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  4. 有用功和额外功功率的计算滑轮(组)的机械效率滑轮(组)中拉力的计算

如图所示,已知物体A重1000N,与地面的摩擦力是300N,人通过滑轮组拉动物体使其在10s内匀速运动1m,如果滑轮组的机械效率为60%,求:(1)人做的总功;(2)人的拉力;(3)人拉绳的

一、题文

如图所示,已知物体A重1000N,与地面的摩擦力是300N,人通过滑轮组拉动物体使其在10s内匀速运动1m,如果滑轮组的机械效率为60%,求:
(1)人做的总功;
(2)人的拉力;
(3)人拉绳的功率.

考点提示:有用功和额外功,功率的计算,滑轮(组)的机械效率,滑轮(组)中拉力的计算

二、答案

解:(1)人做的有用功
W有用=fh=300N×1m=300J
人做的总功
W===500J
(2)拉力移动距离 S=nh=5×1m=5m人的拉力
F===100N
(3)人拉绳的功率
P===50W

三、考点梳理

知名教师分析,《如图所示,已知物体A重1000N,与地面的摩擦力是300N,人通过滑轮组拉动物体使其在10s内匀速运动1m,如果滑轮组的机械效率为60%,求:(1)人做的总功;(2)人的拉力;(3)人拉绳的》这道题主要考你对 有用功和额外功功率的计算滑轮(组)的机械效率滑轮(组)中拉力的计算 等知识点的理解。

关于这些知识点的“解析掌握知识”如下:

知识点名称:有用功和额外功,功率的计算,滑轮(组)的机械效率,滑轮(组)中拉力的计算

考点名称:有用功和额外功
  • 有用功,额外功与总功:
    名称定义符号公式实例
    有用功使用机械做功时对人们有用的功WW有=Gh从井中打水时提水所做的功
    额外功对人们没有用但又不得不做的功W——从井中打水时提水桶和绳子所做的功
    总功有用功与额外功之和WW=W+W从井中打水时手的拉力所做的功
  • 区分有用功和额外功:
        区分有用功与额外功的关键是看我们需要达到什么做功目的。在同一做功过程中,目的不同,功的性质就不一样。例如:用桶将水从水井中提出来,提水是我们需要的,而提桶是不需要,但又不得不做的功,故克服水重做的是有用功,而克服桶重做的是额外功;如果是一只桶掉入水井里,我们要将桶从井中提出来,则克服桶重做的是有用功,而克服桶中可能带出来的水的重力所做的功就是额外功了。
  •  计算有用功,额外功和总功的方法:
    1. 总功的计算:
    (1)定义法:W=Fs
    (2)总功等于有用功和额外功之和,即W=W有用+W额外
    (3)公式法:
    2. 有用功的计算方法:
    (1)定义法:W有用=Gh
    (2)W有用=W-W额外
    (3)公式法:
    3. 额外功的计算方法:
    (1)定义法:
    (2)W额外=W-W有用
    (3)公式法:

考点名称:功率的计算
  • 功率的计算公式:
    (1)P=W/t,其中P代表功率,单位为W,W代表功,单位为J;t代表时间,单位为s。
    (2)因为P=W/t,W=Fs,v=s/t,所以P=W/t=Fs/t=Fv,P=Fv是功率的又一表达式。
  • 公式法计算功率:
         运用时一定要注意三个量的对应关系。“W”一定是对应“t”完成的,不能张冠李戴。单位要统一,P、W、t的单位分别为瓦、焦、秒。
    例1 如图所示,铁明同学向上跳台阶进行晨练,铁明重500N,在10s内匀速连跳12个台阶,每个台阶的高度为0.2m。在这个过程中,已知铁明克服摩擦做功为2800J,求出此过程中:

    (1)铁明竖直向上跳的平均速率多大?
    (2)铁明克服重力做功是多少?
    (3)铁明做功的总功率多大?
    解析:竖直向上跳的平均速度可以通过向上跳的总高度与所用时间利用速度公式求出,克服重力做功等于重力与高度的乘积,即,总功率可以通过所做的总功和时间利用功率公式求得。
    (1)0.24m/s
    (2)
    (3)

    例2在打捞海底沉船时,常用水下机器人潜入水下打捞船上物品,已知ρ海水=1.03×103kg/m3
    (1)机器人在水下70m处受到海水产生的压强是多大?
    (2)某时刻机器人在水下用竖直向上的力举着体积为0.02m3,密度为2.7×103kg/m3的物体静止不动,求该力的大小。
    (3)若机器人在水下运动时,所受海水阻力与速度的关系如图所示,求机器人在水下以0.5m/s的水平速度匀速运动时,机器人水平推进力的功率。

    解析:(1)由液体压强公式得,
    (2)物体在水下受平衡力的作用,则

    (3)由题图可知,海水阻力与机器人的运动速度成正比,当机器人运动速度为0.5m/s时,f=175N 机器人匀速前进时,机器人水平推进力F=f
    P=Fv=175N×0.5m/s=87.5W
    答案:(1)7.21×105Pa(2)334N(3)87.5W

