初中物理有关“效率”计算题的解析
现代社会时时、处处讲效率,关于对效率的理解和计算是初中物理的一个比较重要的内容,也是中考的重要内容之一。中考时涉及这部分内容的题型也比较全面,有填空、选择、实验和计算。计算题主要考查应用机械效率的公式解决一些实际问题,并且和简单机械、功、功率、热量、燃料的热值等知识有机联系在一起,下面结合一些典型计算题对考查的要点、内容进行分析说明。
一, 考查定滑轮的机械效率
例1 福州市政府投入巨资,对二环路沿街实施景观改造。施工中,一工人利用如图1所示的定滑轮将一桶沙匀速拉到10m 高处,沙重90N ,所用的拉力是100N 。 求:(1)有用功是多少? (2)总功是多少?
(3)定滑轮的机械效率是多大? 解析:(1)工人的目的是把重90N 的沙子匀速拉到10m 高处,故有用功
W 有用 =Gh=90N×10m=900J
图
1
(2)因为定滑轮的实质是等臂杠杆,所以绳自由端移动的距离和桶升高的距离相等,即s=10m,故总功
W 总=Fs=100N×10m=100J
(3)定滑轮的机械效率
η=
W 有用W 总
=1000J =90%
900J
二,考查动滑轮的机械效率
例2 如图2所示,物体重180N ,动滑轮重20N ,绳重和摩擦不计. 在拉力F 的作用下,物体正以0.1m/s的速度匀速上升. 求: (1)拉力F ; (2)拉力做功的功率; (3)动滑轮的机械效率. 解析:(1)因为动滑轮能省一半的力,且绳重和摩擦不计,所以拉力
F=P=
G 物+G 动
2
=
2
=100N
(2)拉力做功的功率
t
=Fυ=100N×0.1m/s=10W
G 物h
=物动图2
(3)动滑轮的机械效率为
η=
W 有用W 总
=
G 物物动
==90%
三,考查滑轮组的机械效率
1>竖直装置滑轮组
例3 装卸工人用如图3所示的滑轮组匀速提升质量为100kg ,所用的拉力F 为550N ,绳子自由端在50s 内被拉下2m ,在此过程中求: ⑴拉力F 所做的功和功率; ⑵滑轮组的机械效率;
⑶滑轮组中动滑轮的重力;
(g 取10N /㎏,不计绳重及滑轮摩擦)
图3
解析:(1)拉力F 所做的功
W=Fs=550N×2m=1100J
拉力F 的功率P=
t
=50s =220W
(2)由图可知,此滑轮组有2段绳承担物体,因此绳自由端移动的距离是物体移动距离的2倍,即s=2h,
则h=
2s =2×2m=1m
工人做的有用功为
W 有用=G物h=100kg ×10N/kg×1m =1000J
上一小题已计算出拉力做的功,这些功就是总功,即W 因此滑轮组的机械效率
总=
1100J
η=
W 有用W 总
=
1100J
=90.9%
(3)因为此题不计绳重及滑轮摩擦,所以,动滑轮的重为
G 动=2F-G 物=2×550N -100kg ×10N/kg =100N
<2>水平装置滑轮组
例4 一辆汽车不慎陷入泥坑,司机用图4示的滑轮组将汽车拖出。已知整个过程中,水平拉力F 是1×104N ,汽车沿水平方向匀速移动了4m ,已知车与地面的摩擦力为2.4×104N 。求: (1)拉力F 做的总功。 (2)滑轮组的机械效率。
图4 3股绳子通解析: (1)由图可知,此滑轮组有
过动滑轮,所以绳端移动的距离是车通过距离的3倍, 即s
绳
=3s车=3×4m=12m
=Fs绳=1×104N ×12m=1.2×105J
则拉力F 做的总功为 W
总
(2)本题中用滑轮组的目的是把汽车从泥坑里拖出,所以滑轮组对汽车所做的功是有用功,汽
车沿水平方向匀速移动,滑轮组对汽车的拉力和地面对汽车的摩擦力相等,故
W
有用
=f阻 s 车=2.4×104N ×4m=9.6×104J
W 有用W 总
滑轮组的机械效率为
η==
9. 6⨯104J 1. 2⨯105J
=80%
四,考查斜面的机械效率
例5 如图5所示。斜面长1m ,高0.2m .;将10N 重的物体A 从斜面底端匀速拉到斜面顶端,需要用平行于斜面的力2.5N ,那么: (1)斜面的机械效率是多少?
(2)重物上升过程中克服摩擦做了多少额外功?
