第13讲 机械做功与机械能（课件+讲义+练习）2023年中考物理【热点·重点·难点】专练（全国通用）

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2023年中考物理重难点突破第13讲  机械做功与机械能【重难点与突破】一、功1.物体做功的条件：（1）作用在物体上的力；（2）物体在这个力的方向上移动的距离。2.功的计算：功等于力与物体在力的方向上移动的距离的乘积。公式为：W=FS。W-功，单位：焦耳（J）；F-力，单位：牛（N）；S-距离，单位：米（m）。【例1】（2022连云港）2022年北京冬奥会上智能设备广泛应用，一款智能送餐机器人的重力是500N，如果机器人在水平路面上以0.8m/s的速度沿直线匀速运动50m，它所受到的阻力为60N。机器人的重力做功       J，牵引力对机器人做功        J。【分析】机器人在水平路面运动，所以在重力方向上没有移动距离，重力做功为0。机器人在水平路面做匀速直线运动时，受到的阻力和牵引力是一对平衡力，所以牵引力的大小为60N，沿该力移动的距离为50m，由功的计算公式W=FS可得牵引力对它做的功为：W=FS=60N×50m=3000J。【答案】  0     3000【突破】1.判断物体是否做功，最根本的是看做功的两个条件是否同时满足。二者同时满足，即做功，缺一不可。2.其次，可以用三种没有做功情形去排除：①有力，但在该力的方向上未移动距离（有力无距）；如举着物体不动。②有距离，无力（有距无力）；如在球场上滚动的球。③力与距离的方向垂直（垂直无功）；如提着重物水平移动，重力未做功。3.在计算做功的多少时，首先要判断该力是否做功；再统一单位进行计算。二、功率1.功率：功与做功的时间之比。公式：P=W/t。P—功率，单位：瓦（W）；W-功，单位：焦耳（J）；t-时间，单位：秒（s）。2.功率的其它单位：千瓦（kW）1 kW=1000W；兆瓦（MW）1MW=103kW=106W。3.功与功率的比较  物理量定义符号计算公式国际单位常用单位物理情景联系功力与物体沿力的方向移动距离的乘积WW=FsJ(焦耳)1N.m=1J1kJ=1000J做功的多少P=W/t功率功与做功所用的时间之比PP=w/tW(瓦特)1J/s=1w1kw=1000w1Mw=106w做功的快慢【注意】1.做功越多，功率不一定越大；做功越快，做功不一定越多。2.功与功率的单位容易混淆。简单的辨别方法是根据单位反推计算公式。公式是计算功的，就是功的单位，计算功率的，就是功率的单位。【例2】（2022通辽）如图甲，用竖直向上的拉力F，将静止在水平地面上的物体向上提升。乙图表示拉力F的大小随时间t的变化关系，丙图表示物体运动速度v的大小随时间t的变化关系。在0～10s内物体对地面的压力为   N；20～30s内拉力F做功的功率为   W。【分析】比较乙、丙两图可知：物体在0-10s内受到竖直向上的拉力F1=20N，处于静止状态；10-20s内受到竖直向上的拉力F2=55N，处于加速上升状态；20-30s内受到竖直向上的拉力F3=50N，处于匀速直线运动状态。由此可知：物体的重力为G=50N。在0～10s内，物体受到竖直向上的拉力F1、重力G、地面对它的支持力F支，物体处于静止状态，三力平衡，即F1+F支=G，20N+F支=50N。F支=30N。此时物体受到的压力和支持力是一对相互作用力，所以地面受到的压力为30N。20～30s内拉力F=F3=50N，物体沿该力方向运动的速度为10m/s，所以F做功的功率为：P=FV=50N×10m/s=500J。【答案】 30      500【突破】1.遇到力与运动的图像分析问题，一定要注意运动时间、运动状态、力、速度的一一对应关系。2.应用P=FV计算机械功率时，V的单位一定要用m/s。三、机械效率1．