12-3 機械效率 教學(xué)設(shè)計 初中物理新人教版八年級下冊（2022~2023學(xué)年）

12.3機械效率年級八年級授課時間課題第3節(jié)機械效率教學(xué)目標1.能結(jié)合實例分析什么是有用功、額外功和總功。2.能說出機械效率的含義，知道機械效率是小于1的，能利用機械效率的公式進行簡單的計算。3.通過實驗了解滑輪組機械效率的高低與物體重力的大小有關(guān)。教材分析機械效率是衡量機械性能的重要指標，也是學(xué)習其他效率，如熱機效率的基礎(chǔ)，具有十分重要的現(xiàn)實意義。本節(jié)由“有用功和額外功”和“機械效率”兩部分構(gòu)成，其中機械效率是本節(jié)重點。教學(xué)中要通過實例仔細分析有用功、額外功和總功，以便學(xué)生真正認識機械效率的含義。測量滑輪組的機械效率是本節(jié)的難點。教學(xué)中要組織學(xué)生經(jīng)歷測量的全過程，如讓學(xué)生經(jīng)歷組裝實驗裝置、測量數(shù)據(jù)、得出結(jié)論的過程，既能激發(fā)他們的學(xué)習興趣，又能增加實踐體驗?？梢宰寣W(xué)生課后收集有關(guān)機械使用歷史發(fā)展的資料，通過匯報、討論、交流等多種形式，認識機械的使用對社會發(fā)展的作用，體現(xiàn)“注意學(xué)科滲透，關(guān)心科技發(fā)展”的課程理念。教學(xué)器材教學(xué)過程教師活動學(xué)生活動導(dǎo)入新課【提出問題】①在生活中，我們經(jīng)常聽到與“效率”有關(guān)的一詞：學(xué)習效率、工作效率等等，你知道它們的含義嗎？生活中的“效率”有多種含義，通常理解為單位時間完成的工作量。在物理學(xué)中，有一個概念叫做“機械效率”，你知道它的含義嗎？②要把重100N的大米運上三樓，圖中畫了三種辦法。哪種辦法最好，哪種辦法最不好？學(xué)習今天的知識你就明白了——《12.3機械效率》。學(xué)習新課一、有用功和額外功【提出問題】不使用機械直接提升物體做的功，與使用機械提升物體做的功是否相同嗎？1.使用動滑輪是否省功？【演示實驗】①如圖甲所示，用彈簧測力計將鉤碼緩慢地提升一定的高度，讀出彈簧測力計的示數(shù)并計算出拉力所做的功。②如圖乙所示，利用動滑輪將同樣的鉤碼緩慢地提升相同的高度，讀出彈簧測力計的示數(shù)并計算出拉力所做的功。拉力F/N20.10.21.20.20.24【分析論證】①直接用彈簧測力計提升2個鉤碼所作的功W1=F1S1=2N×0.1m=0.2J②用動滑輪提升2個鉤碼所做的功W2=F2S2=1.2N×0.2m=0.24J實驗結(jié)論：使用動滑輪提升重物比直接用手提升重物并不省功。2.機械的三種功【提出問題】在上述實驗中，為什么使用動滑輪提升重物非但不省功，還要費功呢？人做的功哪些是有用的？哪些是無用的？【講解】①有用功W有用：提升鉤碼是目的，有利用價值，對鉤碼做的功是對人們有用的功叫做有用功。②額外功W額：要提升鉤碼，必須將動滑輪和繩子也提升，同時還要克服摩擦做功。這些功是對人們無用但又不得不做的功叫做額外功。③總功W總：有用功跟額外功的總和叫總功W總=W有+W額?！咎岢鰡栴}】②?如果桶掉到井里，從井里撈桶的時候，撈上的桶里帶了一些水，這種情況下哪部分是有用功，哪部分是額外功？【分析】①用水桶從井中提水的時候，提水所做的功是有用功；提桶所做的功是額外功。②?如果桶掉到井里，從井里撈桶的時候，提桶所做的功是有用功；提水所做的功是額外功?！