7.3功率
【学习目标】
1.理解功率的概念,能运用功率的定义式P=进行有关的计算.
2.理解额定功率和实际功率的概念,了解平均功率和瞬时功率的含义.
3.根据功率的定义导出P=Fv,并能用于分析、计算和解释相关现象,如分析汽车功率一定时,牵引力与速度的关系.【出处:21教育名师】
【知识探究】
一、功率
[导学探究] 建筑工地上有三台起重机将重物吊起,下表是它们的工作情况记录:
起重机
编号
被吊物
体重量
匀速上
升速度
上升的
高度
所用
时间
做功
A
2.0×103 N
4 m/s
16 m
4 s
B
4.0×103 N
3 m/s
12 m
4 s
C
1.6×103 N
2 m/s
20 m
10 s
(1)三台起重机哪台做功最多?
(2)哪台做功快?怎样比较它们做功的快慢呢?
[知识梳理] 对功率的理解
1.功率的含义
(1)定义:功W与完成这些功所用________的比值.
(2)公式P=________.单位:________,简称________,符号________.
(3)意义:功率是表示物体做功________的物理量.
(4)普适性:此公式是功率的定义式,适用于任何情况下功率的计算.
2.额定功率和实际功率
(1)额定功率:机械允许长时间________工作时的________功率.发动机铭牌上的功率指的就是额定功率.21教育网
(2)实际功率:机械________工作时的输出功率.发动机的实际功率可以小于或等于额定功率,但不能长时间大于额定功率,否则会损坏机械.21*cnjy*com
[即学即用] 关于功率,下列说法正确的是( )
A.功率是描述力对物体做功多少的物理量
B.力做功时间越长,力的功率一定越小
C.力对物体做功越快,力的功率一定越大
D.力对物体做功越多,力的功率就越大
二、功率与速度
[导学探究] 一个物体在恒力F及其它力作用下,以速度v做匀速直线运动.求:
(1)在t时间内,力F对物体所做的功;
(2)在t时间内力F的功率;
[知识梳理] 功率与速度
1.功率与速度的关系:
(1)当F与v方向相同时,P=________;
(2)当F与v夹角为α时,P=__________.
2.平均功率和瞬时功率
(1)平均功率:时间t内功率的平均值,计算公式:=________和=F.
(2)瞬时功率:某一时刻功率的瞬时值,能精确地描述做功的快慢,计算公式:P=________,其中v为瞬时速度;当F与v夹角为α时,P=Fvcos α.21教育名师原创作品
[即学即用] 在平直公路上以一定速率(约为5 m/s)匀速行驶的自行车所受阻力为车和人总重量的0.02倍,则骑车人的功率是(车和人的总质量约为100 kg,g=10 m/s2)( )
A.0.1 kW B.1×103 kW
C.1 kW D.10 kW
【典例精析】
一、平均功率与瞬时功率的计算
例1 一台起重机将静止在地面上、质量为m=1.0×103 kg的货物匀加速竖直吊起,在2 s末货物的速度v=4 m/s.(取g=10 m/s2,不计额外功)求:
(1)起重机在这2 s内的平均功率;
(2)起重机在2 s末的瞬时功率.
[总结提升]
求解功率时应该注意的问题
首先要明确是求哪个力的功率,是某个力的功率,还是物体所受合力的功率.
注意 (1)汽车的功率是指汽车牵引力的功率,起重机的功率是指起重机钢丝绳拉力的功率.
(2)其次弄清是求平均功率还是求瞬时功率
读题时一定注意一些关键词:“某秒末”或“到某位置时”的功率是求瞬时功率,只能用P=Fv;“某段时间内”或“某个过程中”等词语,就是求平均功率,此时可用=,也可以用=F.www.21-cn-jy.com
针对训练 1 (多选)如图1所示,在光滑的水平面上放着一个质量为10 kg的木箱,拉力F与水平方向成60°角,F=2 N.木箱从静止开始运动,则( )【来源:21cnj*y.co*m】
图1
A.4 s末拉力的瞬时功率为0.2 W
B.4 s末拉力的瞬时功率为0.4 W
C.移动3.2 m的过程中拉力的功率为0.8 W
D.移动3.2 m的过程中拉力的功率为0.4 W
二、P=Fv的应用
例2 在水平路面上运动的汽车的额定功率为100 kW,质量为10 t,设阻力恒定,且为车重的0.1倍(g取10 m/s2),求:【版权所有:21教育】
(1)若汽车以0.5 m/s2的加速度从静止开始做匀加速直线运动,汽车的功率如何变化?这一过程能维持多长时间?