考点名称:滑轮(组)的机械效率
  • 滑轮组的机械效率:
    有用功W有用=Gh
    总功W=Fs
    W=Gh+Gh
    (不计绳重,摩擦)
    额外功W额外=W-W有用
    W额外=Gh
    (不计绳重,摩擦)
    机械效率(n为承担重物绳的股数)
    (不计绳重,摩擦)
  • 测量滑轮组的机械效率:
    ①器材:弹簧测力计、刻度尺、滑轮组
    ②原理:η=
    ③步骤:先用弹簧测力计测出物体的重力G,再按要求组装滑轮组,用弹簧测力计提起绳端匀速上升,测出作用于绳端的作用力F,确定重物和绳自由端的始、末位置,用刻度尺测出物体上升的距离h和绳子末端移动的距离s,再用公式求出滑轮组的机械效率η ;

    ④注意事项:一是要用弹簧测力计提起绳端匀速上升,二是要让绳端竖直上升。
  • 提高滑轮组机械效率的方法:
    1.影响滑轮组机械效率的因素滑轮组是人们经常使用的简单机械,用同一滑轮组提升物体G升高h时,滑轮组对物体做的功为有用功,而人对滑轮组的拉力F做的功为总功,F移动的距离s=nh(n为与动滑轮相连绳子的段数),则滑轮组的机械效率;若不计摩擦力,而动滑轮的重为G’,那么提升动滑轮做的功就是额外功,则滑轮组的机械效率还可表示为。讨论这个表达式可知,对于同一滑轮组(G’一定),提升重物越重,滑轮组的机械效率越高;而提升相同重物时,动滑轮越少、越轻的滑轮组,机械效率越高。

    2.提高滑轮组机械效率的方法
    (1)减小额外功在总功中占的比例。可采取改进机械结构、减小摩擦阻力等方法。如可使滑轮组在满载情况下工作,以增大有用功在总功中的比例,在滑轮的转轴中加润滑油,以减小摩擦阻力,或减小滑轮组中动滑轮的自重等,即在有用功一定的情况下,减小额外功,提高效率。
    (2)增大有用功在总功中所占的比例,在额外功不变的情况下,增大有用功的大小。
    (3)换用最简单的机械。
  • 滑轮组拉物体水平前进时的机械效率:
    W有用W额外Wη

    拉力F、物重G、物体匀速移动时与地面摩擦力f、物体移动距离s、拉力F移动距离s
    W有用=f·s——W总=F·s=F·ns
    n为绳子股数
考点名称:滑轮(组)中拉力的计算
  • 滑轮组的省力情况:
    使用滑轮组时,滑轮组由几段绳子吊着动滑轮,提起物体所用的力就是物重的几分之一。
  • 滑轮组由几股绳子承担物重:
        有几股绳与动滑轮相连,承担物重的绳子的股数n 就是几,而重物上升的高度h与绳子自由端移动的距离s的关系是:s=nh。如图:在动、定滑轮之间画一条线,将它们分开,只算在动滑轮上的绳子的股数。

    例1如图甲、乙滑轮组装置,所有摩擦不计,分别用F1、F2竖直匀速拉动重物G,已知每个滑轮重力为 G/2,则力F1和F2之比为(  )


    A.1:1B.3:2C.2:3D.3:4
    解析:当考虑动滑轮的重力,不计摩擦时,F=,由图中滑轮组的绕线方法可知:F1=
    答案:C

    滑轮组省力情况的判断
    1.滑轮组竖放:若不考虑动滑轮自重以及绳、轮摩擦,滑轮组用几股绳子吊着物体,提起物体所用的动力就是物重的几分之一,即;若考虑动滑轮自重,但忽略摩擦,此式变为F= 。用“连动法”,弄清直接与动滑轮连接的绳子的根数n,在图甲中我们以重物和动滑轮为研究对象,n=4,有四根绳子承担动滑轮及重物,所以用力。同理,分析乙图可知,提起重物及动滑轮的

     2.滑轮组横放:在不考虑绳、轮摩擦时,滑轮组用几股绳拉着物体做匀速直线运动,拉力大小就是物体所受摩擦力的几分之一,即:
    例1同一物体沿相同的水平地面被匀速移动,如下图所示,托力分别为F、F、F,不记滑轮与轻绳间的摩擦,比较它们的大小,则(   )

     A.F甲<F乙<F丙
    B.F甲>F乙>F丙
    C.F甲>F乙=F丙
    D.F甲=F乙>F丙
    解析:三种情况下物体与地面的摩擦都相等为f,甲是定滑轮,F=f,乙是动滑轮,,丙是滑轮组,,即,选B。
    例2如图甲所示,物体4在拉力F的作用下做匀速直线运动,弹簧测力计的示数是5N,那么拉力,为_____N,物体A与地面间的摩擦力为_____N。

    解析:本题动滑轮的动力施加在转轴上,是一种费力的用法,其实质是动力臂是阻力臂一半的杠杆,要费力,其杠杆示意图如图所示。
    答案:10   5
    点拨:此题的图可以旋转90与常见的动滑轮对比。

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