专题15 机械能与机械功计算决胜中考物理压轴题全揭秘解析版Word格式.docx
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mVC2
所以VC2=2glsinθ
又据小球从C点开始做平抛运动
据s=vct
h=
gt2
所以h=
gt2=
g
=
故h=1.25m,θ=30°
,g=10N/kg,若要求sDE=2m带人上式,可得
l=1.6m;
故答案为:
(1)2;
(2)b;
(3)1.6
【分析】
(1)根据机械能守恒定律,将条件代入求出物体到达底端的速度;
由y=
gt2分析y与t2的关系;
(2)根据机械能守恒求得C点的速度,再利用平抛运动原理公式推理证明
【考点2】机械功计算
【例2-1】
(2017.衢州)通过多年的努力,今年5月,我国正式获得北极圈观察员国身份。
破冰船是赴北极考察的重要工具。
如图是我国“雪龙”号破冰船。
该破冰船自身质量约10000吨,满载时总质量约20000吨,在普通海域最大航速为36千米/小时,在1米厚冰层海域破冰航速1米/秒。
已知破冰船在最大航速时受到的阻力为1.5×
106牛,在1米厚冰层海域破冰前行所受的阻力为1.5×
107牛。
试计算:
(1)“雪龙”号破冰船在普通海域以最大航速航行1昼夜通过的距离。
(2)“雪龙”号在1米厚冰层海域破冰前行1000米,克服阻力所做的功。
(3)破冰时,船头的一部分压在冰面上,利用巨大的压强使冰层破裂。
若船头压在冰面上的受力面积是10米2,冰面受到的压力为破冰船满载时总重力的0.1倍。
那么船对冰面的压强是多少。
【答案】
(1)∵v=
,v=36km/h
∴s=vt=36km/h×
24h=864km。
(2)W=Fs=1.5×
107N×
1000m=1.5×
1010J。
(3)F=0.1G=0.1×
2×
107kg×
10N/kg=2×
107N
p=
=2×
106Pa。
【解析】【分析】
(1)已知破冰船航速36千米/小时和时间1昼夜,利用速度公式变形即可求解。
(2)已知破冰船在最大航速时受到的阻力和在1米厚冰层海域破冰前行1000米,利用W=Fs即可求得克服阻力所做的功。
(3)已知压力和受力面积,利用公式p=
得到破冰船对冰面的压强。
【解答】
(1)∵v=
107×
答:
(1)“雪龙”号破冰船在普通海域以最大航速航行1昼夜通过的距离为864km。
(2)“雪龙”号在1米厚冰层海域破冰前行1000米,克服阻力所做的功为1.5×
(3)船对冰面的压强是2×
【变式2-1】如图所示的叉车是工业搬运车辆,是指对成件托盘货物进行装卸、堆垛和短距离运输作业的各种轮式搬运车辆.某品牌叉车的相关数据如表所示.
自重
4300kg
最大行驶速度
20km/h
行走方式
内燃式叉车
额定起重量
2000kg
起升高度
3000mm
额定功率
63kW
某次装货过程中,该叉车载着2000kg货物以最大行驶速度水平行驶将货物送往1km货车处,然后将2000kg货物举高2m.叉车水平行驶过程中受到阻力为总重的0.03倍。
求:
(1)叉车行驶1km克服摩擦力做的功。
(2)将货物举起时对货物做的功。
(3)若在整个过程中消耗汽油0.5L,计算叉车的效率。
(计算结果保留到0.1%)(q汽油=4.6×
107J/kg,ρ汽油=0.72×
103kg/m3)
【答案】
(1)叉车和货物的总重力:
G=(m货+m车)g=(2000kg+4300kg)×
10N/kg=6.3×
104N,
该叉车载着货物以最大行驶速度水平行驶,则牵引力:
F=f=0.03G=0.03×
6.3×
104N=1.89×
103N,
叉车行驶1km克服摩擦力做的功:
W1=Fs=1.89×
103N×
1×
103m=1.89×
106J.
叉车行使1Km克服摩擦力做的功为1.89×
106J。
(2)将货物举起时对货物做的功:
W2=G货h=m货gh=2000kg×
10N/kg×
2m=4×
104J.
