400 N的木箱由斜面底端匀速拉到顶端,拉力大小为300 N,绳重不计.求:
(1)小兵对木箱做的有用功.
(2)斜面的机械效率.
(3)斜面对物体施加的摩擦力.
图Z-1-5
►类型四 利用杠杆提升物体
6.小金用如图Z-1-6所示的实验装置测量杠杆的机械效率.实验时竖直向上拉动杠杆,使挂在杠杆下面的钩码缓缓上升.(支点和杠杆的摩擦不计)问:
(1)重为5 N的钩码挂在A点时,人的拉力F为4 N.钩码上升0.3 m时,动力作用点C上升0.5 m,此时机械效率η1为多大?
(2)小金为了进一步研究杠杆的机械效率与哪些因素有关,仍用该实验装置,将钩码移到B点,再次缓慢提升杠杆使动力作用点C仍然上升0.5 m.问:人的拉力F与第一次相比________(选填“变大”“变小”或“不变”).比较此时的机械效率η2与η1的大小,并用学过的知识加以推导.
图Z-1-6
5
►类型五 组合机械
7.小明健身用的拉力器结构如图Z-1-7所示.他用250 N的拉力向下拉动拉杆,使20 kg的配重块在2 s内匀速升高40 cm.不计拉杆和绳的重力,g取10 N/kg.求:
(1)所拉配重块的重力.
(2)2 s内配重块运动的速度.
(3)此过程中拉力器的机械效率.
图Z-1-7
8.图Z-1-8是用动滑轮运送建筑材料A的示意图,在卷扬机对绳子的拉力作用下,使重800 N的建筑材料A在50 s的时间里,匀速竖直上升了10 m.在这个过程中,动滑轮提升建筑材料A所做的有用功为W有用,卷扬机对绳子的拉力F做功的功率为200 W.绳重可忽略不计.求:
(1)有用功W有用.
(2)动滑轮匀速提升建筑材料A的机械效率η.
图Z-1-8
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教师详解详析
1.(1)由题图可知,承担物重的绳子段数n=3,因为不计绳重和摩擦,所以F=,即100 N=,G动=60 N.
(2)若绕绳能承受的最大拉力为200 N,则F最大=,即200 N=,得G最大=540 N,则滑轮组的最大机械效率为η最大=×100%=×100%=×100%=90%.
2. (1)1 s内货物升高的高度h1=0.3 m,W有用1=Gh1=360 N×0.3 m=108 J,W总1=P总t1=180 W×1 s=180 J,η=×100%=×100%=60%.
(2)货物上升3 m所用的时间t2===10 s,W总2=P总t2=180 W×10 s=1800 J,
W有用2=Gh2=360 N×3 m=1080 J,
提升动滑轮做的功:W动=G动h2=30 N×3 m=90 J,
克服摩擦力做的功:Wf=W总2-W有2-W动=1800 J-1080 J-90 J=630 J.
3.(1)钩码上升的速度为v===0.05 m/s.
(2)拉力做的功:W总=Fs=2.4 N×3×0.1 m=0.72 J,
拉力做功的功率:P总===0.36 W.
钩码重:G物=mg=0.6 kg×10 N/kg=6 N,
有用功:W有用=G物h=6 N×0.1 m=0.6 J,
故该滑轮组的机械效率为η=×100%=×100%=83.3%.
(3)因为不计摩擦及绳重,所以G动=3F-G物=3×2.4 N-6 N=1.2 N,
η′=×100%=×100%=90.9%.
4.(1)拉力F移动的距离:
s=nL=2×2 m=4 m,
拉力F做的总功:
W总=Fs=1×103 N×4 m=4×103 J.
(2)有用功:
W有用=ηW总=90%×4×103 J=3.6×103 J.
(3)滑轮组对汽车的拉力:
F′===1.8×103 N.
因为汽车做的是匀速直线运动,所以汽车受的拉力和阻力是一对平衡力,大小相等,故汽车受到的阻力f=F′=1.8×103 N.
5
5.(1)W有用=Gh=400 N×2 m=800 J.
(2)η=×100%=×100%=×100%≈66.7%.
(3)W额外=W总-W有用=1200 J-800 J=400 J,则f===100 N.
6. (1)有用功:W有用=Gh=5 N×0.3 m=1.5 J.
总功:W总=Fs=4 N×0.5 m=2 J,
机械效率:η1=×100%=×100%=75%.
(2)钩码的悬挂点在A点时,由于杠杆的重力会阻碍杠杆转动,则由杠杆的平衡条件得:G×OA+G杠杆×OC=F×OC;
悬挂点移至B点时,由杠杆的平衡条件得:G×OB+G杠杆×OC=F′×OC,
观察比较可知,悬挂点移至B点时,OB<OA,即钩码重力的力臂变小,所以拉力F也变小.
杠杆的机械效率:η=×100%=×100%=×100%;
因为杠杆升高的高度不变,所以克服杠杆自重所做的额外功不变.由于悬挂点B更接近支点,所以钩码提升的高度减小,根据W有用=Gh可知,有用功减小;从上面η的表达式可知:W有用减小、W额外不变,所以变大,分母变大,则η变小,即η2<η1.
7.(1)拉力器上的两个滑轮都是定滑轮,拉力移动的距离与配重块移动的距离相等,配重块的重力:G=mg=20 kg×10 N/kg=200 N.
(2)配重块运动的速度:v===20 cm/s=0.2 m/s.
(3)拉力器的机械效率:η=×100%=×100%=×100%=80%.
8.(1)有用功为W有用=Gh=800 N×10 m=8000 J.
(2)机械效率为η=×100%=×100%=×100%=80%.
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