专题15 机械效率（习题精选练习）（解析版）

专题15 机械效率 一、单选题 1．重为30 的物体在大小为20 的拉力F 的作用下分别在水平面和斜面上进行了两段运动，所用时间均为 10s，斜面高2m。拉力F 的方向始终沿着物体运动方向，物体在水平面上运动的速度-时间图像如图甲所示， 物体在斜面上运动的路程-时间图像如图乙所示，下列说法正确的是（ ） ．两次运动物体所受的摩擦力均为20 B．斜面上拉力F 的功率为0 ．斜面上拉力F 所做的功为60 D．斜面的机械效率为60% 【答】D 【解析】 ．由甲图可知物体在水平面上做匀速直线运动，此时物体处于平衡状态，受水平方向拉力和水平面对物体 的摩擦力作用，可知拉力和摩擦力为平衡力，由二力平衡可知，拉力和摩擦力大小相等、方向相反、作用 在同一直线上，可知摩擦力大小等于拉力等于20；由乙图可知物体在斜面上做匀速直线运动，此时物体处 于平衡状态，沿斜面方向上，物体受到拉力、滑动摩擦力，还受到重力沿斜面方向向下的分力，所以拉力 大于物体受到的滑动摩擦力，物体受到的滑动摩擦力小于20，故错误； B．由乙图可知物体运动t=10s 时物体运动的路程为s=5m，拉力F=20，可知拉力做功的总功为 总=Fs=205m=100 拉力做功的功率为 故B 错误，错误； D．物体的重力G=30，斜面对物体提升的高度=2m，可知拉力对物体做的有用功为 有=G=302m=60 则斜面的机械效率为 故D 正确。 故选D。 2．如图是一幢高层建筑内的垂直升降电梯工作示意图，某次运行时，承载的15 人平均每人质量为60kg， 已知电梯厢体和动滑轮的质量共计600kg，不计钢丝绳重和摩擦，且钢丝绳不伸长，电梯在20s 内匀速上 升了100m，则下列说法正确的是（g＝10/kg）（ ） ．钢丝绳端的拉力为3000 B．钢丝绳端上升的高度为200m ．本次上升过程中，升降电梯的机械效率为60% D．在不超重的情况下，承载人的总重越大，该装置越省功 【答】 【解析】 ．电梯厢体和动滑轮的质量m 梯=600kg，承载的15 人平均每人质量为60kg 可知人的总质量为 m 人=60kg15=900kg 则人和电梯总重为 G=G 梯+G 人=m 梯g+m 人g=600kg10/kg+900kg10/kg=15000 由图可知滑轮组的绳子段数为3，可知拉力大小为 故错误； B．物体上升的高度为=100m，可知绳子自由端移动的距离为 s=3=100m3=300m 故B 错误； ．滑轮组做的有用功为 有=G 人=m 人g=900kg10/kg100m=9105 拉力做的总功为 总=Fs=5000300m=15106 可知电梯的机械效率为 故正确； D．不计钢丝绳重和摩擦，总功大小为 可知当G 人变大时总变大，即承载人的总重越大，则该装置做的总功越大，根据功的原理，任何机械都不能 省功，故D 错误。 故选。 二、多选题 3．某同学用滑轮组提升物体，绳子自由端竖直移动的距离随时间变化的关系如图中图线所示，物体上升 的高度随时间变化的关系如图中图线b 所示，已知物体的质量为 ，所用动滑轮的质量为 ，绳子自 由端的拉力F 为 。g 取 。在 的过程中，下列说法中正确的是（ ） ．绳子自由端移动的速度为 B．拉力F 的功率为 ．有用功为 D．滑轮组的机械效率为90% 【答】B 【解析】 ．绳子自由端竖直移动的距离随时间变化的关系如图中图线所示，绳子自由端移动的速度为 故正确； B．拉力F 的功率 故B 正确； ．由图可知，在0~2s 的过程中，物体升高高度 =10m=01m 拉力做的有用功 有=G=mg=09kg×10/kg×01m=09 故错误； D．由图线b 所示分析可得动滑轮绕绳子的段数 滑轮组的机械效率为 故D 错误。 故选B。 4．质量为60kg 的工人站在水平地面上，利用如图滑轮组竖直向下拉动绳子自由端，将一质量为80kg 的重 物以01m/s 的速度匀速上升1m，此时该滑轮组的机械效率为80%（g 取10/kg）。对此工作过程及装置以 下说法正确的是（ ） ．动滑轮重为200 B．工人对绳的拉力做功1000 ．拉力F 的功率为50 D．工人对地面的压力为100 【答】BD 【解析】 B．重物的质量为80kg，则重物的重力 G=mg=80kg×10/kg=800 重物上升1m，则有用功 =G=800×1m=800 由图可知，动滑轮上的绳子段数是2 段，该滑轮组的机械效率为80%，由 可知，滑轮组做的总功是 即工人对绳的拉力做功1000，故B 正确； ．