机械效率的定义与计算公式（1）有用功：为达目的，必须要做的功。符号：W有，单位：焦耳（J）。（2）额外功：使用机械时，克服机械自重与摩擦等多做的功。符号：W额，单位：焦耳（J）。（3）总功：有用功与额外功之和。即：W总= W有+ W额 。符号：W总，单位：焦耳（J）。【注意】额外功不等于无用功。额外功是不得不做的功。因为使用机械时，必须克服机械自身的重力、摩擦力等而做功。但是无用功是不需要做的，与完成有用功无任何关系的。2.机械效率：有用功与总功的比值。通常用百分数表示。符号：η。公式：η= ×100%。变形公式：W有=ηW总；W总= 。η一定小于100%！3.滑轮组的机械效率计算主要公式所求物理量滑轮组竖直提升重物滑轮组水平拖动重物有用功（W有）W有=G物h（G物-物体的重力；h-物体上升的高度）W有=fs(f-物体与地面的摩擦力；S-物体移动的距离)总功（W总）W总=Fs(F-拉力；S-拉力移动的距离)W总= Fs拉(F-拉力；S拉-拉力移动的距离)功率PP=FV(V-速度，单位：m/s)  机械效率η= ×100% = ×100% = ×100%η= ×100% = ×100%  4．斜面的机械效率（1）斜面：一个与水平面成一定夹角的倾斜平面。若不考虑摩擦，斜面长是斜面高的几倍，拉力或推力就是物体所受重力的几分之一，即： F=。（2）在斜面上匀速拉动物体时：W总=FL（F= +f）；W有=Gh；η= ×100%；斜面对物体的摩擦力：f=F - 。5.测量滑轮组竖直提升重物时的机械效率（1）探究影响滑轮组效率的实验中：要匀速竖直地拉动绳子。因为这样弹簧测力计的示数才等于拉力。（2）结论：①同一滑轮组，提起的重物越重，机械效率越高；②提起相同的重物，滑轮组越简单，动滑轮重越小，机械效率越高。【例3】（2022湘潭）如图1，从深井中匀速提取泥土，动滑轮和筐总重力为30N。图2是某次拉力做的功W随绳自由端拉下的长度s变化的关系。不计绳重和摩擦，求：（1）当s为10m时，由图2可知拉力做了 　　J的功，筐和泥土上升了 　　m；（2）拉力为 　　N，筐中泥土的重力是 　　N；（3）本次利用该装置提升泥土的机械效率。【分析】（1）由图2可知，当s为10m时，拉力做的功：W总＝1250J，由图1可知，滑轮组绳子的有效股数n＝2，由s＝nh可得，筐和泥土上升的高度：h＝s/n=10m/2＝5m。（2）由W总＝Fs可得，拉力：F＝W总/s=1250J/10m＝125N，因不计绳重和摩擦，所以，由F＝（G泥土+G动滑轮和筐）/n可得，筐中泥土的重力：G泥土＝nF﹣G动滑轮和筐＝2×125N﹣30N＝220N。（3）拉力做的有用功：W有＝G泥土h＝220N×5m＝1100J，则本次利用该装置提升泥土的机械效率：η＝×100%＝×100%＝88%。【答案】（1）1250     5      （2）125     220      （3）88%【突破】计算滑轮组的机械效率，首先要分析清楚各量具体是什么，特别要区分清楚是物体的，还是拉力的！其次，准确数出（算出）绳子提起重物的股数。第三，注意单位的统一。四、机械能1.能量：一个物体能够对外做功，这个物体就具有能量。2.动能：物体由于运动而具有的能。3.重力势能：物体由于受到重力并处在一定高度时所具有的能。4.弹性势能：物体由于发生弹性形变而具有的能。5.机械能：动能和势能之和。6.影响动能大小和重力势能大小的因素（1）影响动能大小的因素：①物体的质量。物体的速度相同时，质量越大，动能越大。②物体运动的速度。物体质量相同时，速度越大，动能越大。（2）影响重力势能大小的因素：①物体的质量。物体的位置相同时，质量越大，重力势能越大。②物体所处的高度。物体质量相同时，所处的高度越大，重力势能越大。（3）动能和势能的大小都具有相对性。因为速度和高度的大小具有相对性。7.动能与势能的相互转化（1）在一定条件下，动能与势能可以相互转化；重力势能和弹性势能之间也可以相互转化。