(2)若汽车以不变的额定功率从静止启动,汽车的加速度如何变化?当汽车的加速度为2 m/s2时,速度为多大?
(3)汽车在运动过程中所能达到的最大速度的大小.
[总结提升]
机车的两种启动方式
(1)机车以恒定功率启动的过程分析
由P=Fv知,随速度的增加、牵引力减小,又由a=知加速度逐渐减小,故汽车以恒定功率启动,实际上是做加速度逐渐减小的加速运动,当加速度a=0时,汽车达到速度的最大值,此时F=Ff,vm=.这一启动过程的v-t图象如图2所示.
图2
(2)机车以恒定加速度启动的过程分析
图3
此过程牵引力F=ma+Ff,开始保持不变,由P=Fv知随速度的增大,P逐渐增大,当达到额定功率时,匀加速过程结束,此时速度为v0=,之后,保持功率不变继续加速(与1中过程相同),最后仍有vm=.这一运动过程的v-t图象如图3所示.2·1·c·n·j·y
说明 (1)以恒定加速度启动时,匀加速结束时速度并未达到最大速度vm.
(2)两种启动方式最终最大速度的计算均为vm=.
针对训练 2 汽车在平直公路上以速度v0匀速行驶,发动机功率为P,快进入闹市区时,司机减小了油门,使汽车的功率立即减小一半并保持该功率继续行驶.下面四个图象中,哪个图象正确表示了从司机减小油门开始,汽车的速度与时间的关系( )
【达标检测】
1.关于功率,以下说法中正确的是( )
A.据P=可知,机器做功越多,其功率就越大
B.据P=Fv可知,汽车牵引力一定与速度成反比
C.据P=可知,只要知道时间t内机器所做的功,就可以求得这段时间内任一时刻机器做功的功率
D.根据P=Fv可知,发动机功率一定时,交通工具的牵引力与运动速度成反比
2.质量为2 kg的物体做自由落体运动,经过2 s落地.取g=10 m/s2.关于重力做功的功率,下列说法正确的是( )
A.下落过程中重力的平均功率是400 W
B.下落过程中重力的平均功率是100 W
C.落地前的瞬间重力的瞬时功率是400 W
D.落地前的瞬间重力的瞬时功率是200 W
3.在水平路面上匀速行驶的汽车,从某时刻起,汽车受到的牵引力F牵、阻力Ff随时间t的变化规律如图4所示.汽车在t1到t2这段时间内运动时,其牵引力的功率P与时间t的变化关系图象如下图所示中的( )2-1-c-n-j-y
图4
4.汽车发动机的额定功率P=60 kW,若其总质量为m=5 t,在水平路面上行驶时,所受阻力恒为F=5.0×103 N,则:
(1)汽车保持恒定功率启动时:①求汽车所能达到的最大速度vmax.②当汽车加速度为2 m/s2时,速度是多大?
③当汽车速度是6 m/s时,加速度是多大?
(2)若汽车以a=0.5 m/s2的加速度由静止开始做匀加速运动,这一过程能维持多长时间?
答案精析
知识探究
一、
导学探究 (1)三台起重机分别做功3.2×104 J、4.8×104 J、3.2×104 J,所以B做功最多.
(2)B做功快,可以用功与所用时间的比值表示做功的快慢.
知识梳理
1.(1)时间t (2) 瓦特 瓦 W (3)快慢
2.(1)正常 最大 (2)实际
即学即用 C [功率是描述力对物体做功快慢的物理量,做功越快,功率越大,A错误,C正确;力对物体做功时间长,未必做功慢,B错误;力对物体做功多,未必做功快,D错误.]
二、
导学探究 (1)在t时间内的位移l=vt.力F在t时间内所做的功W=Fl=Fvt.
(2)t时间内力F的功率P===Fv.
