(完整版)机械功原理

1、【知识点名称 】机械功的原理课程标准的要求* 举例说明功是能量变化的量度；理解功和功率。关心生活和生产中常见机械功率的大小及其意义。*通过实验，探究恒力做功与物体动能变化的关系。理解动能和动能定理。用动能定理解释生活和生产中的现象。【三维目标 】1（鲁科 J）知道机械功的原理，懂得使用任何机械可以省力但不能省功。2 （鲁科 J）能举例说明功是能量转化的量度。3（鲁科 J）知道机械做功的本质是能量转化的过程。4（鲁科 J）初步学会用能量观点分析问题和解决问题。具有尊重客观规律、实事求是的精神。机械功的原理（鲁科 K ）很早以前，人类就开始应用简单机械来做功厂：人们发现，有的机械使用起来可以省力，

2、有的机械使用起来可以省位移。那么，有既省力、又省位移的机械吗?下面，我们通过实验进行探究。比较 D 5 与 D6 ，发现使用机械不能省功，反而费功，由此引发学生思考为什么在有用功一样的情况下，使用机械反而费功这一问题，即要多克服机械的自身重力和摩擦所做的功，从而引发学生合理猜想：对于机械来说，一般情况下，动力功应等于有用功加上额外功，即机械功。在这一教学过程巾，教师应引导学生通过数据的比较。揭示事物的本质规律，这正是科学探究所强调的：培养学生发现问题、分析论证的能力。（鲁科 k ）在实验中我们看到，不使用任何机械时，动力所做的功即为动力克服物体所受重力做的功；使用机械时，一方面动力对机械做功，

3、另一方面机械又克服阻力对外做功。其中，动力对机械所做的功 W动 ( 又称输入功 ) 就是总功 W总 ；机械克服阻力所做的功W阻 ，既包括克服有用阻力所做的有用功 W有用 ( 又称输出功，如克服被提物体所受的重力做的功 ) ，也包括克服额外阻力所做的额外功额外 ( 又称损失功，如克服机械自身所受重力和各种摩擦阻力做的功 ) 。经过长期实践和大量研究，人们发现，对任何机械而言，总有WW 动 =W阻 =W有用 +W额外也可以写成W 输入 =W输出 +W损失这一结论可以表述为：使用任何机械时，动力对机械所做的功总是等于机械克服阻力所做的功。这就是机械功的原理，简称为功的原理(principle of

4、work)。功的原理是机械的基本原理，是机械做功所遵循的基本规律。它告诉我们，使用任何机械都不能省功。做一定量的功，要省力就要增大做功时的位移，而要减小做功时的位移就要多用力。事实上，使用任何机械都必然存在无用阻力，也就是说在实际情况下使用任何机械总是费功的。斜面是一种典型的简单机械。当我们利用斜面把重物推到高处时( 图110) ，如果不计摩擦力，且已知斜面长为l ，高为h ，倾角为 ，重物所受的重力为G，根据机械功的原理，推力F 所做的功WF就应当等于不用斜面而由人直接将该重物提到同一高度时克服重力所做的功WG，即WG=Fl=Gh所以hF=G=Gsin 可见，利用斜面来搬运重物，所用的力可以

5、小于重物所受的重力，也就是说利用斜面可以省力。生活中关于斜面的应用实例很多，如开瓶器 ( 图 111) 、盘山公路 ( 图 112) 等都是对斜面的巧妙利用。（鲁科 J）教材从机械功的原理分析了用斜面搬运省力的道理，建议引导有能力的学生从动力学角度分析，相互验证，有助于学生从不同的角度看待问题，对问题有更全面的理解。做功和能的转化（鲁科K）功和能是物理学中最基本、最重要的两个物理量，它们之间有着密切的联系。（鲁科K）如果一个物体能够对别的物体做功，我们就说这个物体具有能量。人能够搬动重物做功，说明人具有能量；风能够推动帆船做功( 图 1-13) ，说明风具有能量；被压缩的弹簧放开时能够对物体做