绳子自由端移动的距离 s==2×1m=2m 则绳子自由端的拉力 绳子自由端移动的速度 v=v 物=2×01m/s=02m/s 拉力F 的功率 P=Fv=500×02m/s=100 故错误； ．若不计摩擦和绳重，由 可得，动滑轮的重力 G 动=2F-G=2×500-800=200 由于实际上绳重和摩擦是存在的，则动滑轮重不等于200，故错误； D．因工人受到竖直向上的支持力和拉力以及竖直向下的重力而处于平衡状态，所以工人受到地面的支持 力 F 支持=G 人-F=mg-F=60kg×10/kg-500=600-500=100 又因工人对地面的压力和地面对人的支持力是一对相互作用力，所以工人对地面的压力等于地面对人的支 持力，即100，故D 正确。 故选BD。 三、填空题 5．如图所示，物重G 为480，用滑轮组将重物匀速提升2m，所用拉力F 为200，则滑轮组的机械效率为_ _____；如果要提高滑轮组的机械效率，你的做法是______（答出一条即可）。 【答】 80% 增大物体的重力 【解析】 [1]克服重力所做的有用功为 由图可知，承担重物的绳子股数=3，绳端通过的距离为 拉力所做的总功为 滑轮组的机械效率为 [2]用该滑轮组提升重物时，滑轮组的机械效率为 由上面的表达式可知，要提高滑轮组的机械效率可以增大物体的重力。当然减小动滑轮重力、减小摩擦和 绳重，也可以提高机械效率。 6．如图所示，用弹箦测力计沿粗糙斜面匀速向上拉动木块，已知木块受到的摩擦力为1，由图中数据可知， 弹簧测力计示数为________。 【答】6 【解析】 由题意知，拉动木块所做的有用功 有=G=10×02m=2 克服摩擦所做的额外功 额=fs=1×04m=04 则此过程所做的总功 总=有+额=2+04=24 则拉力 所以弹簧测力计示数为6。 7．某同学用所学滑轮知识在家里阳台上安装了如图所示的升降装置，他用此装置将重480 的物体匀速拉高 10m，所用拉力为300，则拉力做的功是______；该装置的机械效率为______。 【答】 6000 80% 【解析】 [1]由图可知，承担物重绳子的股数为=2，物体匀速拉高10m，所用拉力为300，则拉力做的功是 总=Fs=F=300×2×10m=6000 [2]所做的有用功为 有=G=480×10m=4800 该装置的机械效率为 8．左图是2022 北京冬奥会的滑雪大跳台，右图是小明制作大跳台的模型。 （1）把跳台滑道上段简化成图1 的杠杆， 是支点，是这段滑道的重心，若模型支架对滑道的力 作用 在 点，沿 线。 ①画出 的力臂______； ②根据公式______判断， ______滑道上段所受的重力（选填“大于”“等于”“小于”）。 （2）用图2 装置模拟建造滑道，被匀速提升的模型部件重4，拉力 为25，此过程的机械效率为______ 。 【答】 小于 【解析】 （1）①[1]模型支架对滑道的力 作用在 点，沿 线，过支点 做 的力的作用线的垂线，如图所示： [2][3] ② 滑道上段所受的重力的力臂如图所示： 重力的力臂要小于 的力臂，根据杠杆的平衡条件 可知， 小于滑道上段所受的重力。 （2）[4]由图可知，有两段绳子拉着动滑轮，此过程的机械效率为 四、实验题 9．如图甲所示是“测量滑轮组的机械效率”的实验装置。 （1）实验时沿竖直方向______拉动弹簧测力计，使钩码上升10m，弹簧测力计的示数如图甲所示，若每 个钩码重2，则滑轮组的机械效率为______； （2）小红做完实验，通过和其他小组交流，了解到滑轮组的机械效率 与动滑轮重G 动有关系，接着她改 变动滑轮重，提升同一物体进行多次实验，获得数据并绘制出如图乙的图像。若不计绳重和摩擦，分析图 像中的点可知，被提升物体所受的重力为______。 【答】 匀速 833% 3 【解析】 （1）[1]匀速拉动弹簧测力计时，绳子自由端和钩码均处于匀速直线运动状态，处于平衡状态，此时由二 力平衡可知，弹簧测力计示数与绳子的拉力大小相等。 [2]钩码提升的高度 =10m=01m 如图共计三个钩码，钩码总重力G=6，弹簧测力计示数为F=24，动滑轮上有三段绳子，绳子自由端移动的 距离为 s=3=01m×3=03m 机械效率有 （2）[3]图乙中机械效率η=75%，G 动=1，若提升的物体重力为G2，则有 代入数据整理得 10．胶州湾大桥建筑工地上矗立的塔吊，是用电动机来带动滑轮组提升重物的设备。如何提高滑轮组机械 效率，节约电能呢？为此同学们进行了“影响滑轮组机械效率因素”的实验探究，用到的装置如图所示， 实验数据记录如表所示。 