（2）机械能与其它形式的能之间也可以相互转化。（3）在机械能的转化过程中，若果不考虑能量的损失，转化时，二者总量保持不变（机械能不变）。【例4】（2022德阳）2022年2月，我国成功举办了第24届冬奥会。图甲是2022年北京冬奥会会徽：它以汉字冬为灵感来源，运用中国书法艺术形态来展现出滑雪运动员的英姿。图乙是中国滑雪运动员谷爱凌在U型场地比赛的图片，关于比赛过程中的能量变化，其中叙述正确的是（　　）A．谷爱凌在U型场地滑行向上冲击到最高点时，动能将达到最大 B．谷爱凌从U型场地空中的高点开始下落过程中机械能逐渐增大 C．谷爱凌在U型场地出发点加速下滑的过程中动能越来越小 D．谷爱凌从U型场地出发点加速下滑的过程中重力势能越来越小【分析】A.谷爱凌在U型场地滑行向上冲击到最高点时，速度为零，动能为零，动能最小，A错。B.谷爱凌从U型场地空中的高点开始下落过程中，由于存在摩擦力，机械能逐渐减小，B错。C.谷爱凌在U型场地出发点加速下滑的过程中，重力不变，速度增大，动能越来越大，C错。D.谷爱凌从U型场地出发点加速下滑的过程中，质量不变，高度减小，重力势能越来越小，D正确。【答案】D【突破】1.影响动能大小的因素是：质量和速度。影响势能大小的因素是：质量和所处的高度。这里速度和所处的高度是有相对性的，要注意。2.注意能量转化的方向：是由什么能转化成什么能。这里首先要分清楚未变化前具有什么形式的能，最后是什么形式的能，中间有没有其它形式。3.抓住关键词语，如“匀速”，说明速度不变，动能可能不变（动能还与质量有关，仅仅凭速度不变，无法肯定动能一定不变）；“上升”，说明重力势能可能变大。4.若果不考虑能量损失，动能的改变量等于势能的改变量，机械能保持不变。【针对练习精编】1.（2022德阳）如图所示，小华用滑轮组水平向左匀速拉动A物体，A物体5s内移动了100cm，且A物体与水平地面的摩擦力大小为12N，已知滑轮组的机械效率为80%，则下列说法错误的是（　　）A．拉力F大小为4N B．绳子自由端移动的速度为0.6m/s C．拉力F做功的功率为3W D．拉力F在5s内对滑轮组做的额外功为3J【解析】A.由图可知n＝3，由η＝＝＝＝可知，绳子自由端的拉力：F＝＝＝5N，A错。B.物体移动的距离：s物＝100cm＝1m，绳子自由端移动的距离：s＝ns物＝3×1m＝3m，则绳子自由端移动的速度：v＝s/t=3m/5s＝0.6m/s，B正确。C.拉力做的总功：W总＝Fs＝5N×3m＝15J，拉力做功的功率：P＝W总/t=15J/5s＝3W，C正确。D.有用功：W有＝fs物＝12N×1m＝12J，额外功：W额＝W总﹣W有＝15J﹣12J＝3J，D正确。【答案】A2.（2022永州）如图所示，用F＝12N的拉力竖直向上匀速提升木块，2s内木块升高的高度为0.1m，木块重力G＝30N，在此过程中下列判断正确的是（　　）A．拉力F做功为1.2J                          B．滑轮组做的有用功为3J C．滑轮组机械效率为40%                      D．拉力F做功的功率为0.6W【解析】AB.滑轮组做的有用功为：W有用＝Gh＝30N×0.1m＝3J，由图可知，n＝3，s＝3h＝3×0.1m＝0.3m，拉力F做功为：W总＝Fs＝12N×0.3m＝3.6J，A错，B正确。C.机械效率为：η＝×100%＝×100%≈83.3%，C错。D.拉力F做功的功率为：P＝W总/t=3.6J/2s＝1.2W，D错。【答案】B3.（2022襄阳）神舟13号返回舱在空中高速下降到适当位置时打开降落伞，返回舱和伞开始做减速运动，空气阻力随速度的减小而减小，下降一段高度后，开始匀速下降直到地面附近。以返回舱和伞为研究对象，下列说法不正确的是（　　）A．减速下降过程中受力不平衡 B．