6、功，说明被压缩的弹簧具有能量。实际上，功和能量总是相互伴随的。例如，人在走路时重心有时上升、有时下降，即使是在平坦的大路上步行，其重力也要做功，而要做功就必然需要能量。根据实验，一个人在平地上步行15km 需要的能量相当于把其提升到1km 高处时消耗的能量。另外，步行时肌肉的收缩、关节内的摩擦等也要消耗能量。做的功越多，需要的能量就越多；而能量越大，就可以做越多的功。研究表明，做功时消耗的能量并没有消失，而是发生了转化。例如，人做功把杠铃举到高处，所消耗的人体内的化学能转化为杠铃的势能。把杠铃举得越高，人做的功就越多。放手后，重力对杠铃做功，杠铃的势能转化为杠铃的动能( 图 114) 。汽车行

7、驶时牵引力对汽车做功，发动机中燃料的内能转化为汽车的机械能。因此，做功的过程就是能量的转化过程。做了多少功，就表示有多少能从一种形式转化为另一种形式。所以我们说，功是能量变化的量度。我们可以用做功的多少来量度在做功过程中有多少能量发生了转化。反过来，我们也可以用一个过程中能量转化的多少，来量度在这个过程中做了多少功。特别是在变力做功的情况下，不能直接用公式W=Fscosa 来计算功的大小，但可以通过能量转化的多少来得知做功的多少。一个人可以抬起一只汽车轮胎做功，而要抬起一辆汽车，就必须利用机械来做功，机械做功的能量来自何处呢?机械本身并不能凭空产生能量，机械能够做功是因为人们给机械输入了能量，

8、从本质上讲，做功的机械是传递能量、实现能量转化。的装置。机械做功，只能将能量从一个物体传递或转移到另个物体，或者将一种形式的能量转化为另一种形式的能量。（鲁科 J）谈到功能关系，必然要涉及各种形式的能量及功的概念，功和能的概念对学生来讲比较抽象，所以学生要进一步理解功和能量转化之间的关系就更为困难。要突破难点，应抓住：能的概念、能的转化、能量转化与做功存在的必然联系。关于做功与能量的关系定位于定性分析。在教学过程中要充分利用生活中具体例子加以启发引导。建议围绕下述三点加以展开：(1) 各种形式能的概念建立：能量概念最难定义，有多种讲法，从功的角度来认识能量概念相对容易些，所以课本对能的概念叙述

9、为“如果一个物体能够对别的物体做功，我们就说这个物体具有能量” 。如运动的物体具有能量动能， 被举高的物体具有能量重力势能， 被压缩的弹簧具有能量弹性势能，人具有能量储存于体内的化学能，等等。(2) 能的转化与做功关系的建立：任何做功过程，都可以用如下的流程图表示。通过流程图的分析，使学生认识到：做功过程必然存在一种形式能量的增加，同时有另一种形式能量的减少，这种增与减容易使学生联想到其中存在的转化现象，进而得出做功过程必然伴随能量转化的认识；接着做定性分析：做功越多，物体能量的转化也越多，由此引导学生认识做功多少与能量转化的多少存在数量上的必然联系。这就为学生认识功足能量转化的量度架起了桥梁

10、。(3) 根据机械功的原理，任何机械都不能省功，而功又是能量转化的量度，故任何机械都只能将一种形式能量转化为另一种形式能量，它决不可能产生或消灭能量。这一关系的建立比较抽象，建议结合具体例子加以说明，本节的知识为下一章能量转化与守恒定律的建立打下了基础。( 人教 J) 功能关系的讨论功的概念起源于早期工业革命的需要当时的工程师们需要一个比较蒸汽机效益的办法. 在实践中大家逐渐同意用机器举起的物体的重量与高度之积来量度机器的输出，并称之为功.19 世纪初，法国科学家科里奥利明确地把作用力和受力点沿力的方向的位移的乘积叫做“运动的功” 当功和能量这两个概念在具体的物理过程中“汇合”之时，人们才进了

11、一大步，认识到“功的重要意义在于它可以决定能量的变化，因而为研究能量转化过程奠定了定量分析的基础”这是今天的物理学总把“功”和“能”捆绑在一起的原因功和能量在哪些物理过程中“汇合”了呢?重力做功和重力势能的变化过程就是一个典型事例本书就是从这里开始，讨论功和能的关系的这既是一种教学思路，也是一种科学思维之路，因而对培养学生的逻辑思维能力和研究方法是有益的在重力做功与重力势能关系的讨论中，认真分析了WG 与路径无关的问题这是希望有助于学生形成严肃认真的科学态度我们不是鼓励学生质疑吗?如果物体从A 至 B，不同路径下WG 不同， E P 还有意义吗 ?物理教学应培养“追根问底”的思维习惯，“自圆其