将货物举起时对货物做的功为4×
(3)在整个过程中发动机所做的有用功:
W有=W1+W2=1.89×
106J+4×
104J=1.93×
106J,
根据Q=mq、ρ=
可得0.5L汽油完全燃烧放出的热量:
Q=mq=ρVq=0.72×
103kg/m3×
0.5×
10﹣3m3×
4.6×
107J/kg=1.656×
107J,
叉车的效率:
η=
×
100%=
100%≈11.7%.
叉车的效率为11.7%.
【解析】【分析】此题为力学、热学综合题,主要考查了重力、密度公式的应用,二力平衡的条件的应用、功和效率的计算,热量的计算等,明确有用功和总功是解答此题的关键。
(1)利用G=mg求出叉车和货物的总重力,然后根据阻力与总重力的关系得出阻力大小,再利用力的平衡得出牵引力,最后利用W=Fs计算叉车行驶1km克服摩擦力做的功;
(2)利用W=Gh计算将货物举起时对货物做的功;
(3)求出有用功,然后利用密度公式求出汽油的质量,再利用Q=mq求出汽油完全燃烧放出的热量,最后利用效率公式计算叉车的效率。
【例2-2】5.暑假里,小科全家从宁波出发去舟山自驾游。
经过了壮观的金塘跨海大桥,如图。
已知人和车的总质量为M。
车子进入大桥之前,先驶入很长的一段引桥。
引桥长度为L,高为h。
(1)当汽车在水平路面行驶时,发动机输出功率恒为P1,此时汽车以v的速度匀速直线行驶,求汽车受到的阻力为________。
(2)当汽车驶入高架引桥,若发动机输出功率恒定为P2,则速度越________,越容易上桥。
(3)已知汽车从引桥底部匀速行驶到顶部所用时间为t,若汽车在引桥上受到的阻力是水平路面受到阻力的k倍,用题中已有的条件(字母)证明:
k=(P2t-Mgh)v/LP1。
【答案】
(1)P1/v
(2)小
(3)证明:
根据能量守恒,汽车发动机在t时间内做的功等于克服重力做的功与克服阻力做功之和。
即P2t=Mgh+f2L,解得f2=(P2t-Mgh)/L,而f2=kf=kP1/v,所以k=(P2t-Mgh)v/LP1
(1)首先根据公式
计算出汽车受到的牵引力,然后再根据二力平衡的知识计算出汽车受到的阻力f;
(2)根据公式P=Fv可知,当功率一定时,速度越小,发动机产生的牵引力越大;
(3)汽车在引桥上行驶时,发动机做的总功等于克服重力做的功与克服摩擦做的功之和,据此计算出克服摩擦做的功,然后根据W=fs计算出引桥上受到的阻力,接下来与水平路面上受到的阻力作比就是k。
(1)汽车自爱水平路面上行驶时,发动机的牵引力为:
;
因为汽车匀速行驶,所以它受到的阻力和牵引力平衡,即
(2)当汽车驶入高架引桥,若发动机输出功率恒定为P2,则速度越小,越容易上桥。
(3)当汽车上到引桥的桥顶时,做的总功为:
W总=P2t;
克服汽车的重力做的功为:
W重=Gh=Mgh;
那么克服摩擦做的功为:
Wf=W总-W重=P2t-Mgh;
那么引桥上汽车受到的阻力为:
;
因为汽车在引桥上受到的阻力是水平路面受到阻力的k倍,
所以:
。
【变式2-2】2017年将要竣工的福建龙岩大桥,超过了法国的本艾因大桥成为世界上最重的转体结构大桥,如图1所示。
高架桥限速60km/h,主桥长340m,引桥总长1449m。
(1)为监控龙岩大桥上行驶的车辆是否超速,可以在桥面布点安装工作原理如图2所示的传感电路。
传感器A、B采集车辆经过它们正上方时的时间间隔t给计算机系统进行处理,若超速,则启动违章拍照。
若L0=10m,试计算t小于多少秒时,系统启动架设在桥面上方的照相机C对超速车辆拍照。
(2)假设一辆轿车从一侧引桥驶入龙岩大桥。
①若轿车在正桥水平桥面上急速行驶,则根据轿车呈现的流线型外形可判断,轿车对桥面的压力________(填“大于”、“等于”或“小于”)轿车的总重,其解释原理是气体的流速越大的地方,气体的压强就越________。
②若轿车以80kW的恒定功率通过一侧引桥用时50s,则轿车通过该引桥时所做的功是多少焦耳________?