知识梳理
1.(1)Fv (2)Fvcos α
2.(1) (2)Fv
即学即用 A [车速v=5 m/s,骑车时的牵引力F=Ff=0.02×100×10 N=20 N,所以功率P=Fv=20×5 W=100 W,即0.1 kW,故A正确.]21世纪教育网版权所有
典例精析
例1 (1)2.4×104 W (2)4.8×104 W
解析 设货物所受的拉力为F,加速度为a,则
(1)由a=得a=2 m/s2
F=mg+ma=1.0×103×10 N+1.0×103×2 N=1.2×104 N
2 s内货物上升的高度h=at2=4 m
起重机在这2 s内对货物所做的功
W=F·h=1.2×104×4 J=4.8×104 J
起重机在这2 s内的平均功率
===2.4×104 W
注意 此题货物的平均功率也可以由=F求
即=F·=1.2×104× W=2.4×104 W
(2)起重机在2 s末的瞬时功率
P=Fv=1.2×104×4 W=4.8×104 W
针对训练 1 BD [木箱的加速度a==0.1 m/s2,4 s末的速度v=at=0.4 m/s,则瞬时功率P=Fvcos α=0.4 W,B正确.由x=at2得移动3.2 m的时间为8 s,这一过程拉力的功为W=Fxcos 60°=2×3.2× J=3.2 J.平均功率为== W=0.4 W.D正确.]
例2 (1)功率逐渐变大 s (2)加速度逐渐减小 m/s (3)10 m/s
解析 (1)汽车从静止开始做匀加速直线运动的过程中,a1不变,则牵引力F不变,由P=Fv知,v变大,P也变大,当P=P额时,此过程结束.21cnjy.com
F1=Ff+ma1=(0.1×104×10+104×0.5) N=1.5×104 N
v1== m/s= m/s,
则t== s= s.
(2)汽车以不变的额定功率从静止启动,v变大,由P=Fv知,牵引力F减小,故汽车的加速度减小.F2=Ff+ma2=(0.1×104×10+104×2) N=3×104 N21·cn·jy·com
v2== m/s= m/s.
(3)当汽车速度最大时,a3=0,F3=Ff,P=P额,故
vmax== m/s=10 m/s.
针对训练 2 C [汽车在匀速行驶时牵引力等于阻力,而当功率减半时速度不变,由此可知牵引力减半,故阻力大于牵引力,汽车将减速,因功率恒定,故做变减速运动,而牵引力变大,由a=知加速度逐渐减小.当牵引力等于阻力后,汽车将做匀速运动.由以上分析可知C项正确.]【来源:21·世纪·教育·网】
达标检测
1.D [P=表明,功率不仅与机器做功的多少有关,同时还与做功所用的时间有关,所以A选项错误;且该式求出来的是平均功率,所以C选项也错误;P=Fv,当功率一定时,在一定阶段汽车的牵引力与速度成反比,但当牵引力等于阻力时,速度不变,牵引力也不再变化,所以D选项正确;还有一种情况,当牵引力一定时,速度增加,功率也增加,在这种情况下牵引力F是不变的,所以B选项错误.]www-2-1-cnjy-com
2.C [物体2 s内下落的高度为h=gt2=20 m,落地时的速度为v=gt=20 m/s,所以下落过程中重力的平均功率是=200 W,落地前的瞬间重力的瞬时功率是P=mgv=400 W,选项C正确.]21*cnjy*com
3.C [在t1~t2的时间段内,Ff>F牵,且大小不变都为恒力,由牛顿第二运动定律可得,汽车在t1~t2这段时间内做匀减速直线运动,v=v0-at,其牵引力的功率P=F牵v=F牵(v0-at),C正确.]
4.(1)①12 m/s ②4 m/s ③1 m/s2 (2)16 s
解析 汽车在运动中所受的阻力大小为:F=5.0×103 N.
(1)汽车保持恒定功率启动时,做加速度逐渐减小的加速运动,当加速度减小到零时,速度达到最大.
①当a=0时速度最大,所以,此时汽车的牵引力为F1=F=5.0×103 N,则汽车的最大速度为vmax== m/s=12 m/s.
②当汽车的加速度为2 m/s2时,牵引力为F2,由牛顿第二定律得:F2-F=ma,F2=F+ma=5.0×103 N+5.0×103×2 N=1.5×104 N,汽车的速度为v== m/s=4 m/s.