12、说”应是最起码的要求【生活应用 】【课本习题 】1（鲁科K）阿基米德有句名言： “给我一个支点，我可以撬动地球。”假设阿基米德的质量为60kg，地球的质量约为6×1024 kg( 把地球视为质点) ，如果阿基米德所使用的杠杆短臂长为1 m，那么，他需要的杠杆总长是多少?若想将地球举高1mm，阿基米德需要将杠杆的3另一端压下多少米?解答：骑车上陡坡走S 形路线同盘山公路一样，都是对斜面的巧妙运用。一定的，走S 形路线增大了上坡的距离，由功的原理可知，走S 形路线能省力。本题考查学生对“功的原理”的认识。2（鲁科 K）小车与货物的质量为50kg，沿搭板将其匀速推上汽车，若车厢离地面的高度

13、为1 0m，搭板的长度为40 m，求在这个过程中人做了多少功，人的推力有多大?如果直接把小车与货物搬上去呢?( 不计摩擦阻力 )解答：直接搬货时，人做的功w=Gh=50×9 8 ×1 O J=490 J 。根据功的原理：任何机械都不能省功，所以用斜面时人做的功约为490J。此时W=F 所以F=W =(490 4 O)N=122 5 N3（鲁科 K）通过一个定滑轮和一个动滑轮匀速提升重物，已知重物质量为60k8，滑轮自身重力和摩擦阻力不计。求：(1) 人的拉力。(2) 把重物提高 10m人所做的功。解答：推力做正功；小车机械能增加；在本题中摩擦力做负功，小车机械能减小。本题巾

14、出现的是摩擦力做负功的情况，可让学生近一步思考：摩擦力总是做负功吗?有无可能摩擦力做正功或不做功 ?分别对应于什么情况?4（鲁科k ）请举出3 个生活中物体能量转化的实例，并分析在这些实例中都有什么力做了功，同时有哪些能量发生了转化，如何转化。解答： (1) 用煤气灶烧开水时，煤气的化学能转化为水的内能；蒸汽推动壶盖做功，水的内能转化为壶盖的动能。(2)“爆竹声声辞旧岁” ，当爆竹爆炸时，火药的化学能转化为内能、声能、光能和爆竹碎屑的动能；“二踢脚”爆炸时，火药的一部分化学能还要先转化为它的重力势能。(3)炎炎夏日，电风扇、空调等给我们带来凉爽生活。电风扇工作时电能转化为叶片的动能，在这一过程

15、中，还有一部分电能转化为内能；然后叶片做功，使空气流动，即产生了风，叶片的动能转化为空气的动能。5（鲁科 k ）在不计空气阻力的情况下，重为10 N 的物体在下落2 m 的过程中重力对物体做了多少功?在此过程中，有哪些能量发生了转化 ?转化了多少 ?解答：重力做功 wG=Gh=10 N ×2 m=20 J 。在此过程中，物体的重力势能转化为动能，转化的能量等于重力做功的多少，即为 20 J 。6（鲁科 k ）一颗子弹射入墙内深10 cm 处，并留在其中。在此过程中子弹所受的摩擦力大小为104N 。子弹克服摩擦力做了多少功?同时有哪些能量发生了转化?转化了多少 ?解答：子弹克服摩擦力做

16、的功w=fs=104N×0 1 m=103J 。在此过程中摩擦力做负功，子弹的动能转化为内能。转化能量的多少等于克服摩擦做功的多少，为103J。【基础例题 】【其他习题】【基础探究活动 】【其它探究活动 】（鲁科 K）迷你实验室使用机械能省功吗?(1)用测力计将一件已知质量的重物竖直匀速提高1 m图 1 9(a) ，记下人所做的功有多大。(2) 通过一对滑轮组将同一重物竖直匀速提高 1m图 1- 9(b) ，记下人所用的力和绳子自由端的位移，算出这种情况下人所做的功。比较两次提起重物的过程，看看人所用的拉力，也就是动力是否一样，动力所做的功是否一样，物体受到的重力所做的功是否一样。（鲁科 J） “迷你实验