减速下降过程中减少的机械能等于克服空气阻力做功消耗的能量 C．匀速下降过程中机械能减小 D．减速下降过程中重力做功的功率小于匀速下降时重力做功的功率【解析】A.减速下降过程中，返回舱和伞处于非平衡状态，所以它受力不平衡，A正确。B.减速下降的过程中，要克服空气阻力做功，则减少的机械能等于克服空气阻力做功消耗的能量，B正确。C.返回舱和伞匀速下降的过程中，质量不变、速度不变，但高度减小，则动能不变，重力势能减少，则机械能总量减少，C正确。D.返回舱和伞的重力大小不变，由题意可知返回舱和伞减速下降时的速度大于匀速下降时的速度，根据公式P＝W/t=Gh/t＝Gv可知，减速下降中重力做功的功率大于匀速下降中重力做功的功率，D错。【答案】D4.（2022柳州）（多选）如图，一只蚂蚁以大小不变的速度沿疏中虚线从A点爬到B点，此过程中蚂蚁的（　　）A．动能先变小后不变 B．动能不变 C．重力势能先变小后不变 D．重力势能不变【解析】蚂蚁沿碗中虚线从A点爬到B点，它的质量不变，速度大小不变，动能不变；质量不变，高度先变小后不变，重力势能先变小后不变，BC确，AD错。【答案】BC5.（2022阜新）工人利用如图所示的滑轮组，将质量为80kg的重物在10s内匀速提升1m，此时滑轮组的机械效率为80%（不计绳重与摩擦，g取10N/kg），则有用功的功率为 　　W；工人对绳的拉力做功 　　J；动滑轮重 　　N；若增大物重，该滑轮组的机械效率 　　（填“变大”“变小”或“不变”）。【解析】重物A的重力：G＝mg＝80kg×10N/kg＝800N，有用功W有用＝Gh＝800N×1m＝800J，有用功的功率P＝W有/t=800J/10s＝80W。从图中可知n＝2，该滑轮组的机械效率η＝W有/W总可知：工人对绳的拉力做功W总＝W有/η=800J/80%＝1000J。不计绳重与摩擦，工人所做的额外功W额外＝W总﹣W有用＝1000J﹣800J＝200J，动滑轮的重力G动＝W额/h=200J/1m＝200N；不计绳重与摩擦，根据η＝＝＝＝可知：若增大物重G，该滑轮组的机械效率变大。【答案】80     1000      200     变大6.（2022济宁）某建筑工人用大小为400N的拉力，通过滑轮匀速提升重为360N的货物（如图所示），此滑轮是 　　滑轮，机械效率η＝　　。【解析】由图可知，滑轮的轴固定不动，为定滑轮；使用定滑轮不省距离、也不费距离，则h＝s；机械效率为：η＝＝＝＝90%。【答案】定    90%7.（2022张家界）常用打火机的打火方式有两种，一种是用一个粗糙的小轮摩擦“火石”打火；另一种是利用高压电装置打火。从能量转化角度看，前者是把 　　能转化为内能；后者是把 　　能转化为内能。【解析】从能量转化的角度看，摩擦点火，是将机械能转化为内能；高电压火花点火，是电能转化为内能。【答案】机械    电8.（2022襄阳）某同学用如图所示的实验装置测量滑轮组的机械效率，相关数据记录在下表中。实验次数钩码重G/N钩码上升高度h/cm拉力F/N绳端移动距离s/cm机械效率η11.0100.63055.6%22.0101.030 34.0101.63083.3%（1）实验中，使用滑轮组提升重物时，应竖直向上 　   　拉动弹簧测力计；（2）第二次实验中，滑轮组的机械效率为 　   　；（3）分析1、2、3次实验数据可知，使用同一滑轮组提升重物时，重物越 　   　（选填“重”或“轻”），滑轮组的机械效率越高；（4）小琪同学在仅改变提升物体速度的情况下，又做了上述第三次实验，结果会发现滑轮组的机械效率 　   　（选填“变大”“变小”或“不变”）。【解析】（1）实验中应该匀速竖直向上拉动弹簧测力计，以保证拉力大小恒定。（2）由表中可知，不计绳重与摩擦，滑轮组的机械效率：η2＝＝＝×100%≈66.7%。（3）分析1、2、3次实验的数据可知，使用同一滑轮组提升重物时，重物重力越大，滑轮组的机械效率越高。