高三物理机械功的应用

【知识点名称】
《课程标准》的要求
*举例说明功是能量变化的量度；理解功和功率。

关心生活和生产中常见机械功率的大小及其意义。

*通过实验，探究恒力做功与物体动能变化的关系。

理解动能和动能定理。

用动能定理解释生活和生产中的现象。

【三维目标】
1．（鲁科J ）通过实例了解机械的额定功率。

2．（鲁科J ）了解机械效率的含义，关注效率的实际应用。

3．（鲁科J ）交流一些常见机械的使用，让学生体会人与机械的密切关系。

4．（鲁科J ）关注机械方面的科技成就和发展趋势，使学生具有可持续发展的意识和社会责任感。

功率与机械效率
（鲁科K ）通常机械都应在额定功率状态下工作，如果机械在超过额定功
率的状态下长时间工作，就很容易损坏。

（鲁科K ）例如，汽车从低挡位刚刚开始起动后的一段时间内(图1— 24)，
在小于额定功率的条件下工作。

当速度逐渐增大时，牵引力仍可增大，但是这
一情况应以两者的乘积等于其额定功率为限度。

当F ν=P 额，也就是达到额定功
率以后，上述情况就不可能再持续下去了。

在保持功率为额定功率的条件下，
当路面阻力较小时，牵引力F 也较小，速度ν可以较大；当路面阻力较大或爬
坡时，需要比较大的牵引力F ，速度ν就必须减小，这就是爬坡时汽车换低速
挡的道理。

由机械功的原理可知，使用任何机械，动力对机械所做的功等于机械克服
阻力所做的功，即W 动=W 阻，其中W 阻既包括克服有用阻力做的有用功(W 有用)，
又包括克服额外阻力做的额外功(即无用功W 额外)。

同样，使用机械时，动力做
功的总功率，也等于机械克服有用阻力做功的功率加上克服额外阻力做功的功
率，即P 总=P 有用+P 额外。

因此，机械效率可表示为 总有用总有用
P P W W ==η
只有在不考虑摩擦阻力和别的额外阻力(如机械本身所受重力)的理想情况下，W 有用(或P 有用)才等于W 总(或P 总)；而在实际情况中W 额外(或P 额外)必不为零，W 有用(或P 有用)总是小于W 总(或P 总)，所以机械效率总小于1。

机械效率是表示机械做功或利用该机械实现能量转化的有效程度的物理量。

在总功一定的情况下，机械效率越高，有用功越多，额外功越少。

实际上，人们在不断地探索提高机械效率的途径，如改善润滑、使用轴承(图1-25)等减小运动的阻力。

功率和机械效率是从不同方面反映机械性能的两个物理量，它们之间没有必然的联系。

功率大，表示机械做功快；机械效率高，表示机械对总能量的利用率高。

功率大的机械不一定效率高。

不论在什么情况下，提高机械效率都具有十分重要的意义，它不仅有很高的经济价值，还能够增强人们的效率意识，而讲求效率正是现代人必须具备的基本素质之一。

（鲁科J ）对于机械的额定功率问题，应首先通过学生最为熟悉的人做功的功率来引入额定功率的概念，使学生对额定功率的概念有深刻体验。

接着通过列举不同机械的功率，让学生建立起机械的额定功率由机械结构决定的概念，同时认识不同机械的功率的数量级。

教师应结合生活中的典型实例，让学生在有意义的学习情景中，积极主动地开展关于机械功率
应用的交流讨论，如解释汽车爬坡换低速挡的道理。

（鲁科J）对于机械效率问题的教学，可从复习机械功的原理出发，通过实例分析，让学生体验到任何机械都存在效率问题，即利用该机械实现能量转化的有效程度问题，形成使用任何机械都要讲效率的基本观念。

