第4节 人与机械
学 习 目 标
知 识 脉 络(教师用书独具)
1.知道机械的额定功率和机械效率的物理意义，能熟练计算机械效率．(重点)
2．理解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，它们之间无必然的联系．(难点)
3．了解现代机械的发展水平及使用.
一、功率和机械效率
1．机械效率
(1)定义：有用功与总功的比值或克服有用阻力做功的有用功率与总功率的比值．
(2)定义式：η＝＝.
(3)特点：不考虑摩擦阻力和其他额外阻力的理想情况下，机械效率等于1，实际情况中机械效率总小于1.
(4)物理意义：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．
2．功率与机械效率
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．
二、机械的使用
1．使用目的
代替甚至超越人力工作，使人们的工作更轻松、更有效．
2．发展趋势
智能化水平越来越高，高智能机器人广泛进入生产、生活的各个领域．
3．注意问题
智能化机械若使用不当，会给人类造成危害．
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)在理想情况下，机械效率可以大于1. (×)
(2)有用功增大时机械效率一定增大． (×)
(3)功率的大小和机械效率没有关系． (√)
(4)总功一定，增大额外功可以提高机械效率． (×)
(5)有用功一定，减少额外功可以提高机械效率． (√)
(6)额外功一定，减少总功可以提高机械效率． (×)
2．下列关于功率和机械效率的说法中，正确的是( )
A．现在机械的机械效率小于1，将来有可能出现新的机械，其效率突破1
B．功率的大小与机械效率的大小无关
C．机械效率越大，说明有用功率越大
D．功率越大，机械效率越大
B [机械在做功的过程中，由于W总＝W有用＋W额外，所以W有用永远不可能大于W总，因此机械效率不可能大于1，故A错误．功率和机械效率是两个不同的物理量，功率是表示做功快慢的物理量，机械效率是表示对总能量利用率大小的物理量，两者没有必然联系，故B正确，D错误．机械效率越大，说明有用功率在总功率中占的比重越大，并不能说明有用功率越大，有可能是额外功率变小了，故C错误．]
3．甲、乙两个机械的机械效率分别为80%、60%，两者相比，则下列说法中正确的是( )
A．使用甲机械省力
B．使用甲机械做功快
C．在相同时间内，使用甲机械完成的功多
D．乙机械的额外功在总功中占的比例大
D [机械效率是有用功和总功的比值，表示有用功在总功中所占的份额，与是否省力、做功多少和做功快慢无关．]
功率和机械效率
功率
机械效率
定义
物体所做的功跟完成这些功所用时间的比值
有用功跟总功的比值或有用功率和总功率的比值
公式
P＝或P＝Fv
η＝或η＝，总小于1
意义
表示做功的快慢
表示机械对总能量利用率的高低
关系
两者没有必然的联系，功率大的机械效率不一定高，机械效率高的功率不一定大
【例1】 由一个动滑轮和一个定滑轮组成的滑轮组，把一重为40 N的物体匀速提升1 m时，人站在地面上所用的向下的拉力为25 N．若绳重及摩擦不计，则滑轮组的机械效率为多大？滑轮有多重？
思路点拨：解此题的关键是理解“向下的拉力”，说明有两段绳子拉着动滑轮．
[解析] 由题意知，有两段绳子承受物体和动滑轮的重力．
W总＝Fs＝F×2h＝25×2×1 J＝50 J
W有用＝Gh＝40×1 J＝40 J
所以机械效率η＝＝80%
W额外＝W总－W有用＝10 J，G动滑轮＝＝10 N.