静シ乓曨l】——《有用功和額外功》【例題1】水桶掉進水里，打撈時桶里帶了些水，下列關(guān)于做功的說法中正確的是（）A．對桶所做的功是有用功 B．對桶所做的功是額外功C．對水所做的功是有用功 D．對水所做的功是總功【答案】A。【解析】水桶掉進水里，我們的目的就是為了把桶提上來，所以對桶做的功為有用功；但水桶里面有一些水，又不得不對水做功，所以對水做的功為額外功；手對繩子的拉力做的功，包括對水做的功、對桶做的功和對繩子做的功為總功，故BCD錯誤，A正確。有用功、額外功與總功的含義學(xué)習新課二、機械效率【提出問題】要把重100N的大米運上三樓。圖中用了三種方法，怎樣比較哪種方法好？1.比較做功的效率【組織學(xué)生分別計算出三種情況下的有用功、額外功和總功】①人走樓梯提大米做功情況克服自重做功W人=Gh=400N×6m=2400J總功W=W米+W桶+W人=600J+120J+2400J=3120J②人用動滑輪和桶提大米做功情況對動滑輪做功W動=Gh=10N×6m=60J總功W=W米+W桶+W動=600J+120J+60J=780J③人用動滑輪與口袋提大米做功情況對動滑輪做功W動=Gh=10N×6m=60J總功W=W米+W口袋+W動=600J+30J+60J=690J【提出問題】三種情況下有用功和總功分別是多少？有用功在總功中占的百分比是多少？做功形式人走樓梯用動滑輪和桶用動滑輪和口袋有用功W有/J600600600額外功W額/J243018090總功W總/J3120780690W有/W總19.5%77%87%引導(dǎo)學(xué)生分別計算出三次中有用功與總功的比值，歸納出結(jié)論?！窘Y(jié)論】EQ\F(W有,W總)越大，效率越高，第三種方法效率最高。2.機械效率①物理學(xué)中，將有用功跟總功的比值叫做機械效率。η＝EQ\F(W有,W總)注：機械效率只有大小，沒有單位。由于有用功總小于總功，所以機械效率總小于1。機械效率通常用百分數(shù)表示。機械效率是標志機械做功性能好壞的重要指標，機械效率越高，機械的性能越好。③一些機器的機械效率3.一些簡單機械的機械效率【引導(dǎo)學(xué)生進行以下簡單機械效率的推導(dǎo)計算】①杠桿W有用=Gh，W總=FS，機械效率η＝EQ\F(W有,W總)＝EQ\F(Gh,Fs)＝EQ\F(G,nF)η＝EQ\F(W有,W總)＝EQ\F(Gh,Gh+G動h)＝EQ\F(G,G+G動)＝EQ\F(1,1+EQ\F(G動,G))η＝EQ\F(W有,W總)＝EQ\F(fs,Fs)＝EQ\F(f,nF)W有用=Gh，總功為W總=Fl額外功為克服斜面與物體之間的摩擦力做的功：W額=fl機械效率η＝EQ\F(W有,W總)＝EQ\F(Gh,Fl)＝EQ\F(Gh,Gh+fl)【學(xué)生實驗】4.測量滑輪組的機械效率【實驗原理】η＝EQ\F(Gh,Fs)（1）探究滑輪組的機械效率與物體重力的關(guān)系【實驗步驟】②如圖乙，勻速豎直緩慢拉動彈簧測力計，使鉤碼緩慢上升，讀出拉力F的值，并用刻度尺測出鉤碼上升的高度h和繩端移動的距離s。③算出有用功W有用、總功W總、機械效率η