③当汽车的速度为6 m/s时,牵引力为F3== N=1×104 N.由牛顿第二定律得F3-F=ma,汽车的加速度为a== m/s2=1 m/s2.
(2)当汽车以恒定加速度a=0.5 m/s2匀加速运动时,汽车的牵引力为F4,由牛顿第二定律得F4-F=ma,F4=F+ma=5.0×103 N+5×103×0.5 N=7.5×103 N.汽车匀加速运动时,其功率逐渐增大,当功率增大到等于额定功率时,匀加速运动结束,此时汽车的速度为vt== m/s=8 m/s.21·世纪*教育网
则汽车匀加速运动的时间为:t== s=16 s.
7.3功率习题课:功和功率
【学习目标】
1.熟练掌握恒力做功的计算方法.
2.能够分析摩擦力做功的情况,并会计算一对摩擦力对两物体所做的功.
3.能区分平均功率和瞬时功率.
【典例精析】
一、功的计算
例1 质量为2 kg的物体置于水平面上,在运动方向上受到水平拉力F的作用,沿水平方向做匀变速运动,拉力F作用2 s后撤去,物体运动的速度图象如图1所示,则下列说法正确的是(取g=10 m/s2)( )www-2-1-cnjy-com
图1
A.拉力F做功150 J
B.拉力F做功350 J
C.物体克服摩擦力做功100 J
D.物体克服摩擦力做功175 J
例2 在水平面上,有一弯曲的槽道AB,由半径分别为和R的两个半圆构成.如图2所示,现用大小恒为F的拉力将一光滑小球从A点拉至B点,若拉力F的方向时时刻刻均与小球运动方向一致,则此过程中拉力所做的功为( )2-1-c-n-j-y
图2
A.零 B.FR
C.πFR D.2πFR
[方法总结]
1.恒力的功
功的公式W=Flcos α,只适用于恒力做功.即F为恒力,l是物体相对地面的位移,流程图如下:
2.变力做功的计算
(1)将变力做功转化为恒力做功.
当力的大小不变,而方向始终与运动方向相同或相反时,这类力的功等于力和路程的乘积.
(2)当变力做功的功率P一定时,如机车恒定功率启动,可用W=Pt求功.
(3)用平均力求功:若力F随位移x线性变化,则可以用一段位移内的平均力求功,如将劲度系数为k的弹簧拉长x时,克服弹力做的功21世纪教育网版权所有
W=x=·x=kx2.
(4)用F-x图象求功
若已知F-x图象,则图象与x轴所围的面积表示功,如图3所示,在位移x0内力F做的功W=x0.
图3
二、摩擦力做功的特点与计算
例3 质量为M的木板放在光滑水平面上,如图4所示.一个质量为m的滑块以某一速度沿木板表面从A点滑至B点,在木板上前进了l,同时木板前进了x,若滑块与木板间的动摩擦因数为μ,求摩擦力对滑块、对木板所做的功各为多少?滑动摩擦力对滑块、木板做的总功是多少?21·cn·jy·com
图4
例4 如图5所示,质量为m的木块放在质量为2m的木板上,木板置于光滑水平面上.现用力F沿水平方向拉木板,木块与木板相对静止,当木板移动的位移为x时:木块与木板间的静摩擦力对木块、木板分别做功为多少?静摩擦力对木块和木板做的总功是多少?
图5
[总结提升]
摩擦力做功的特点
(1)一对相互作用的滑动摩擦力等大反向但物体之间存在相对滑动,即两个物体的对地位移不相同,由W=Flcos α可判断一对相互作用的滑动摩擦力做功的总和不为零.
(2)一对相互作用的静摩擦力等大反向且物体之间相对静止,即两个物体的对地位移相同,由W=Flcos α可判断一对相互作用的静摩擦力做功的总和为零.2·1·c·n·j·y
三、功率的计算
例5 如图6甲所示,滑轮质量、摩擦均不计,质量为2 kg的物体在F作用下由静止开始向上做匀加速运动,其速度随时间的变化关系如图乙所示,由此可知(g取10 m/s2)( )
图6
A.物体加速度大小为2 m/s2
B.F的大小为21 N
C.4 s末F的功率大小为42 W
D.4 s内F做功的平均功率为42 W
[方法总结]
计算功率的基本思路
(1)首先判断待求功率是瞬时功率还是平均功率.