（4）影响机械效率的只有摩擦力、绳子重力、动滑轮重力，仅改变提升物体速度的情况下，又做了上述第三次实验，结果会发现滑轮组的机械效率不变。【答案】（1）匀速直线     （2）66.7%     （3）重     （4）不变9.（2022阜新）在探究“物体的动能跟哪些因素有关”的实验中，如图甲、乙、丙所示，将A、B、C三个钢球先后从同一装置高度分别为h1、h2、h3的位置由静止开始滚下（mA＝mB＜mC，h1＝h3＞h2），水平面上同一位置的木块被撞出一段距离后停下。请回答以下问题：（1）该实验探究的是 　　（填“木块”或“钢球”）的动能。（2）实验通过观察木块被钢球撞出 　　的长短，来判断钢球动能的大小，这种研究问题的方法叫 　　。（3）比较 　　两图进行的实验，可以探究钢球动能大小与速度有关。（4）比较 　　两图进行的实验，可以探究钢球动能大小与质量有关。此探究过程中两球刚好运动到水平面时的速度 　　（填“相等”或“不相等”）。（5）由此实验联想到某段道路限速牌上标明“100”和“80”字样，　　（填“大客车”或“小轿车”）的限速应该是80km/h。【解析】（1）该实验研究的主体是钢球，研究的是钢球动能的大小与速度和质量的关系。（2）该实验中钢球动能的大小是通过木块移动的距离体现的，木块被撞的越远，说明钢球的动能越大，被撞的越近，说明钢球的动能越小，这里采用了转换法的思想。（3）为了研究物体动能与物体速度的关系，应多次让同一钢球从斜面不同高度上静止滚下，控制钢球的质量相同，改变钢球的速度，故选甲、乙两图；质量相同，速度越大，钢球推动木块移动的距离越大，动能越大。（4）为了研究物体动能与物体质量的关系，应多次让不同钢球从斜面相同高度上静止滚下，控制钢球到达水平面时的速度相同，改变钢球的速度，故选甲、丙两图；速度相同，质量越大，钢球推动木块移动的距离越大，动能越大。（5）因速度相同时，质量越大，动能越大，克服摩擦力做功的越多，越不容易刹车，因大客车的质量更大，故限制的速度要越小，大客车的限速应该是80km/h。【答案】（1）钢球  （2）距离   转换法 （3）甲、乙 （4）甲、丙   相等 （5）大客车10.（2022张家界）天门山盘山公路是网红打卡地，公路共计99道弯，似玉带环绕，层层叠起，直冲云霄，公路全长大约10km，公路的海拔落差高度约1000m。为助力“2022年湖南省首届旅游发展大会”，实现省委省政府提出的“立标打样”、“办一次会、兴一座城”的目标要求，天门山景区购置了一批新能源纯电动客车，客车满载时总质量为6000kg。现有一辆满载的新能源客车，以80kW的恒定功率，4m/s的速度沿盘山公路从山底匀速行驶至山顶。（行驶过程中客车所受重力和阻力大小恒定不变，g取10N/kg）请完成下列问题：（1）整个过程中，电动机对客车和游客所做的有用功为多少？（2）盘山公路的机械效率为多少？（3）整个过程中，电动机的牵引力为多少？汽车受到的阻力为多少？【解析】（1）客车和游客总重力G＝mg＝6000kg×10N/kg＝6×104N；电动机对客车和游客所做的有用功：W有用＝Gh＝6×104N×1000m＝6×107J。（2）由v＝s/t可得，整个过程所用时间：t＝＝＝2.5×103s，由P＝W/t可得，总功W总＝Pt＝80×103W×2.5×103s＝2×108J，盘山公路的机械效率：η＝×100%＝×100%＝30%。（3）由P＝＝Fv可得，电动机的牵引力：F＝＝＝2×104N，额外功：W额＝W总﹣W有用＝2×108J﹣6×107J＝1.4×108J，由W额＝fs可得，汽车受到的阻力：f＝＝＝1.4×104N。【答案】（1）整个过程中，电动机对客车和游客所做的有用功为6×107J；（2）盘山公路的机械效率为30%；（3）整个过程中，电动机的牵引力为2×104N，汽车受到的阻力为1.4×104N。