(3)物理学中常把实际的研究对象抽象为“物理模型”,引桥可以看作是斜面机械模型。
如图3所示,若斜面的高度H一定,斜面的长度L可以改变,试推导:
在不考虑摩擦时,用平行于斜面的拉力F将重为G的物体匀速拉上斜面顶端,L越长,F越小。
(1)车速不能超过60km/h,v=60Km/h=
m/s,
由
得:
即:
时间间隔应小于0.6s,即可启动违章拍照。
(2)小于;
小;
w=Pt=80×
103W×
50s=4×
106J
(3)W总=FL,W有用=GH,不计摩擦,W总=W有用
即FL=GH,
由此可知G、H一定是时,L越大,F就越小。
(1)根据
求出正常行驶的时间即可判断;
(2)①流体压强与流速的关系,在流速小的地方压强大,轿车快速行驶时,上下方所受到的压力差形成向上的升力,对地面的压力减小;
②利用W=Pt即可求功;
(3)已知物体上升的高度H,斜面的长度L,又知道拉力大小,根据W=Fs求拉力F做的功;
利用W=Gh求出有用功,在不考虑摩擦时,有用功等于总功,即Gh=FL,得出F与L、H的关系式,据此得出答案。
(2)①轿车在快速行驶过程中,车子上方空气的流速大于车子下方空气的流速,由于气体在流速大的地方压强小,因而车子上方气体的压强小于车子下方气体的压强,轿车上下方所受到的压力差形成向上的升力,从而使得轿车对地面的压力小于车的重力。
②由
W=Pt=80×
1000W×
106J.
1.一物体在空中由静止下落,物体下落时受到的空气阻力随着下落速度增加而增大,且物体受到空气阻力f与物体的速度v平方成正比,即f=kv2。
试解答下列问题:
(1)假如空中有一个50g的冰粒,从1000m的高空由静止开始下路到地面。
冰粒下落过程中的速度变化规律是A;
假设冰重力做功的42%转化为冰雹的内能,则冰雹在下落过程中温度会升高A℃.(不考虑冰粒的熔化和质量变化:
c冰=2.1×
103J/(Kg·
℃)
(2)一个重为G的物体从高空(高度足够)静止开始下落,物体下落的最大速度为V,请你用所学知识证明v=
【答案】
(1)解:
冰粒下落过程中的速度变化规律为:
先加速后匀速;
冰粒下落做的功为:
W=Gh=0.05kg×
1000m=500J;
冰粒转化为的内能:
Q=42%W=42%×
500J=210J;
那么冰粒升高的温度为:
(2)证明:
小物体匀速下落时速度达到最大,
此时物体受到时的重力G和空气阻力f相互平衡,即:
f=G
∵f=kv2
∴G=f=kv2
∴V=
(1)开始时,冰粒的速度较小,此时它受到的阻力小于重力,合力向下,因此加速运动;
随着速度的增大,冰粒受到的阻力增大,当阻力和重力相等时,冰粒做匀速运动。
首先根据W=Gh计算出冰粒下降重力做的功,然后根据Q=42%W计算出冰粒吸收的热量,最后根据公式
计算它升高的温度;
(2)当物体受到的阻力和重力平衡时,物体不再加速,即这时速度达到最大,根据公式f=G计算出速度最大时受到的阻力,然后再利用公式f=kv2计算下落的最大速度。
2.寒假里小金和小徐一起玩了一回极速滑雪,如图甲。
为研究方便将其简化为模型,如图乙。
设小徐和小金及座垫的总质量分划为m和M,他们分别从轨道A点以初速为0向下滑行,求:
(1)小金及座垫由A点到达B点时,重力做功为________;
(2)若曲线轨道光滑,则小徐和小金由A点到达B点时的速度vm=vM,请证明之(已知M>
m,动能表达式E动=1/2mv2);
(3)若曲线轨道粗糙,小金由A点到达B点时速度刚好为零,座垫材料的比热为C,质量为m0,小金在滑动过程中克服摩擦所做的功40%转化为坐垫的内能,则坐垫温度升高多少?
