鮑雪峰
一、滑輪組的機械效率
1.豎直方向勻速提升物體
例1 江南科技館有一種神奇的裝置,如圖1所示.借助該裝置,小明僅用150N的拉力就提起了重量為600N的摩托車.問:此過程中該裝置的機械效率為多少?
分析 該裝置可看做滑輪組,由圖可知承擔物重的繩子股數n=5,則s=5h;
已知摩托車重和拉力大小,根據公式W有用
=Gh可求做的有用功,利用W總=Fs求總功,有用功與總功的比值就是滑輪組的機械效率.
解答 從圖上可以看出,承擔物重的繩子股數n=5,則s=5h,該裝置的機械效率:
η=■=■=80%.
點評 本題考查了變形滑輪組的機械效率的計算,是基于圖形進行動態思考,分析清楚承擔物重的繩子股數(直接從動滑輪上引出的繩子股數),題目就能迎刃而解.
2.水平方向勻速拉動物體
例2 用如圖2所示機械拉著重500N的物體在水平地面上勻速運動2m,物體受到的摩擦力為120N,繩子的水平拉力為50N,求:
(1)對物體做的有用功;
(2)拉力做的總功;
(3)滑輪組的機械效率.
分析 (1)物體沿水平方向運動時,克服物體與地面間的摩擦力所做的是有用功.已知摩擦力和物體運動的距離,利用W有用
=fl計算有用功.
(2)已知物體運動的距離和作用在動滑輪上的繩子股數,可以得到繩子拉過的長度;已知繩子拉過的長度和拉力,利用W總
=Fs得到總功.
(3)已知有用功和總功,兩者之比為機械效率.
解答 (1)對物體做的有用功:
W有用=fl=120N×2m=240J.
(2)繩子拉過的長度:
s=3l=3×2m=6m,
拉力做的總功:
W總=Fs=50N×6m=300J.
(3)滑輪組的機械效率:
η=■=■=80%.
答 (1)對物體做的有用功為240J.(2)拉力做的總功為300J.(3)滑輪組的機械效率為80%.
點評 物體在水平方向運動時,動力克服的是摩擦力,所以對摩擦力做的是有用功,機械效率的大小與物重無關.
二、斜面的機械效率
例3 如圖3所示為傾角30°的固定斜面,方明同學用平行于斜面500N的推力將重力為700N的物體在5s時間內勻速推高1m.(g取10N/kg)求:斜面的機械效率?
分析 本題是一個斜面問題,由圖可知當物體被推高1m時,物體在斜面上移動的距離s=2h=2m.
已知物體的重力和拉力的大小,根據公式W有用=Gh可求做的有用功,利用W總
=Fs求總功,有用功與總功的比值就是滑輪組的機械效率.
解答 從圖上可以看出,物體被推高的高度h=1m,則s=2h=2m,
該裝置的機械效率:η=■=■
=■=■=70%.
答 該斜面的機械效率為70%.
點評 本題考查了斜面的機械效率的計算,關鍵是把G、h、F、s這些物理量理清楚,正確運用斜面機械效率的公式.
【拓展】斜面對物體的摩擦力大???
分析 額外功W額=fs,總功W總=Fs,
如果f=F,那么就意味著W額=W總,W有用
=0.機械效率η=0,所以f≠F.
那么如何去求f呢?
我們知道W額=fs,那么f=W額/s,
利用W額=W總-W有用,
即可求得f.
解答 W有用=Gh=700N×1m=700J,
s=2h=2×1m=2m,
W總=Fs=500N×2m=1000J,
W額=W總-W有用=1000J-700J=300J,
f=■=■=150N.
答 斜面對物體的摩擦力大小為150N.
點評 在斜面上勻速運動的物體的摩擦力不等于牽引力,而是通過先計算額外功再來求解摩擦力.
三、杠桿的機械效率
例4 如圖4所示,在杠桿的中點掛一質量為20kg的物體,某人在端點用125N向上的力將該物體勻速提高了0.5m.則此人對物體做功的機械效率為多少?
分析 被提升物體的重力:
G=mg=200N.
物體升高的距離h1=0.5m,動力F
=125N,但動力作用點升高的距離h2未知.
由圖知,物體升高的距離h1=AB,
又△AOB∽△A′OB′,
故AB∶A′B′=AO∶A′O=1∶2,
A′B′=2AB=2×0.5m=1m,
則η=■=■=■=80%.
答 人對物體做功的機械效率為80%.
點評 本題考查的是杠桿機械效率的計算,關鍵是動力作用點升高的距離h2的確定.