图5
解析:(1)把重10N 的物体拉到斜面顶端即将它提高0.2m 是最终的目的,故有用功
W 有用 =Gh=10N×0.2m=2J
总功就是平行于斜面的拉力所做的功,故总功
W 总=Fs=2.5N×1m=2.5J
所以斜面的机械效率
W 有用
W 总
η==
2. 5J
=80%
(2) 因为总功是有用功和额外功的和,所以额外功 W 额=W总-W 有用=2.5J-2J=0.5J
五,考查热机的效率
例6 一辆轿车在平直的高速公路上以90km/h的速度匀速行驶了1.8km ,共消耗汽油0.25kg, 若此过程中轿车发动机的功率为40kW ,(汽油的热值为4.6×107J/kg)求: (1)轿车行驶中所受的阻力; (2)轿车发动机的效率。 解析:(1)已知,υ=90km/h=25m/s,P=40kW=40000W,由于轿车做匀速直线运动,因此,轿车在水平方向上所受的力是平衡力,即发动机的牵引力和所受的阻力相等,所以,
f 阻=F牵=υ=
25s
=1600N
(2)轿车在牵引力的作用下行驶了1.8km ,即s=1.8km=1800m, 所以有用机械功为
W 有用=Fs=1600N×1800m=2.88×106J
轿车行驶1.8km 消耗汽油0.25kg ,这些汽油完全燃烧放出的能量是
Q 总=qm=4.6×107J/kg×0.25 kg=1.15×107J
因此,轿车发动机的效率为
W 有用总
η==
61. 15⨯107J
=25.04%
六,考查电动机的效率
例7 一台起重机把质量为0.6t 的重物匀速提升了3m ,如果它的电动机所做的功是3.0×104J ,则起
重机的电动机的效率是多少?(g=10N /kg)
解析:起重机匀速提升重物所用的力等于物体所受的重力, 即F=G=mg=0.6×103kg ×10N /kg=6×103 N 起重机提升重物所做的功是有用功,则 W 有用=Gh=6×103 N×3m=1.8×104J
起重机的电机所做的功是总功:W 总=3.0×104J 因此,起重机电动机的效率是:
1. 8⨯104J
η===60% 4
3. 0⨯10J W 总
W 有
七,考查锅炉的效率
例8 爱华中学为学生供应开水,用锅炉将200kg 的水从25℃加热到100℃,燃烧了6kg 的无烟煤。
水的比热容是4.2×103J/(kg. .℃),无烟煤的热值是3.4×107J/kg,求: 锅炉的效率是多少?
解析:锅炉内200kg 的水吸收的热量是有效利用的热量,这些热量为
Q 有用=c水m 水△t=4.2×103J/(kg. .℃)×200kg ×(100℃-25℃) =6.3×107J
6kg 的无烟煤完全燃烧放出的热量是消耗的总的能量,这些能量为
Q 总=q无烟煤m 无烟煤=3.4×107J/kg×6kg=2.04×108J
因此,锅炉的效率是
η=
Q 有用Q 总
=
72.04⨯108J
=30.88%
八,综合考查
例9 如图6是一组合搬运机械,它由一个电动机滑轮的斜面组合而成。已知斜面长为6m 、高为3m 。现用量为0.6t 的重物,从地面匀速搬运到3m 高的平台,电动为4.5×104J ,电动机输出的机械功为3.6×104J 。求此过程
(1)使用该机械所做的额外功
(2)该组合机械的机械效率(g 取10N /kg )
解析:(1)使用该装置的目的是是把质量为0.6t 的重物提高3m ,
和一个带有定该机械将一质机消耗的电能中,
图6
故有用功
W 有用=Gh=mgh=0.6×1000kg ×10N/kg×3m=1.8×104J
电动机消耗的电能即电流所做的功为总功,W 所以,使用该机械所做的额外功
总
=4.5×104J
W 额= W总-W 有用=4.5×104J -1.8×104J=2.7×104J
(2)因此, 该组合机械的机械效率
η=
W 有用W 总
=
44. 5⨯104J
=40%
通过对以上例题的分析可以发现:效率问题涉及的考点多,范围广,综合性和应用性强。
在解答有关效率的计算题时,要冷静思考,结合具体的问题情境,获得相关的有用信息,紧紧围绕机械效率的计算公式,得出正确的答案。建议同学们在复习过程中,重视基础知识,一定要掌握、理解必要的物理公式,并会据此解决实际问题。只有夯实基础,举一反三,才能熟练而正确的解决有关效率的计算题。
初中物理有关“效率”计算题的解析
现代社会时时、处处讲效率,关于对效率的理解和计算是初中物理的一个比较重要的内容,也是中考的重要内容之一。中考时涉及这部分内容的题型也比较全面,有填空、选择、实验和计算。计算题主要考查应用机械效率的公式解决一些实际问题,并且和简单机械、功、功率、热量、燃料的热值等知识有机联系在一起,下面结合一些典型计算题对考查的要点、内容进行分析说明。
一, 考查定滑轮的机械效率
例1 福州市政府投入巨资,对二环路沿街实施景观改造。施工中,一工人利用如图1所示的定滑轮将一桶沙匀速拉到10m 高处,沙重90N ,所用的拉力是100N 。 求:(1)有用功是多少? (2)总功是多少?