[答案] 80% 10 N
求解机械效率的步骤和方法
(1)对机械进行受力分析和运动状态分析，找出动力和阻力，尤其注意分清有用阻力和无用阻力．
(2)根据功的公式求解动力做的功(总功)、有效阻力做的功(有用功)、无效阻力做的功(额外功)．
(3)有用功与总功的比值就是机械的机械效率．
1．有甲、乙两台机械，功率P甲>P乙，机械效率η甲<η乙，下列说法正确的是( )
A．在相同的时间内，乙机械做的功多
B．做相同的有用功，甲用的时间少
C．甲机械中的摩擦阻力一定比乙机械中的大
D．甲机械的输出功率和输入功率之比小于乙机械的输出功率和输入功率之比
D [机械所做的功W＝Pt，由于P甲>P乙，所以在相同时间内W甲>W乙，故A错；机械所做的有用功W有＝ηPt，由此可知有用功由η、P、t三个因素决定，所以无法比较做相同的有用功所用的时间，故B错；无用功应包括克服摩擦阻力和额外阻力所做的功，所以效率低的机械摩擦阻力不一定大，故C错；根据定义式η＝可知，D正确．]
机械的使用
1.如何提高机械的机械效率
(1)根据机械效率的定义知道，当总功一定时，机械所做的有用功越多或额外功越少，机械效率就越高．当有用功一定时，机械所做的总功越少或额外功越少，机械效率就越高．当额外功一定时，机械所做的总功越多或有用功越多，有用功在总功中所占的比例就越大，机械效率就越高．
(2)要提高机械效率，通常是通过减少额外功来实现的，在无法减少额外功的情况下，则采用增大有用功的方式来实现．
(3)机械效率反映了机械做功或利用该机械实现能量转化的有效程度．提高机械效率有着十分重要的意义，不仅有很高的经济价值，而且能增强人们的效率意识．
2．提高机械效率的有效途径
(1)尽量减少额外功，采取减轻机械本身的重力和加润滑油减小摩擦的办法．
(2)当额外功一定时，在机械能承受的范围内，尽可能增加每次提起重物的重力，充分发挥机械的作用．
【例2】 如图所示，不计任何摩擦，分别用定滑轮、动滑轮、滑轮组把同一个物体匀速升到同一高度，其中机械效率最高的是( )
A．定滑轮 B．动滑轮
C．滑轮组 D．无法确定
A [在把重物匀速提升到同一高度的过程中，克服重力所做的功等于有用功，三种情况下所做的有用功相同，均为W有用＝Gh.
使用定滑轮时，拉力所做的总功为W1＝Gh，机械效率为η1＝1；
使用动滑轮时，拉力所做的总功为W2＝(G＋G0)×2h＝Gh＋G0h，机械效率为η2＝<1；
使用滑轮组时，拉力所做的功为
W3＝(G＋G0)×3h＝Gh＋G0h，
机械效率为η3＝<1；
综合上述分析可知，选项A正确．]
提升滑轮组效率的方法
在用滑轮组提升重物时，若不计摩擦阻力，则η＝＝＝＝＝
即提高滑轮组的机械效率可以采取增加被提升物的质量或减小滑轮质量的办法．
2．用如图所示的滑轮组分别把甲、乙、丙三个物体匀速提升1 m，三个物体的重力依次为300 N、600 N、800 N，则滑轮组的机械效率是( )
A．提升甲时较高
B．提升乙时较高
C．提升丙时较高
D．机械效率不变
C [依据η＝＝＝可知，在滑轮组不变的情况下，提起重物的重力越大，机械效率越高，故C正确．]
1．关于机械效率，下列说法正确的是( )
A．根据η＝可知，有用功越大，机械效率越高
B．额外功越大的机械，机械效率越小
C．有用功总小于总功，所以η＜1
D．越省力的机械，机械效率越高
C [有用功越大，若总功也越大，则机械效率不一定越高；额外功越大，若有用功越大，机械效率不一定越小．省力的机械不省功，机械效率不一定高．]
2．一台功率为10 kW的电动机，其效率为90%，带动一台效率为70%的起重机匀速提起1 t的重物，则重物的速率为( )
A．0.7 m/s B．7 m/s
C．0.63 m/s D．6.3 m/s
C [根据题意有Ptη＝mgvt，又η＝η1η2
解得v＝＝ m/s＝0.63 m/s.]
3．采取下列措施，可以提高机械效率的是( )
A．有用功一定，增大总功
B．总功一定，增大额外功
C．有用功一定，减少额外功
D．额外功一定，减少总功
C [由η＝，W总＝W有用＋W额外知，W有用一定，减少额外功，总功也相应减小，选项C正确．]
4．水能不产生污染物，是一种清洁能源．位于美国和加拿大交界处的尼亚加拉瀑布流量达每秒6 000 m3，而且一年四季流量稳定，瀑布落差50 m，若利用这一资源发电，设其效率为50%，请估算发电机的输出功率．(g取10 m/s2)
[解析] 每秒钟流下的水的质量
m＝ρV＝1×103×6 000 kg＝6×106 kg
每秒钟水减少的重力势能
Ep＝mgh＝6×106×10×50 J＝3×109 J
设发电机的输出功率为P，则有Epη＝Pt
解得P＝3×109×50% W＝1.5×109 W.