④改變鉤碼的數(shù)量，再做兩次上面的實驗。甲甲乙11.00.10.100.550.30.16560.6%21.50.10.150.700.30.21071.4%32.00.10.200.850.30.25578.4%【分析論證】發(fā)現(xiàn)三次的機械效率不同。同一滑輪組，鉤碼的重力越大，機械效率越高。實驗結(jié)論：同一滑輪組，提升物體的重力越大，機械效率越高。（2）探究滑輪組的機械效率與動滑輪重力的關(guān)系【實驗步驟】①按照圖甲安裝滑輪組，用彈簧測力計測量動滑輪A重力GA，分別記下鉤碼和繩端的位置。②勻速緩慢拉動彈簧測力計，使鉤碼升高，讀出拉力F的值，用刻度尺測出鉤碼上升的高度h和繩端移動的距離s，將測量數(shù)據(jù)填入表格。③如圖乙所示，改變動滑輪的重力，換用動滑輪B，重復(fù)上述實驗。④算出有用功W有、總功W總、機械效率η，并填入表格。η＝EQ\F(W有,W總)＝EQ\F(Gh,Fs)＝EQ\F(G,nF)【答案】B?！窘馕觥緼CD．用滑輪組豎直向上勻速提升重物時，有用功為W有用=G物h，不計繩重和摩擦，額外功為：W額=G動h，總功為W總=W有用+W額=G物h+G動h則滑輪組的機械效率為η＝EQ\F(W有,W總)＝EQ\F(G物h,G物h+G動h)＝EQ\F(G物,G物+G動)＝EQ\F(1,1+EQ\F(G動,G物))由此可知，滑輪組機械效率的高低與重物上升的高度、增大繩子自由端移動的距離和增大繩子自由端的拉力無關(guān)，故ACD不符合題意；B．由以上分析可知，減小動滑輪的重力，可減小額外功，能提高滑輪組的機械效率，故B符合題意。圖2圖2圖3【例題3】如圖3所示，斜面與水平地面夾角為30°，某快遞員用500N的力，將重800N的貨物沿斜面勻速推上車廂，不考慮斜面形變，貨物所受摩擦力方向沿斜面向___；斜面的機械效率為_____。不改變斜面與地面夾角和貨物質(zhì)量，采用______________的方法可以提高斜面的機械效率?！敬鸢浮可?，80%，減小接觸面的粗糙程度?！窘馕觥控浳锵鄬π泵嫦蛏线\動，所受的斜面的摩擦力沿斜面向下。如圖所示，斜面的長度為l，其高度h=0.5l，斜面的機械效率η＝EQ\F(W有,W總)＝EQ\F(Gh,Fl)＝EQ\F(G×0.5l,Fl)×100%＝EQ\F(800N×0.5,500N)×100%=80%斜面與地面夾角和貨物質(zhì)量不變，即有用功保持不變，可通過減少額外功來提高斜面的機械效率。所以可通過減小接觸面的粗糙程度來減小摩擦，來提高機械效率?！纠}4】如圖甲是某學(xué)習小組“測量滑輪組的機械效率”的示意圖（不計繩重和摩擦）。①實驗中，用彈簧測力計豎直向上___________拉動繩子自由端，將重為4.8N的物體從A位置提升到A′位置，同時彈簧測力計從圖中的B位置上升到B′位置，此過程中，彈簧測力計的示數(shù)如圖乙所示；②該滑輪組的機械效率η=______；③若在圖甲裝置的基礎(chǔ)上，增加一個動滑輪，改為圖丙所示的裝置，提升同一物體，則測得滑輪組的機械效率_______（選填“變大”、“變小”或“不變”）?！敬鸢浮緼?！窘馕觥竣賹嶒炛袘?yīng)該用彈簧測力計豎直向上勻速直線拉動繩子自由端，此時系統(tǒng)為平衡狀態(tài)，測力計示數(shù)等于拉力的大小。②由圖知，測力計從B位置勻速提升到B′位置，測力計上升的高度為s=30.0cm-15.0cm=15.0cm=0.15m有3段繩子拉著動滑輪，n=3，則物體上升的高度為h=5.0cm=0.05m由圖可知，測力計的示數(shù)為2N；該滑輪組的機械效率為η＝EQ\F(W有,W總)＝EQ\F(Gh,Fs)＝EQ\F(4.8N×0.05m,2N×0.15m)×100%=80%③若在圖甲裝置的基礎(chǔ)上，增加一個動滑輪，改為圖丙所示的裝置，提升同物體，此時有用功不變，克服動滑輪重力所做的額外功變大，總功變大，故滑輪組的機械效率會變小。