(3)定滑轮的机械效率是多大? 解析:(1)工人的目的是把重90N 的沙子匀速拉到10m 高处,故有用功
W 有用 =Gh=90N×10m=900J
图
1
(2)因为定滑轮的实质是等臂杠杆,所以绳自由端移动的距离和桶升高的距离相等,即s=10m,故总功
W 总=Fs=100N×10m=100J
(3)定滑轮的机械效率
η=
W 有用W 总
=1000J =90%
900J
二,考查动滑轮的机械效率
例2 如图2所示,物体重180N ,动滑轮重20N ,绳重和摩擦不计. 在拉力F 的作用下,物体正以0.1m/s的速度匀速上升. 求: (1)拉力F ; (2)拉力做功的功率; (3)动滑轮的机械效率. 解析:(1)因为动滑轮能省一半的力,且绳重和摩擦不计,所以拉力
F=P=
G 物+G 动
2
=
2
=100N
(2)拉力做功的功率
t
=Fυ=100N×0.1m/s=10W
G 物h
=物动图2
(3)动滑轮的机械效率为
η=
W 有用W 总
=
G 物物动
==90%
三,考查滑轮组的机械效率
1>竖直装置滑轮组
例3 装卸工人用如图3所示的滑轮组匀速提升质量为100kg ,所用的拉力F 为550N ,绳子自由端在50s 内被拉下2m ,在此过程中求: ⑴拉力F 所做的功和功率; ⑵滑轮组的机械效率;
⑶滑轮组中动滑轮的重力;
(g 取10N /㎏,不计绳重及滑轮摩擦)
图3
解析:(1)拉力F 所做的功
W=Fs=550N×2m=1100J
拉力F 的功率P=
t
=50s =220W
(2)由图可知,此滑轮组有2段绳承担物体,因此绳自由端移动的距离是物体移动距离的2倍,即s=2h,
则h=
2s =2×2m=1m
工人做的有用功为
W 有用=G物h=100kg ×10N/kg×1m =1000J
上一小题已计算出拉力做的功,这些功就是总功,即W 因此滑轮组的机械效率
总=
1100J
η=
W 有用W 总
=
1100J
=90.9%
(3)因为此题不计绳重及滑轮摩擦,所以,动滑轮的重为
G 动=2F-G 物=2×550N -100kg ×10N/kg =100N
<2>水平装置滑轮组
例4 一辆汽车不慎陷入泥坑,司机用图4示的滑轮组将汽车拖出。已知整个过程中,水平拉力F 是1×104N ,汽车沿水平方向匀速移动了4m ,已知车与地面的摩擦力为2.4×104N 。求: (1)拉力F 做的总功。 (2)滑轮组的机械效率。
图4 3股绳子通解析: (1)由图可知,此滑轮组有
过动滑轮,所以绳端移动的距离是车通过距离的3倍, 即s
绳
=3s车=3×4m=12m
=Fs绳=1×104N ×12m=1.2×105J
则拉力F 做的总功为 W
总
(2)本题中用滑轮组的目的是把汽车从泥坑里拖出,所以滑轮组对汽车所做的功是有用功,汽
车沿水平方向匀速移动,滑轮组对汽车的拉力和地面对汽车的摩擦力相等,故
W
有用
=f阻 s 车=2.4×104N ×4m=9.6×104J
W 有用W 总
滑轮组的机械效率为
η==
9. 6⨯104J 1. 2⨯105J
=80%
四,考查斜面的机械效率
例5 如图5所示。斜面长1m ,高0.2m .;将10N 重的物体A 从斜面底端匀速拉到斜面顶端,需要用平行于斜面的力2.5N ,那么: (1)斜面的机械效率是多少?
(2)重物上升过程中克服摩擦做了多少额外功?
