简单机械和功问题分析

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  一、杠杆平衡
  例1 小虎用身边的器材做实验,验证杠杆的平衡条件。
  (1)塑料直尺放在圆柱形水杯上,使其在水平位置上平衡,如图1甲所示。则支点与直尺的_________一定在同一竖直线上。
  (2)往直尺两端放不同数量的相同硬币,并调节硬币的位置,使直尺在水平位置上平衡,如图1乙所示。
  ①若将左、右两侧各取下一枚硬币,则直尺 端将下沉。
  ②小明测出乙图中的l1、l2作为力臂的大小,是否正确?为什么?
  解析:在验证杠杆平衡条件的实验中,使杠杆在水平位置上平衡是为了使杠杆的重心落在支点上,从而在研究杠杆平衡条件时,可以不考虑杠杆自重对平衡的影响。第(2)问中的第①小问要判断直尺哪一端下沉,应该比较力和力臂的乘积大小来判断。
  答案:(1)重心
  (2)①右②错误,力臂应该是从硬币的重心到支点O的距离。
  提示:在判断直尺哪一端下降时,可以采用“极端”的方法来判断。因为从塑料尺上取下一枚硬币的结果与取下两枚的结果是相同的,所以可以认为塑料尺上都取下两枚硬币,这样,左边的硬币没有了,而右边还剩下一枚硬币,所以直尺肯定是右端下沉。一般方法是考虑△Fl的变化大小。
  二、做功与否
  例2 如图2所示,下列四种情况,人对物体做功的是()。
  解析:做功必须满足两个要素,一个是有力作用在物体上,另一个是物体在这个力的方向上移动一段距离,二者缺一不可。A中人提水桶的力竖直向上,而水桶在竖直方向上没有移动距离,所以人没有对水桶做功;B中人举着杠铃没有动,因此在杠铃受力的方向上没有移动距离,所以人对杠铃不做功;C中人用力搬动一块大石头,但是没有搬动,所以人对大石头不做功;D中人给车子一个向右的力,车子也向右移动了一段距离,所以人对车子做功。
  答案:D。
  提示:讨论某个过程做功与否,主要抓住做功的要素进行判断,两个要素具备则做功,不具备则不做功。
  三、功率
  例3 关于功率,下列说法正确的是()。
  A.做功越多,则功率越大
  B.功率越大,做功越慢
  C.功率越大的机械越省力
  D.功率越小的机械做功不一定少
  解析:功率表示做功的快慢,其公式为P=W/t,可见,功率的公式中涉及功和做功时间,但是功率与这两个物理量是无关的,这只是计算功率的方法。如果我们要讨论功率大小的话,必须指明做功时间。A中没有指明做功时间是否一定,因此无法判断不同过程中功率的快慢;B中的说法与实际情况刚好相反;C中把功率与机械的省力情况胡乱牵扯到一起,实际上功率是做功快慢问题,而省力是机械性能问题,两者没有必然的联系;D中是功率公式变形——W=Pt的应用,这里功的大小由两个因素决定,功率小,如果做工时间长,做出的功可以很多,D正确。
  答案:D。
  提示:本题属于功率物理意义的应用。功率和功之间没有直接的因果关系,功率大只能反映做功快,但做功不一定多,做功多并不表示做功快。
  四、功率与机械效率
  例4 关于功率和机械效率,下列说法正确的是()。
  A.功率大的机械,机械效率一定高
  B.做功多的机械,机械效率一定高
  C.做相同的有用功,额外功少的机械,机械效率一定高
  D.省力的机械,机械效率一定高
  解析:功率大,表示一定时间内做功多,只有这些功转化为有用功的比例大,机械效率才高,所以A错;B的错误情况和A一样;省力的机械所做的功中只有转化为有用功的比例大,机械效率才高,否则机械效率也可能很低,所以D错;总功相同,额外功越少,表示有用功越多,机械效率就越高,所以C正确。
  答案:C。
  提示:功率和机械效率之间也没有因果关系,功率表示做功的快慢,而机械效率是有用功和总功的比值,它们是完全不同的。
  五、机械效率计算
  例5 如图3所示,用一个动滑轮,把重100N的物体匀速提高3m,作用在绳子自由端的拉力为60N,求:(1)动滑轮的机械效率;(2)若用该动滑轮来提升重为180N的物体时,作用在绳子自由端的拉力为多大?此时,机械效率是多少?(不计绳重及摩擦)
  解析:在竖直方向,W有=Gh,W总=F1s,本题中的s=2h,由于不计绳重及摩擦,那么绳子的自由端的拉力:
  F== ,可见解题的关键是知道动滑轮的重力G。
  (1)η= = = =83.3%。
  (2)F1= =,
  G=2F-G=2×60N-100N=20N。
  F=== = 100N。
  η= = = =90%。
  提示:机械效率的计算,主要分为竖直方向和水平方向两种,难在如何计算W和W,如何判断s和h的关系,以及在水平方向η与G、G的关系怎样。
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