实验次数 钩码重力 钩码上升高度 绳端拉力 绳端移动距离 机械效率 1 2 01 12 03 556% 2 2 02 12 06 556% 3 4 01 19 03 615% 4 4 01 13 05 机械效率 （1）实验中应沿竖直方向______拉动弹簧测力计； （2）分析表中数据可知：第4 次实验是用图______所示装置来完成的； （3）表格中第4 次实验计算出的机械效率是______； （4）为提高滑轮组机械效率、节约电能，根据表格中数据得到结论和生活经验，你建议可采取的措施有_ _____。 ．减轻动滑轮重 B．增加所提物体重 ．机械加润滑油 D．增加重物上升高度 【答】 匀速 乙 701% B 【解析】 （1）[1]实验中应沿竖直方向匀速拉动弹簧测力计，弹簧测力计匀速运动时处于平衡状态，受平衡力作用， 此时弹簧测力计拉力和绳子对弹簧测力计的拉力大小相等、方向相反且在同一直线上，可知此时弹簧测力 计示数即为绳子拉力的大小。 （2）[2]1、2 次实验中钩码重力为2G，3、4 次实验中钩码重力为4G ，由图可知甲图中为1 个砝码，乙图中两个砝码，乙图中砝码重力为甲图中的两倍，可知第四次实验用图 乙的装置来完成的。 （3）[3]第3 次实验时钩码总重力为4G，提升的高度为=01m，绳子自由端移动的距离为s=03m，拉力 F=19，机械效率=615%，满足关系 ……① 第4 次实验时钩码总重力为4G，提升的高度为4=01m，绳子自由端移动的距离为s4=05m，拉力F4=13，机 械效率为4时满足关系 ……② 整理①②可得 （4）[4]根据表格中数据可知绳子段数为3，物重为2G 时机械效率为556%，物重为4G 时机械效率为 615%，绳子段数为5 时机械效率为701%，可知增加所提物体重量可提高机械效率，结合生活经验，减轻 动滑轮重和机械加润滑油时可减少额外功，从而提高机械效率，比较1、2 次实验可知，增加重物上升高度 机械效率不变，为556%，故B 符合题意，D 不符合题意。 故选B。 五、计算题 11．如图所示是一辆无人驾驶迷你巴士，它依靠激光雷达、摄像头以及5G 络等设备来实现自动驾驶，该 巴士使用电池作动力源。为了安全，巴士设计的最大速度是27km/。某次测试中，满载的巴士以最大速度 行驶10m，耗电30k·，满载巴士总质量为3000kg。（g=10/kg） （1）5G 络传递信息的媒介是______（选填“光纤”“超声波”或“电磁波”）； （2）测试中，巴士轮胎与水平地面的总接触面积为600m2，则它对水平地面的压强为多少______？ （3）若巴士受到的阻力是车总重力的005 倍，则测试过程中牵引力做功的功率为多少______？ （4）测试过程中该巴士的机械效率为多少______？ 【答】 电磁波 5×105P 11250 625% 【解析】 解：（1）5G 通信主要是无线通信，靠电磁波传递信息。 （2）由题意可知，满载的巴士质量m=3000kg，巴士与地面的总接触面面积为 S=600m2=006m2 巴士对地面的压力大小等于其重力大小，由压力公式可得 （3）由题意可知汽车行驶时的阻力为 f=005G=005mg=005×3000kg×10/kg=1500 汽车以最大速度27km/=75m/s 行驶10m，在这期间汽车做匀速直线运动，在水平方向牵引力等于汽车所收 到的阻力，即牵引力F=1500，由功率公式可得 （4）由题意可知，克服阻力所做的功为有用功 汽车耗电量为总功，则 机械效率为 答：（1）5G 络传递信息的媒介是电磁波； （2）对地面压强为5×105P； （3）牵引力做功功率为11250； （4）机械效率为625%。 12．一辆质量为35×103kg 的汽车不慎陷入泥泞地面，汽车司机组织人们用如图所示的滑轮组将汽车拖出。 已知整个过程中，水平拉力F=2×103，汽车沿水平方向匀速移动了6m，滑轮组的机械效率是90%。求： （1）拉力F 做的总功； （2）汽车受到的阻力大小。 【答】（1）36×104；（2）54×103 【解析】 解：（1）由图像可知滑轮组动滑轮上绳子的段数为3，拉力F 移动的距离 s=3×6m=18m 拉力做的总功为 总=Fs=2×103×18m=36×104 （2）若汽车受到的阻力为f，汽车移动的距离s0，整个过程的机械效率有 整理得 f=3Fη=3×2×103×90%=54×103 答：（1）拉力F 做的总功为36×104； （2）汽车受到的阻力大小为54×103。