2025年贵州中考物理专题复习 专题特训 有用功、额外功、总功认识和效率大小比较（含解析）

专题特训 有用功、额外功、总功认识和效率大小比较
1． 小明用一个打了三个孔的金属板来研究“利用杠杆提升重物的机械效率”他首先将铁钉固定在铁架台上，将金属板左侧的孔穿过铁钉，在中间的孔悬挂重物，在右侧的孔利用弹簧测力计缓慢竖直向上用力，使重物被提升一定的高度，如图甲所示；再按照图乙组装实验装置，在右侧孔利用弹簧测力计缓慢竖直向下用力，使重物被提升相同的高度。请判断哪次的机械效率更高，并阐述你的理由。
2． 目前汽车普遍应用于人们日常生活中的出行，汽车发动机的工作，多是靠燃料在发动机汽缸内燃烧做功，提供动力。但是不论使用汽油或是柴油发动机，效率都很低。为了提高能源的利用率，涡轮增压技术应运而生。涡轮增压是一种利用内燃机运作所产生的废气驱动空气压缩机的技术，与超级增压器（机械增压器）功能相当，两者都可增加进入内燃机或锅炉的空气流量，从而令机器效率提升。常用于汽车引擎中，通过利用排出废气的热量及流量，涡轮增压器能提升内燃机的马力输出。涡轮增压原理如图所示，发动机排出的高温废气冲击涡轮运转，带动同轴的叶轮高速转动，叶轮将新鲜空气压缩后推进到汽缸中，从而提高了热机效率。
（1）废气推动涡轮转动的过程中，废气对涡轮 　 　 ，内能转化成 　 　 能；
（2）若汽缸内完全燃烧1.5kg汽油，释放的热量为多少？（q汽油＝4.6×107J/kg）
（3）结合以上信息，请你说出一条“涡轮增压”能提高热机效率的原因 　
　
　
　
　
　 ；
（4）当汽缸内吸入相同体积的空气时，安装了涡轮增压器的发动机和传统发动机相比，谁对外做的功更多？请结合能量的知识解释你的观点
　
　
　
　 ；
3． 我国万米深潜作业次数和下潜人数位居世界首位。图甲所示为我国“奋斗者”号载人潜水器的海试现场。潜水器的前边固定一个采样篮，里面放着海底沉积物采样器等工具，采样器是一个下端开口的圆形玻璃管。潜水器两侧各连着一只机械手臂，其中一只机械手臂的简化示意图如图乙所示，它由金属杆AB、OC和可以伸缩的液压杆AC组成，C点为机械手臂和潜水器的连接点。当液压杆伸长或缩短时，会带动金属杆AB（AB杆质量分布均匀）绕着O点转动，金属杆B端就会向上提或向下压采样器。
（1）当液压杆AC收缩，带动金属杆AB绕着O点转至水平位置时。请在图乙中画出液压杆AC对金属杆A端拉力的力臂L1，以及采样器对金属杆B端的力F2的示意图。
（2）若OA、OC和AC的长分别足18cm、24cm和30cm，OB的长是72cm，这只机械手臂的液压杆AC对水平金属杆A端的拉力是200N。
①求采样器对金属杆B端的力F的大小？（不考虑金属杆AB和采样器它们受到的重力和浮力）
②在采集器对金属杆拉力不变情况下，若连接点A向右移动一些（未过O点），AC上的力将 　 　 （变大/变小/不变）。
（3）若考虑金属杆AB的自重，在采集器离开水面匀速提升重物到相同高度的过程中，如果把是挂B点向左移动（未过O点），则机械手臂的机械效率将 　 　 （变大/变小/不变）。为什么？
4． 某科技馆设计摩天轮紧急救援系统如图。当摩天轮故障时，救援舱从地面升至顶端营救游客，再返回地面，全过程匀速运动。动力机构对缆绳施加拉力 ，系统配重块（质量m0）始终在竖直轨道运动。已知升降阶段救援舱高度变化量均为 H，不计摩擦和转动部件能量损失。
上升阶段：救援舱空载上升，大约携带了2倍游客重的营救设备装置，配重块下降。此时空舱重力阻碍上升。
下降阶段：顺利接到游客后，营救设备装置就抛掉，救援舱载游客下降，配重块上升。此时空舱重力帮助下降。
小明发现：“上升时空舱重力增大能耗，下降时空舱重力减少能耗，两者作用相反。那么救援舱自重m0是否影响系统效率？”
小明建立能量方程：
救援舱上升阶段：动力机构做功 W1 +配重块减少的重力势能 E配=救援舱增加的重力势能 E舱+ 营救设备装置2E人
问题
（1）请仿照上升阶段功能关系补全救援舱下降阶段能量关系式（用符号 W2，E舱，E人，E配表示）
（2）定义系统总效率 η =，其中有效输出能量指 （填空）
（3）请问救援舱自重m0是否影响大小（需写出完整能量关系和推导过程）
