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6.3 效率综合计算

内能及其利用 · 初三
先确认一下:这一关能不能学
先会这个
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 在复杂机械系统中,结合机械效率与有用功、总功关系,求解实际功率或能量损耗的综合运算过程。

从哪来 本知识点建立在“机械效率”、“机械效率计算”以及“功的定义”、“做功的两个必要因素”、“功的计算”之上。

为什么 单一机械效率公式 $\eta = \frac{W_{\text{有}}}{W_{\text{总}}}$ 仅描述能量转化比例,无法直接反映时间维度(功率)或具体能量数值(焦耳)。综合计算将“效率(比例)”、“功(能量)”、“功率(速率)”三者通过 $W=Pt$ 和 $W=Fs$ 串联,解决真实场景中“已知输入功率求提升速度”或“已知提升高度求消耗电能”等动态问题,体现能量守恒与转化在时间轴上的分布。

讲法
适合:逻辑严密、擅长代数推导的学生 采用“变量追踪法”。列出所有已知量和未知量,建立方程组。 1. 核心链条:$P_{\text{总}} = \frac{W_{\text{总}}}{t}$,$W_{\text{总}} = \frac{W_{\text{有}}}{\eta}$,$W_{\text{有}} = Gh$。 2. 合并推导:$P_{\text{总}} = \frac{Gh}{\eta t}$。若求速度 $v = \frac{h}{t}$,则 $P_{\text{总}} = \frac{Gv}{\eta}$。 3. 强调:不要分步算出中间功,直接代入最终公式,减少中间舍入误差,体现数学美感。
讲法
适合:形象思维强、对抽象公式易混淆的学生 采用“水流管道模型”。 1. 把总功想象成“总水量”,有用功是“流进杯子的水”,额外功是“漏掉的水”。 2. 效率 $\eta$ 就是“杯子接住的比例”。 3. 功率 $P$ 是“水龙头开多大”(单位时间流出的总水量)。 4. 问题转化为:已知杯子接水速度(有用功率 $P_{\text{有}} = Gv$)和接水比例 $\eta$,求水龙头流量(总功率 $P_{\text{总}}$)。 5. 逻辑:$P_{\text{总}} = \frac{P_{\text{有}}}{\eta}$。因为总水流 = 有用水流 / 比例。
讲法
适合:基础薄弱、容易遗漏条件或单位的学生 采用“单位倒推法”。 1. 先确定目标单位(如求 $W$ 用焦耳,求 $P$ 用瓦特)。 2. 检查已知量单位是否统一(质量 $kg \to$ 重力 $N$,时间 $min \to s$,高度 $m$)。 3. 强制分步计算: - 第一步:算 $W_{\text{有}} = Gh$(写出数值和单位)。 - 第二步:算 $W_{\text{总}} = \frac{W_{\text{有}}}{\eta}$(写出数值和单位)。 - 第三步:算 $P = \frac{W_{\text{总}}}{t}$(写出数值和单位)。 4. 优点:每一步都有物理意义,出错易定位,避免公式堆砌导致的符号错误。
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练一道
基础题
用滑轮组提升重物,物重 $G=600\text{N}$,以 $v=0.5\text{m/s}$ 的速度匀速上升,滑轮组机械效率 $\eta=80\%$。求: (1) 有用功率 $P_{\text{有}}$; (2) 拉力做的总功率 $P_{\text{总}}$。
变式
某电动机带动起重机,将质量为 $200\text{kg}$ 的货物在 $10\text{s}$ 内匀速提升 $5\text{m}$。已知电动机输入功率为 $1.5\text{kW}$,$g=10\text{N/kg}$。求: (1) 起重机做的有用功; (2) 该起重机的机械效率; (3) 额外功是多少?
试试手自己判
检测题
用一台电动机通过滑轮组提升重物,物重 $G=1000\text{N}$,提升高度 $h=2\text{m}$,用时 $t=5\text{s}$。已知电动机消耗的电能(总功)为 $2500\text{J}$。求: (1) 有用功; (2) 机械效率; (3) 若该电动机额定电压为 $220\text{V}$,求工作时的电流。(假设电能全部转化为机械能和内能,且忽略导线电阻,此处简化为求平均电流 $I = \frac{P_{\text{总}}}{U}$)
看答案和判分标准
答案:(1) $W_{\text{有}} = Gh = 1000\text{N} \times 2\text{m} = 2000\text{J}$。 (2) $\eta = \frac{W_{\text{有}}}{W_{\text{总}}} = \frac{2000\text{J}}{2500\text{J}} = 80\%$。 (3) $P_{\text{总}} = \frac{W_{\text{总}}}{t} = \frac{2500\text{J}}{5\text{s}} = 500\text{W}$。 $I = \frac{P_{\text{总}}}{U} = \frac{500\text{W}}{220\text{V}} \approx 2.27\text{A}$。
判对标准:
1. 有用功计算正确(2分):$2000\text{J}$。
2. 效率计算正确(2分):$80\%$。
3. 总功率计算正确(1分):$500\text{W}$。
4. 电流计算正确(1分):约 $2.27\text{A}$(保留两位小数即可)。
5. 若学生直接用 $P_{\text{有}} = \frac{2000}{5} = 400\text{W}$ 去算电流,则判错,扣掉电流部分分数,需指出未考虑效率。
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