图5
解析:(1)把重10N 的物体拉到斜面顶端即将它提高0.2m 是最终的目的,故有用功
W 有用 =Gh=10N×0.2m=2J
总功就是平行于斜面的拉力所做的功,故总功
W 总=Fs=2.5N×1m=2.5J
所以斜面的机械效率
W 有用
W 总
η==
2. 5J
=80%
(2) 因为总功是有用功和额外功的和,所以额外功 W 额=W总-W 有用=2.5J-2J=0.5J
五,考查热机的效率
例6 一辆轿车在平直的高速公路上以90km/h的速度匀速行驶了1.8km ,共消耗汽油0.25kg, 若此过程中轿车发动机的功率为40kW ,(汽油的热值为4.6×107J/kg)求: (1)轿车行驶中所受的阻力; (2)轿车发动机的效率。 解析:(1)已知,υ=90km/h=25m/s,P=40kW=40000W,由于轿车做匀速直线运动,因此,轿车在水平方向上所受的力是平衡力,即发动机的牵引力和所受的阻力相等,所以,
f 阻=F牵=υ=
25s
=1600N
(2)轿车在牵引力的作用下行驶了1.8km ,即s=1.8km=1800m, 所以有用机械功为
W 有用=Fs=1600N×1800m=2.88×106J
轿车行驶1.8km 消耗汽油0.25kg ,这些汽油完全燃烧放出的能量是
Q 总=qm=4.6×107J/kg×0.25 kg=1.15×107J
因此,轿车发动机的效率为
W 有用总
η==
61. 15⨯107J
=25.04%
六,考查电动机的效率
例7 一台起重机把质量为0.6t 的重物匀速提升了3m ,如果它的电动机所做的功是3.0×104J ,则起
重机的电动机的效率是多少?(g=10N /kg)
解析:起重机匀速提升重物所用的力等于物体所受的重力, 即F=G=mg=0.6×103kg ×10N /kg=6×103 N 起重机提升重物所做的功是有用功,则 W 有用=Gh=6×103 N×3m=1.8×104J
起重机的电机所做的功是总功:W 总=3.0×104J 因此,起重机电动机的效率是:
1. 8⨯104J
η===60% 4
3. 0⨯10J W 总
W 有
七,考查锅炉的效率
例8 爱华中学为学生供应开水,用锅炉将200kg 的水从25℃加热到100℃,燃烧了6kg 的无烟煤。
水的比热容是4.2×103J/(kg. .℃),无烟煤的热值是3.4×107J/kg,求: 锅炉的效率是多少?
解析:锅炉内200kg 的水吸收的热量是有效利用的热量,这些热量为
Q 有用=c水m 水△t=4.2×103J/(kg. .℃)×200kg ×(100℃-25℃) =6.3×107J
6kg 的无烟煤完全燃烧放出的热量是消耗的总的能量,这些能量为
Q 总=q无烟煤m 无烟煤=3.4×107J/kg×6kg=2.04×108J
因此,锅炉的效率是
η=
Q 有用Q 总
=
72.04⨯108J
=30.88%
八,综合考查
例9 如图6是一组合搬运机械,它由一个电动机滑轮的斜面组合而成。已知斜面长为6m 、高为3m 。现用量为0.6t 的重物,从地面匀速搬运到3m 高的平台,电动为4.5×104J ,电动机输出的机械功为3.6×104J 。求此过程
(1)使用该机械所做的额外功
(2)该组合机械的机械效率(g 取10N /kg )
解析:(1)使用该装置的目的是是把质量为0.6t 的重物提高3m ,
和一个带有定该机械将一质机消耗的电能中,
图6
故有用功
W 有用=Gh=mgh=0.6×1000kg ×10N/kg×3m=1.8×104J
电动机消耗的电能即电流所做的功为总功,W 所以,使用该机械所做的额外功
总
=4.5×104J
W 额= W总-W 有用=4.5×104J -1.8×104J=2.7×104J
(2)因此, 该组合机械的机械效率
η=
W 有用W 总
=
44. 5⨯104J
=40%
通过对以上例题的分析可以发现:效率问题涉及的考点多,范围广,综合性和应用性强。
在解答有关效率的计算题时,要冷静思考,结合具体的问题情境,获得相关的有用信息,紧紧围绕机械效率的计算公式,得出正确的答案。建议同学们在复习过程中,重视基础知识,一定要掌握、理解必要的物理公式,并会据此解决实际问题。只有夯实基础,举一反三,才能熟练而正确的解决有关效率的计算题。