[答案] 1.5×109 W
课件36张PPT。第1章 功和功率第4节 人与机械234总功率有用功5等于小于有效程度做功利用率6轻松有效智能化7×××√×√89101112功率和机械效率13141516171819机械的使用20212223242526272829303132333435点击右图进入…Thank you for watching !课时分层作业(四)
[基础达标练]
(时间：15分钟 分值：50分)
一、选择题(本题共6小题，每小题6分，共36分)
1．(多选)下列关于人与机械的说法中正确的是( )
A．机械只能承担人类可以完成的工作
B．机械能够承担某些人类无法完成的工作
C．机械可以在超过额定功率的状态下长时间工作
D．机械可以在小于额定功率的状态下长时间工作
BD [机械不但能够承担人类可以完成的工作，也可以承担人类无法完成的一些工作，故A错误，B正确；机械长时间正常工作的条件是小于或等于额定功率，反之则机械容易损坏，故C错误，D正确．]
2．(多选)下列几种工具能省力的是( )
ABC [根据功的原理，任何机械都不能省功，但增加距离可以省力，A、B、C中工具省力，D中工具费力但省距离．]
3．在建筑工地上，需要把一车水泥运到楼顶，如果工人用手搬运，需要8名工人连续工作4小时才能搬完．但如果采用吊车搬运，只需1名工人工作1小时就能搬完．这件事说明了( )
A．使用机械能够省功
B．使用机械可以提高工作效率
C．工人用手搬运时，克服水泥重力做功多
D．吊车克服水泥重力做功多
B [使用任何机械都不省功，但可以提高工作效率，选项A错误，选项B正确；水泥质量相同，上升高度相同，所以两种情况克服重力做功相同．C、D选项均错误．]
4．下列说法正确的是( )
A．机械只能在额定功率下工作
B．功率越大，机械效率越大
C．功率的大小与机械效率的大小无关
D．随着科技的发展，机械效率有可能达到100%
C [机械实际工作的功率可以小于或等于额定功率，A错；功率与机械效率无必然联系，B错，C对；克服额外阻力而做的无用功总是存在的，故机械效率不可能达到100%，D错．]
5．如图所示，在相同的时间里，用力F甲、F乙把等重的物体提升相同的高度，乙的动滑轮比甲重(忽略绳重和摩擦)，比较它们的机械效率η甲、η乙和两力做功的功率P甲、P乙，则( )
A．η甲>η乙，P甲>P乙
B．η甲>η乙，P甲
C．η甲<η乙，P甲>P乙
D．η甲<η乙，P甲B [本题中有用功相同，但乙的动滑轮比甲重，所以乙的额外功大，由η＝可知η甲>η乙；又因为在相同的时间内提升相同的高度，即P有用＝＝相同，由η＝?P总＝，而η甲>η乙，所以P甲6．一滑轮组，不计绳子与滑轮间及所有滑轮的轮轴之间的摩擦，用它提升一重为G的货物时其机械效率为80%，则用此滑轮组来提升一重为2G的货物时，其机械效率将( )
A．大于80% B．等于80%
C．小于80% D．无法确定
A [设当提升重为G的货物时有用功为W有用，额外功为W额外，则有η＝＝80%；当提升重为2G的货物时有用功为2W有用，额外功保持不变，仍为W额外，所以有η′＝>80%.故选项A正确．]
二、非选择题(14分)
7．如图所示，某工人用滑轮组往3 m高的平台上运送沙土，已知沙土的质量为40 kg，箱子与动滑轮共重100 N，不计绳重和摩擦，工人匀速拉动绳索．则此过程中工人做的有用功是多少？此滑轮组的机械效率多大？(g取10 m/s2)
[解析] 工人做的有用功就是克服沙土重力所做的功：W有用＝mgh＝40×10×3 J＝1 200 J.
工人做的总功就是克服沙土、箱子和动滑轮总重力所做的功：W总＝(mg＋G)h＝(40×10＋100)×3 J＝1 500 J
机械效率为η＝＝×100%＝80%.