【答案】
(1)W=Gh=Mg(H-h)
(2)解:
轨道光滑则机械能守恒,重力做的功全部转化为动能,
Mg(H-h)=1/2Mv2,v=
,速度与质量无关,即vm=vM
(3)解:
小金由静止从A到达B点时,由重力势能全部克服摩擦力做功,其中40%用来转化为坐垫的内能。
40%Mg(H-h)=Cm0△t,可解得温度升高了△t=40%Mg(H-h)/Cm0
(1)已知物体重力和高度根据W=Gh计算重力做的功;
(2)如果轨道光滑,就不受摩擦力,那么两个人的机械能守恒,即重力做的功等于它们的动能,据此解答;
(3)坐垫吸热根据公式Q=cm△t计算,重力做的功根据W=Gh计算,根据Q=40%W推导即可。
3.如图所示为四旋翼无人机,它是一种能够垂直起降的小型遥控飞行器,目前正得到越来越广泛的应用.一架质量m=2kg的无人机,其动力系统所能提供的最大升力F=33N,运动过程中所受空气阻力大小恒为f=4N.取g=10m/s2.动力系统的电动机工作电压U=25V,电流I=3A,电阻R=1欧姆。
(1)无人机以最大升力竖直向上起飞,在t1=5s时上升的高度h;
(2)飞到100米高空,该无人机高空悬停状态电机输出电流变为2.5A,此时动力系统电机的效率是多少?
【答案】
(1)由牛顿第二定律
F-mg-f=ma
代入数据解得a=4.5m/s2
在t1=5s时上升的高度h=
代入数据解得h=56m.
(2)动力系统的电动机工作电压U=25V,电流I=3A,电阻R=1欧姆,
电动机总电阻R总=
=8.3欧姆
电动机输出功率P出=P=UI=75W
当无人机高空悬停状态电机输出电流变为2.5A,
电压U=IR总=20.8V
电动机输入功率P入=P=UI=52W
电动机效率η=P入÷
P出×
100%=69.4%。
(1)根据牛顿第二定律求出上升的加速度,结合位移时间公式求出上升的位移。
(2)电动机效率η=P÷
P1×
100%;
P表示电动机输入功率(即额定功率)P1表示电动机输出功率。
根据动力系统的电动机工作电压U=25V,电流I=3A,电阻R=1欧姆,因为电动机工作时电能没有全部转化为内能,大部分电能转化为机械能,所以根据公式P=UI计算电动机输入功率。
当无人机高空悬停状态电机输出电流变为2.5A,根据公式P=UI计算此时的电动机输出功率。
4.一辆满载物资的总重为G牛顿的运输车,将物资沿ABCD路线运至D点,AB段与CD段的高度差为h米,如图所示.在整个运输过汽车以恒定速度v米/秒运动,汽车t=0时经过A处,t1时经过B处,t2时处经过C处,在此过程中汽车牵引力功率P随时间的变化的图象可简化为图所示(P1、P2、t1、t2、G、h和v均是已知量常数).
(1)请分析说明汽车在AB段和BC段运动时牵引力的大小关系.
(2)请用已知量写出汽车沿斜坡BC段运动时所受总阻力的表达式f总=________。
(总摩擦力和空气阻力).
【答案】
(1)⒈因为牵引力的功率P=Fv,可得F=P/v
⒉由图可知车在BC段的功率P2大于在AB段的功率P1
⒊车在AB段和BC段的速度均为v
⒋根据F=P/v可得:
车在BC段的牵引力大
(2)
(1)首先根据右图分析整个过程中汽车功率的变化,然后再根据公式
分析牵引力的变化;
(2)根据W总=Pt计算出BC段汽车做的总功,根据公式W有=Gh计算出克服重力所做的有用功,最后根据W额=W总-W有计算出克服摩擦做的额外功,接下来根据s=vt计算出BC段的长度,最后根据公式
计算摩擦力即可。
(1)因为牵引力的功率P=Fv,可得:
F=P/v;
由图可知,车在BC段的功率P2大于在AB段的功率P1;
而车在AB段和BC段的速度均为v,根据F=P/v可得:
车在BC段的牵引力大。
(2)汽车在BC段所做的总功:
W总=Pt=P2(t2-t1);
在BC段克服重力做的有用功为:
W有=Gh;
克服摩擦做的额外功为:
W额=W总-W有=P2(t2-t1)-Gh;
BC段的长度为:
s=vt=v(t2-t1);
汽车在BC段的总阻力为:
5.电动自行车是倍受人们青睐的一种交通工具。
它可以电动骑行,亦可以脚踏骑行。
电动骑行时,蓄电池对车上电动机供电,电动机为车提供动力。
下表是某型号电动自行车主要技术参数。
整
车
整车质量
40kg
最高车速
≤30km/h
最大噪声
≤62dB
蓄电池
电压
48V
容量
12A.h
电动机
额定电压
240W
(1)请你仔细观察电动自行车的构造,会发现很多地方用到了物理知识。
请列举一例。
示例:
电动自行车的车座大而扁平,可减少压强。
________
(2)电动自行车以额定功率行驶时的工作电流是多大?