（4）若下降阶段紧急制动导致20%配重重力势能转化为内能，此时配重m0会如何影响？说明理由
（已知重力势能表达式：mgh）
5． 随着汽车科技的不断进步，混合动力汽车（简称：混动汽车）逐渐受到人们的青睐，目前广泛使用的混动汽车主要部件有：汽油机、蓄电池、电动机等，它们单独或组合向汽车提供动力。混动汽车有串联式和并联式等种类。
串联式混动汽车的工作流程如图1甲所示，蓄电池可单独向电动机提供电能驱动汽车；汽油机仅带动发电机发电，产生的电能一部分输入电动机驱动汽车，另一部分还能通过发电机向蓄电池充电。
并联式混动汽车的工作流程如图1乙所示，汽油机和电动机分属两套独立的工作系统，蓄电池通过电动机能单独驱动汽车，汽油机也能直接给汽车提供动力，两套系统还能同时工作驱动汽车。
（1）若某混动汽车匀速行驶10km用时0.2h，则其速度是多少km/h？
（2）若汽油机完全燃烧2kg汽油，释放的热量是多少J？（q汽油＝4.6×107J/kg）
（3）如图2所示是并联式混动汽车内部结构透视图。若系统提供的动力一定，油箱油量或蓄电池电量是否会影响汽车行驶路程的长短？请结合乙图的工作流程，以其中一套工作系统为例，从能量转化的角度结合功的相关知识分析说明。
（4）若两种方式混动汽车的质量相同，相同部件能量转化的效率相同，油电系统同时工作，蓄电池仅处于放电状态且放电情况相同。请对比甲、乙两图的工作流程分析，在汽车整体输出能量相同的情况下，哪种方式混动汽车的效率低？为什么？
6． 学习杠杆原理时，老师介绍了《天工开物》中我国古代提水工具——桔槔：其结构如图甲所示，竖立的支架上架设一长杆，末端设配重，前端挂水桶。利用杠杆原理与配重辅助，可轻松提取井水。随后老师提出探究任务：假如你穿越回古代，如何在井旁架设桔槔并成功取水？请你与某组同学一起完成探究任务。探究时，小明提出他的想法：为何不直接用一省力杠杆提水呢？
任务一：探究省力杠杆的提水效果。
（1）同学们用一根轻质硬棒制作了如图乙所示的杠杆，在A点悬挂一个水桶，在B点施加一个竖直向下的动力，就能提起水桶。将杠杆的支点O设置在如图乙所示的位置，是为了使动力臂　 　 阻力臂，达到省力的目的。
（2）如图乙所示，将杠杆的B端向下压到最低时，同学们通过观察发现杠杆提水存在问题，你认为该问题是：　 　 。
通过以上探究，同学们明白了用桔槔取水的好处。接着进行桔槔的安装。
任务二：架设一架桔槔。同学们用一个支架、一根直杆架设了如图丙所示的等臂杠杆，并在A端悬挂一个水桶，B端加上配重，使其成为一个桔槔。
（3）小明通过桔槔向上提水，若水和水桶的总重力为200N，当杠杆缓慢到达如图丙所示的水平位置时，人对绳子竖直向上的拉力为80N，请计算配重的重力为多少N？（忽略绳重及摩擦）
任务三：探讨桔槔的机械效率。同学们观察了桔槔取水的全过程：第一步落桶，人对绳施加竖直向下的力，将水桶放入水中，另一端配重上升，此时水桶的自重帮助完成这一过程；第二步提水，装满水后人对绳施加竖直向上的力，另一端配重下降将水桶提起，此时水桶的自重反而阻碍提水的过程。
小亮提出问题：“从取水全过程发现，第一步和第二步中水桶的自重作用完全相反，那么水桶的自重是否会影响桔槔的机械效率呢？”
小明回答说：“我们将这个问题简化一下。假设落桶和提水的过程中桶均缓慢运动，且下降和上升的高度相同，不计桔槔自重、摩擦，只分析桶在水面上的运动过程。落桶过程中，人向下的拉力做的功（W1）+桶减小的重力势能（E2）＝配重增加的重力势能（E1）。提水过程中……”
（4）请你仿照小明的分析写出提水过程中，人向上的拉力做的功（W2）与配重减小的重力势能（E1）、桶增加的重力势能（E2）、水增加的重力势能（E3）之间的关系式；并据此分析桔槔取水的全过程中桶的自重是否会影响桔槔的效率。
参考答案
1． 通常情况下，图乙的机械效率更高。理由如下：