[答案] 1 200 J 80%
[能力提升练]
(时间：25分钟 分值：50分)
一、选择题(本题共4小题，每小题6分，共24分)
1．缆车的总质量为2 t，用额定功率为100 kW的电动机牵引，在倾角为θ＝53°的轨道上由静止向上运动，设电动机在额定功率下工作，电动机的效率为85%，缆车所受摩擦力大小为其重力的0.05倍．缆车可达到的最大速度为(sin 53°＝0.8，g取10 m/s2)( )
A．5 m/s B．6 m/s
C．85 m/s D．100 m/s
A [缆车在倾斜的轨道上运动．当牵引力F等于阻力时，缆车达到最大速度，而缆车的阻力等于重力沿轨道向下的分力Gsinθ与摩擦力f的合力．
即F＝mgsin 53°＋f ①
f＝0.05G ②
P额×85%＝F·vm ③
①②③联立得vm＝5 m/s
故A选项正确．]
2．如图所示，是工人师傅往高处运送货物的两种方法．物重均为500 N，滑轮重均为10 N，不计摩擦和绳重，下列说法正确的是( )
A．甲图中的拉力等于乙图中的拉力
B．甲图中的拉力小于乙图中的拉力
C．甲图中的机械效率小于乙图中的机械效率
D．甲图中的机械效率大于乙图中的机械效率
D [甲图中利用定滑轮拉货物，F1＝G货，乙图中利用动滑轮拉货物，F2＝，所以甲图中拉力大于乙图中拉力，A、B项错误；甲图中人所做总功等于克服货物重力所做的有用功，为理想机械，其机械效率为1，乙图中人所做总功等于克服货物重力所做的有用功和克服滑轮重力所做的额外功之和，机械效率小于1，C项错误，D项正确．]
3．(多选)如图所示，用滑轮组提升重物时，重800 N的物体在10 s内匀速上升了1 m．已知拉绳子的力F为500 N，则提升重物的过程中( )
A．绳子自由端被拉下3 m
B．做的有用功是800 J
C．拉力F的功率是80 W
D．滑轮组的机械效率是80%
BD [该滑轮组是由两段绳子承担物体的重力，即s＝2h＝2×1 m＝2 m．有用功W有用＝Gh＝800 N×1 m＝800 J，总功W总＝Fs＝500×2 J＝1 000 J
拉力的功率P＝＝＝100 W，
滑轮组的机械效率η＝＝×100%＝80%.
由此可知，选项B、D正确．]
4．在交通运输中，常用“客运效率”来反映交通工具的某项效能，“客运效率”表示每消耗单位能量对应的载客数和运送路程的乘积，即客运效率＝.一个人骑电动自行车，消耗1 MJ(106 J)的能量可行驶30 km，一辆载有4人的普通轿车，消耗320 MJ的能量可行驶100 km，则电动自行车与这辆轿车的客运效率之比是( )
A．6∶1 B．12∶5
C．24∶1 D．48∶7
C [自行车的客运效率＝1×30×103/106，普通轿车的客运效率＝4×100×103/(320×106)，则自行车与轿车客运效率比为：＝24∶1，选项C正确．]
二、非选择题(本题共2小题，共26分)
5．(12分)如图所示，重为100 N的物体G在大小为12 N的拉力F作用下，在水平方向匀速移动了2 m，弹簧测力计示数为5 N．试求滑轮的机械效率．
[解析] 依题图知，拉力F移动的距离为
s2＝s1＝×2 m＝1 m
利用滑轮做的总功为W总＝Fs2＝12 N×1 m＝12 J
因重物做匀速运动，f＝F′＝5 N
则有用功为W有用＝f·s1＝5 N×2 m＝10 J
根据η＝
得滑轮的机械效率为
η＝＝≈0.833＝83.3%.
[答案] 83.3%
6．(14分)如图所示，工人用240 N的拉力拉绳使水中的小船匀速靠岸，用10 min将绳子拉下60 m，已知小船重1.8×104 N，小船行进中受到的阻力是它所受重力的0.01倍，求：
(1)工人拉绳时做功的功率；
(2)此装置的机械效率．
[解析] (1)工人拉绳时做功的功率
P1＝＝＝ W＝24 W.
(2)小船靠岸时的有用功率
P2＝＝＝ W＝18 W
此装置的机械效率η＝＝75%.
[答案] (1)24 W (2)75%