(3)若蓄电池储存能量的80%用于电动自行车行驶克服阻力做功,电动自行车在平直的公路上匀速行驶时受到的平均阻力为40N,蓄电池充满一次电最多能连续电动行驶多远?
【答案】
(1)车把手上有花纹,可以增大摩擦;
车把手的构造是杠杆;
骑行时电能转化为动能
(2)电动自行车以额定功率行驶时的工作电流是:
(3)电动自行车行驶克服阻力做功:
W机械=ηW电=80%×
48V×
12A×
3600s=1658880J;
蓄电池充满一次电最多能连续电动行驶:
(1)可从手把上的花纹、车把是轮轴,车闸是杠杆、车轮使用轴承等方面思考;
(2)已知额定功率和电压根据公式
计算电动自行车的电流;
(3)首先根据W机械=ηW电计算出克服阻力做的功,然后再根据
计算电动车行驶的距离。
【解答】
(1)仔细观察电动自行车的构造,会发现很多地方用到了物理知识,例如:
车把手上有花纹,可以增大摩擦;
骑行时电能转化为动能;
6.下图是我国新型核潜艇,是保卫国家安全的利器。
它的部分性能参数如下表。
(1)若核潜艇以水下最大航速行驶,则潜艇到距离2592Km外的某海域执行任务所用的时间为多少小时?
(1节≈0.5m/s)
(2)核潜艇在水面上航行时受到的浮力多大?
(3)若核潜艇在水下巡航时,做水平匀速直线运动,所受阻力与速度的关系如下图所示,它的动力功率是多少?
(1)解:
V=36×
0.5m/s=18m/s=64.8km/h,t=S/v=40h
F浮=G排=m排g=9000×
1000kg×
10N/kg=9×
v=20节=10m/s,故f=F=30×
104N=3×
105N
P=FV=3×
106W
(1)由公式t=s/v,根据核潜艇的最大航速36节,和距离2592km可求出所需的时间;
(2)由公式F浮=G排液=ρ水gV排,根据水面排水量,可求出核潜艇在水面上航行时受到的浮力
(3)根据水下巡航时的速度,从图中读出受到的阻力。
匀速运动时牵引力等于阻力,由公式P=Fv可求出功率。
7.电梯的简化模型如下图甲所示。
考虑安全、舒适、省时等因素,电梯速度要经过增大、不变和减小的过程,这一过程是通过改变拉力大小来实现的。
某次上升过程中电梯所受拉力F随上升高度h变化的图象如下图乙所示,这个过程用时1分钟。
求在这个过程中:
(1)电梯上升的平均速度;
(2)拉力做的总功;
(3)拉力做功的平均功率。
平均速度v=
拉力做的功:
W=Fs=2.5×
104N×
4m+2×
40m+1.5×
4m=9.6×
105J
拉力做功的功率:
【解析】【分析】①从题意可知,电梯上升的高度和时间,根据公式
可求电梯上升的平均速度;
②由图可知,拉力大小和上升的高度,根据公式W=Fs=Fh可求拉力做的功;
③根据公式
可求电动机拉力做功的功率.【解答】①电梯上升的高度h=48m,用时间t﹦60s,电梯上升的平均速度:
;
②拉力在0-4m做的功:
W1=F1h1=2.5×
4m=1.0×
105J,
拉力在4-44m做的功:
W2=F