(2)功率的计算方法:
①平均功率:
a.利用=
b.利用=Fcos α.
②瞬时功率:P=Fvcos α,v是瞬时速度.
针对训练 如图7所示,从空中以40 m/s的初速度平抛一重为10 N的物体,物体在空中运动3 s落地,不计空气阻力,取g=10 m/s2,则物体下落过程中的平均功率和落地前瞬间,重力的瞬时功率分别为( )www.21-cn-jy.com
图7
A.300 W 300 W B.150 W 300 W
C.150 W 500 W D.300 W 500 W
四、机车启动问题
1.机车的输出功率:P=Fv,其中F为机车的牵引力,v为机车的瞬时速度.
2.无论哪种启动过程,机车的最大速度都等于其匀速运动时的速度,即vm==.
3.机车以恒定加速度启动,匀加速过程结束时,功率最大,但速度不最大,v=4.机车以恒定功率运行时,牵引力的功W=Pt.
例6 如图8所示,为修建高层建筑常用的塔式起重机.在起重机将质量m=5103 kg的重物竖直吊起的过程中,重物由静止开始向上做匀加速直线运动,加速度a=0.2 m/s2,当起重机输出功率达到其允许的最大值时,保持该功率直到重物做vm=1.02 m/s的匀速运动.取g=10 m/s2,不计额外功.求:21·世纪*教育网
图8
(1)起重机允许的最大输出功率;
(2)重物做匀加速运动所经历的时间和起重机在第2 s末的输出功率.
【达标检测】
1.以一定的速度竖直向上抛出一个小球,小球上升的最大高度为h,空气的阻力大小恒为F,则从抛出至落回出发点的过程中,空气阻力对小球做的功为( )21*cnjy*com
A.0 B.-Fh
C.-2Fh D.-4Fh
2.如图9所示,A、B两物体叠放在一起,A被不可伸长的细绳水平系于左墙上,B在拉力F作用下,向右匀速运动,在此过程中,A、B间的摩擦力做功情况是( )
图9
A.对A、B都做负功
B.对A、B都不做功
C.对A不做功,对B做负功
D.对A做正功,对B做负功
3.(多选)一辆轿车质量为m,在平直公路上运行,启动阶段轿车牵引力保持不变,而后以额定功率继续行驶,经过一定时间,其速度由零增大到最大值vm,若所受阻力恒为Ff.则关于轿车的速度v、加速度a、牵引力F、功率P的图象正确的是( )
4.如图10所示,水平传送带正以v=2 m/s的速度运行,两端水平距离l=8 m,把一质量m=2 kg的物块轻轻放到传送带的A端,物块在传送带的带动下向右运动,若物块与传送带间的动摩擦因数μ=0.1,不计物块的大小,g取10 m/s2,则把这个物块从A端传送到B端的过程中,摩擦力对物块做功的平均功率是多少?1 s时,摩擦力对物块做功的功率是多少?传送带克服摩擦力做功的功率是多少?【来源:21·世纪·教育·网】
图10
答案精析
典例精析
例1 AD [由图象可知撤去拉力后,物体做匀减速直线运动,加速度大小a2=2.5 m/s2,所以滑动摩擦力F1=ma2=5 N;加速过程加速度a1=2.5 m/s2,由F-Ff=ma1,得拉力F=ma1+Ff=10 N.由图象可知F作用2 s的时间内位移l1=15 m,撤去F后运动的位移l2=20 m,全程位移l=35 m,所以拉力F做功W1=Fl1=1015 J=150 J,A正确,B错误.物体克服摩擦力做功W2=Ffl=535 J=175 J,C错误,D正确.]21cnjy.com
例2 C [小球受的拉力F在整个过程中大小不变,方向时刻变化,是变力.但是,如果把圆周分成无数微小的弧段,每一小段可近似看成直线,拉力F在每一小段上方向不变,每一小段上可用恒力做功的公式计算,然后将各段做功累加起来.设每一小段的长度分别为l1,l2,l3…ln,拉力在每一段上做的功W1=Fl1,W2=Fl2…Wn=Fln,拉力在整个过程中所做的功W=W1+W2+…+Wn=F(l1+l2+…+ln)=F=πFR.]【来源:21cnj*y.co*m】
例3 -μmg(l+x) μmgx -μmgl
解析 由题图可知,木板的位移为lM=x时,滑块的位移为lm=l+x,m与M之间的滑动摩擦力Ff=μmg.【出处:21教育名师】
由公式W=Flcos α可得,摩擦力对滑块所做的功为Wm=μmglmcos 180°=-μmg(l+x),负号表示做负功.摩擦力对木板所做的功为WM=μmglM=μmgx.【版权所有:21教育】
这对滑动摩擦力做的总功:W=Wm+WM=-μmg(l+x)+μmgx=-μmgl
例4 见解析
解析 对整体有:F=3ma.对木块有F静=ma
故F静=.由公式W=Flcos α得,
静摩擦力对木块所做的功为Wm=F静·x=Fx
静摩擦力对木板做的功为W2m=-F静·x=-Fx
静摩擦力对木块和木板做的总功是
W=Wm+W2m=Fx+(-Fx)=0.