有用功相同：两次实验中，重物的重力不变，提升的高度也相同。根据有用功公式W有用＝Gh（其中G为重物重力，h为重物提升高度），所以两次所做的有用功是相同的。额外功不同：额外功主要是克服杠杆自重以及摩擦力所做的功。在图甲中，弹簧测力计竖直向上拉时，杠杆自身重力的方向与拉力方向相反，会使得弹簧测力计的示数增大，额外功增加。而图乙中弹簧测力计竖直向下拉，杠杆自重方向与拉力方向相同，在提升重物过程中，杠杆自重有一部分帮助了拉力做功，使得弹簧测力计示数相对较小，克服杠杆自重所做的额外功相对较少。同时，由于两次实验装置相同，摩擦力可认为基本不变，但图甲中额外的杠杆自重影响更大。机械效率比较：根据机械效率公式：η100%，在有用功相同的情况下，图乙的额外功较小，所以总功也较小，因此图乙的机械效率更高。
2． （1）做功；机械；
（2）若汽缸内完全燃烧1.5kg汽油，释放的热量为6.9×107J；
（3）涡轮增压技术是指通过涡轮增压器提高发动机进气量的一种技术，涡轮增压器的动力来自发动机排出的废气，涡轮带动同轴的叶轮高速转动，空气中密度小、压强小，叶轮高速转动，空气流速大、压强小，叶轮下方压强大于上方压强，空气在压强差的作用下，被压入气缸，提高了气缸内的空气量，燃烧时释放的内能增大，在热机效率一定时，可以做的有用功越多；
（4）安装了涡轮增压器的发动机对外做的功多；当气缸内吸入相同体积的空气时，涡轮增压器能压缩更多的空气进入气缸，使空气的质量变大，在气缸内可以燃烧更多的燃料，燃烧时释放的内能增大，在热机效率一定时，可以做的有用功越多。
3． （1）水平金属杆的B端竖直向下压采样器时，由于力的作用是相互的，采样器对金属杆AB的力F2的方向竖直向上，如下图所示：
（2）①由OA＝18cm，OC＝24cm，AC＝30cm，
可得OA2+OC2＝AC2，
所以△AOC为直角三角形，由几何知识可得OD AC＝OA OC，
解得F1的力臂为：L1＝OD14.4cm＝0.144m，
机械手臂的液压杆AC对水平金属杆A端的拉力F1＝200N，
O为支点，F2的力臂L2＝OB＝72cm＝0.72m，
根据杠杆平衡条件F1L1＝F2L2可得采样器对金属杆B端的力F的大小：F＝F2F1200N＝40N；
②在采集器对金属杆拉力不变情况下，若连接点A向右移动一些（未过O点），L1变小，和F2和L2动力不变，根据F1L1＝F2L2可知AC上的力将变大；
（3）若考虑金属杆AB的自重，在采集器离开水面匀速提升重物到相同高度的过程中，对物体做的有用一定，如果把是挂B点向左移动（未过O点），物体高度相同，但杠杆转动的角度变大，使得杠杆重心上升的高度变大，因而左的额外功变大，有用功不变，总功变大，则机械手臂的机械效率将变小。
4． （1）W2+E人+E舱=E配
（2）游客减少的重力势能
（3）此过程中有用功是对人做的功：。
上升阶段： W1+E配= E舱+2E人→ W1=E舱+2E人-E配；
下降阶段：W2+E人+E舱=E配→W2=E配-E人-E舱
W总=W1+W2=E舱+2E人-E配+E配-E人+E舱=E人
η =
因此m0大小对效率没有影响
（4）E内=0.2E配，下降阶段：+E人+E舱=E配+0.2E配→=1.2E配-E人-E舱
=W1+=E舱+2E人-E配+1.2E配-E人-E舱=E人+0.2E配
η =
且随着m0增大，机械效率η减小。
5． （1）若某混动汽车匀速行驶10km用时0.2h，则其速度是50km/h；
（2）若汽油机完全燃烧2kg汽油，释放的热量是9.2×107J；
（3）油箱的油量或蓄电池的电量通过能量转化变为汽车所做的功，油量或电量越多，做的功就越多，通过公式W＝Fs，s，F一定的情况下，W越多，s就越大，所以会影响。
（4）串联式混动汽车的效率低，因为在混动汽车质量相同，转化效率相同的情况下，并联式和串联式都有蓄电池到电动机再到提供动力，这一部分转化效率相同，但是串联式在汽油机方面比并联式多了些步骤，它是先到发电机再到电动机再到提供动力，而并联式是汽油机直接提供动力，所以串联式在能量转化方面损耗更多，效率较低。
6． （1）大于（2）水桶不能提出井口（其他答案合理均可）（3）120N
（4）提水时，W2+E1=E2+E3①
落桶时，W1+E2=E1②
联立①②两式可得：W1+W2=E3
由此可知，落桶和提水时人的拉力做功的和（总功）等于水增加的重力势能（有用功），桶的自重不会影响拉力做功的多少，所以不会影响桔槔的机械效率。
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