关于功的几个典型题目解析

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  人们在使用机械做功时,除做有用功外,还要克服机械中的摩擦做功,或克服机械本身重力做额外功,有用功与额外功之和称为总功.机械效率的公式为η=W有用/W总,只要找出有用功和总功这一关键,解题也就容易多了,如何找出和求得有用功与总功呢?求有用功W有用时,要看使用机械的目的,①提升重物,目的是克服重力做功,W有用=Gh;②水平方向匀速拉(推)物体,目的是克服阻力做功,W有用=fs.求总功W总时,要看机械运动的原因,方法大致有:
  
  1.用W总、W有用和W额外分别表示总功、有用功和额外功,在已知W有用、W额外时,根据W总=W有用+W额外求得总功.
  2.总功是动力做的功,用F表示动力,用s表示动力移动的距离,在知道F和s时,总功由W总=Fs求得.
  3.在已知机械效率和有用功求总功时,W总=W有用/η.
  4.在已知机械的功率P和做功时间t时,由W总=Pt求得总功比较方便.
  在涉及功的题目中,可以根据不同的情况选用合适的公式来求得相应的物理量.
  【例1】 如图1所示,用此滑轮组将720N的重物匀速提高0.5m,作用在绳子上的拉力是300N,求总功、有用功和该滑轮组的机械效率.
  解析:有用功是将重物G提高到h高度所做的功,即W有用=Gh,W有用=Gh=720N×0.5m=360J;总功为动力做的功,动力(即拉力)已知,拉力移动距离s是重物升高距离的3倍,s=3h,由W总=Fs求得总功,W总=Fs=F3h=300N×3×0.5m=450J;该滑轮组的机械效率η=W有用/W总=360J/450J=80%.
  【例2】 用如图2所示的滑轮匀速拉动放在水平地面上的物体A,物体A重7500N,物体与地面的滑动摩擦力f为150N,拉力F为100N.欲使物体A沿水平方向匀速前进1m,求:
  
  ①动力做的功是多少?
  ②滑轮的机械效率是多少?
  分析:动力所做的功是指拉力F拉动绳子自由端时对滑轮和物体做的总功;物体A做匀速直线运动,它在水平方向上受到的力是一对平衡力,所受拉力F与所受摩擦力大小是相等的,本题中有用功是指滑轮拉动物体克服地面与物体间的摩擦力所做的功,它等于F和物体在F方向上通过距离的乘积,有用功和总功由此可求.注意,解本题时不要认为克服摩擦力所做的功是额外功,它实际上是有用功.
  解:设物体移动的距离为s,则绳子自由端通过的距离为2s.
  ①W总=F2s=100N×2×1m=200J
  ②W有用=fs=150N×1m=150J
  ③η=W有用/W总=150J/200J=75%.
  【例3】 如图3所示的滑轮组,绳子的末端在力F的作用下,被拉下2m,使重2000N的物体升高了一段距离,已知滑轮组的机械效率是80%,求:
  
  ①滑轮组对物体做的有用功;
  ②拉力F做的功;
  ③拉力F的大小.
  分析:本题中滑轮组是由4段绳子吊着物体,物体升高的距离h为拉力移动距离的s的1∕4,h=s∕4,有用功由W有用=Gh求得.当求拉力F做的功时,因F不知,不能用W总=Fs求出;而在步骤①中求出了有用功,题目中已给出η,可由W总=W有用/η求得,F则由F=W总/s求得.
  解:W有用=Gh=2000N×2m/4=1000J
  W总=W有用/η=1000J/80﹪=1250J
  F=W总/s=W总/4h=1250J/2m=625N.
  【例4】 有一台起重机的功率为10kW,能在1min内把2t重的货物送到10m高处,这台起重机的机械效率是多少?
  解析:对于起重机起吊货物来说,起重机提起货物所做的功是有用功,电动机在1min内所做的功是总功,W总=Pt,机械效率由η=W有用/W总求得.
  η=W有用/W总=Gh/Pt=mgh/Pt,统一单位后代入数值可求出η,η=66.7%.
  对于做功问题,习题综合性较强,涉及的物理量较多,解题时要认真审题,弄清题意,根据题目所给条件,对物体所受的力作全面分析,关键分清哪些力对物体做有用功,哪些力对物体做总功,哪些力对物体没有做功,再灵活运用公式求出这些功,就可完整地解答题目.
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