例5 C [由速度-时间图象可得加速度a=0.5 m/s2.由牛顿第二定律得:2F-mg=ma,所以F==10.5 N.4 s末,P=Fv=10.522 W=42 W.4 s内,=== W=21 W,故选项C正确.]21教育名师原创作品
针对训练 B [下落过程的平均功率=,而h=gt2,得= W=150 W.物体落地瞬间vy=gt=30 m/s,所以PG=Gvy=300 W,故B正确.]21*cnjy*com
例6 (1)5.1104 W (2)5 s 2.04104 W
解析 (1)设起重机允许的最大输出功率为P0,重物达到最大速度时拉力F0等于重力.P0=F0vm,F0=mg.
代入数据,得:P0=5.1104 W.
(2)匀加速运动结束时,起重机达到允许的最大输出功率,
设此时重物受到的拉力为F,速度为v1,匀加速运动经历时间为t1,
有:P0=Fv1,F-mg=ma,v1=at1.
代入数据,得t1=5 s.
t=2 s时,重物处于匀加速运动阶段,设此时速度为v2,输出功率为P,v2=at,P=Fv2.得:P=2.04104 W.21教育网
达标检测
1.C [从全过程看,空气的阻力为变力,但将整个过程分为两个阶段:上升阶段和下落阶段,小球在每个阶段受到的阻力都为恒力,且总是跟小球运动的方向相反,所以空气阻力对小球总是做负功.全过程空气阻力对小球做的功等于两个阶段所做功的代数和,即W=W上+W下=(-Fh)+(-Fh)=-2Fh.空气阻力、摩擦阻力是一种特殊的力,在计算这种力做的功时,不可简单地套用功的计算公式W=Flcos α,得出W=0的错误结论.从上面的正确结果可以看出:空气阻力做的功在数值上等于阻力与全过程中小球路程的乘积.故选C.]
2.C
3.ACD [由于汽车受到的牵引力不变,加速度不变,所以汽车在开始阶段做匀加速运动,当实际功率达到额定功率时,功率不增加了,再增加速度,就须减小牵引力,当牵引力减小到等于阻力时,加速度等于零,速度达到最大值vm==,所以A、C、D正确,B错误.]
4.0.8 W 2 W 4 W
解析 物块受向右的摩擦力为:Ff=μmg=0.1210 N=2 N,
加速度为a==μg=0.110 m/s2=1 m/s2,当物块与传送带相对静止时,物块的位移为:x== m=2 m,摩擦力做功为:W=Ffx=22 J=4 J,相对静止后物块与传送带之间无摩擦力,此后物块匀速运动到B端,物块由A端运动到B端所用的时间为:t=+= s+ s=5 s,则物块在被传送过程中所受摩擦力的平均功率为:== W=0.8 W,1 s时,物块的速度为:v1=at1=1 m/s,则摩擦力对物块做功的功率为:P1=Ffv1=21 W=2 W,传送带的速度为v=2 m/s,故传送带克服摩擦力做功的功率为:P2=Ffv=22 W=4 W.