机械的使用
（鲁科K）人类发明和使用各种机械的目的，就是为了用它来代替
人力做功，甚至完成超越人力的工作。

机械使人们的工作变得更轻松和
更有效(图1-26)。

（鲁科K）例如，踏板缝纫机大大提高了缝纫速度，人们通过皮带轮把脚踩的动力转化为缝纫针的快速运动，然后通过缝纫针和缝纫机的内
部机械穿针引线(图1-27)。

自行车的发明使人们能够以车代步，既省力又提高了速度。

不过早
期的自行车是靠两脚蹬地前进的，后来才逐步有了脚踏板、齿轮、链条、
充气轮胎等。

直到19世纪80年代，才有了真正轻便、快捷的自行车(图
1-28)。

（鲁科K）今天，机械的发明和使用达到了前所未有的新高度。

特
别是应用计算机等技术后，现代机械具有了
越来越高的智能化水平。

代表高科技水平的
高智能机器人已经越来越广泛地进人生产
和生活的各个领域。

智能机器人除在工农业
生产上得到应用外，还可以给人治病，为盲人带路，为主人做饭，
与人下棋，为人作画，当服务员、秘书、警察，等等。

例如，“犹他”灵巧机械手有4个手指，16个关节、16个自由度、16个传感器、32个电动机，可以拿取多种物体并对物体表面特征进行测量(图1-29)。

这类灵巧机械手已经发展到能进行精细复杂操作的水平。

智能机器人不仅能承担人类可以完成的工作，还能承担某些人类无法完成的工作任务(图1-30)。

毫无疑问，智能化机械的使用给人类带来了许多便利：但是，如果不恰当地应用这些成果，也会给人类造成危害；在机械的发展过程中，人类进行丁长期、艰苦的探索，不断加深了对自然规律的认识，并积极地应用这些规律进行大胆的发明和创造，以不断改善人类自己的生存条件，最终达到与大自然的和谐共处。

（鲁科J）对于机械的使用，教师可组织学生对常用机械的使用对人类生产和生活各方面的影响展开讨论，体验人与机械的密切关系，体会科学与技术发展的互动作用，同时还应
使学生具有可持续发展的意识。

【生活应用】
【课本习题】
1．（鲁科K）请指出5件自己家中所用电器的额定功率。

解答：本题作为学生活动，让学生体验到物理知识就在身边。

2．（鲁科K）某机械的效率为80%，若消耗的能量为1 000J，它
对外做了多少有用功?
解答：(1)克服乘客重力做功的功率为有用功率，P有用=Gv
一750×2 W一1 500 W。

(2)匀速上升时电梯的效率η=(P有用／P输出)×100％=(1
500／1．5×10 4)×100％一10％。

(3)克服重力做的功为有用功，W有用：Gh一750×30 J一
2．25×10 4 J。

3．（鲁科K）一辆汽车以100km/h的速度沿水平路面匀速行驶，
汽车受到1 000N的阻力。

汽车以这个速度行驶，每行10km便消耗
1L汽油。

(1)计算汽车以100km/h行驶时牵引力的功率。

(2)如果燃烧1L汽油释放的能量为3．7×107J，计算汽车的效率。

(3)汽车消耗的能量与它做的功相等吗?如果不相等，“损失”的能量到哪里去了?
解答：(1)汽车在水平路面上匀速行驶，汽车牵引力F=．f=1 000 N。

根据功率的公式汽车行驶的功率P=Fv=1 000×(100÷3．6)w一2．78×10 4 w。

(2)汽车消耗1 L汽油走10 km，所用时间t=s／υ=(10／100)h=0．1 h=360 s。

在这段时间内汽车发动机做功w=Pt=2．78×10 4 ×360 J一1．0×10 7 J。

所以汽车的效率为η=(W／W总)×100％一×100％≈27％。

(3)汽车消耗的能量与它做的功不相等，能量以热的形式“损失”了。

本题目的是让学生能利用功率与力和速度的关系和效率的公式来解决问题，以达到巩固知识的目的。

4．（鲁科K）以前，我国北方经常用辘轳将水从井里提上来。

辘轳的摇柄长为30em，轴直径为10cm，吊桶的质量为2kS，桶里可以装5k8的水。

(1)当吊桶分别装满水和装半桶水时匀速提水，辘轳的效率分别是多少?
(2)根据上面的计算结果，提出改进吊桶的办法，以提高辘轳的效率。

与同学们讨论一下你的方案是否可行。

解答：(1)因为此时对水做的功是有用功，即W有=m水gh，而总功W总一(m水+m桶)g^。

所以辘轳的效率叩=(w水／W总)×100％一×100％
①装满水时η 2=×100％≈71．43％
②装了半桶水时η 2=×100％≈55．6％
(2)要提高轱辘提水的效率只需要提高m水／m橘的比值即可。

本题让学生在掌握效率公式的同时，让学生体验到在日常生活中蕴涵着大量物理知识，在生活中要做个有心人。