計算三種情況下有用功在總功中占的百分比是多少，從而引出機械效率的概念。建立機械效率的概念，理解物理意義。了解一些機器的效率。收集證據(jù)、分析數(shù)據(jù)，歸納出機械效率與動滑輪的重力的關(guān)系。課堂練習課堂練習1．升旗過程中，克服旗的重力做的功是_______，克服摩擦力做的功是______；人對繩子拉力做的功是_______(均選填“有用功”、“額外功”或“總功”)?！敬鸢浮坑杏霉?，額外功，總功?！窘馕觥可爝^程中，克服旗的重力做的功是有用功，克服摩擦力做的功是額外功；人對繩子拉力做的功是總功。2．關(guān)于機械效率，下列說法中正確的是 （）A．做有用功多的機械效率一定高B．做總功多的機械效率一定高C．做額外功少的機械效率一定高D．在總功中有用功所占比例大的機械效率高【答案】D?！窘馕觥繖C械效率η＝EQ\F(W有,W總)，其大小取決于有用功與總功的比值。只看有用功或總功都無法比較大小。有用功在總功中所占比例大的機械效率高。所以選D。3.用繩子將鉤碼提升至一定的高度，如圖2所示，此過程所做的有用功是（）A．提升鉤碼所做的功B．克服摩擦力所做的功C．提高繩子所做的功D．克服動滑輪重力所做的功【答案】A?！窘馕觥坑美K子將鉤碼提升一定的高度，此過程做的有用功是提升鉤碼所做的功。圖2圖圖2圖34.工人用如圖3所示的機械將物體勻速提升到某一高度，若物體的重力與滑輪的重力之比G物∶G滑輪=9∶1，忽略繩重與摩擦的影響，則機械效率為（）A．10%B．45%C．80%D．90%【答案】D。【解析】不計繩重與摩擦的影響，則機械效率為η＝EQ\F(W有,W總)＝EQ\F(G物h,G物h+G動h)＝EQ\F(G物,G物+G動)＝EQ\F(9G動,9G動+G動)=90%5.如圖4所示，為使重為1500N的物體勻速運動到長100m的斜面頂端，若斜面的高為10m。需用180N的推力，則這個斜面的機械效率是多少？【答案】20，200.【解析】W有用=Gh=1500N×10m=15000JW總=Fs=180N×100m=18000Jη＝EQ\F(W有,W總)＝EQ\F(15000J,18000J)×100%=83.3%6.如圖5所示，小明用滑輪組把質(zhì)量為54kg的重物勻速提升了1m．此過程中，繩子自由端的拉力做功為675J，繩子自由端的拉力為______N，該滑輪組的機械效率為_______。（g取10N/kg）【答案】225，80%.【解析】由圖可知，n＝3，重物勻速提升了h=1m，則繩子自由端移動的距離s=3m，拉力做的總功W總＝Fs則拉力F＝W總/s=675J/3m＝225NW有＝Gh＝mgh＝54kg×10N/kg＝540J滑輪組的機械效率η＝EQ\F(W有,W總)＝EQ\F(540J,675J)×100%=80%圖圖4圖5圖67．工人利用如圖6所示的滑輪組將重900N的物體豎直向上勻速提升0.5m，工人所用的拉力F為600N，不計摩擦和繩重，求：①人的拉力做的功為多少J？②此滑輪組的機械效率為多少？③若用此滑輪組提升重為1500N的物體，繩上的拉力是多少N？【答案】①600J；②75%；③900N.【解析】①由圖知n＝2，拉力端移動距離s=2h=2×0.5m=1m拉力做的總功W總＝Fs＝600N×1m＝600J.②工人做的有用功W有＝Gh＝900N×0.5m＝450J滑輪組的機械效率η=W有/W總=450J/600J×100%=75%.③由于不計摩擦和繩重，拉力F＝（G物＋G動）/2所用動滑輪的重G動＝2F-G＝2×600N-900N＝300N若用此滑輪組提升1500N的重物，此時拉力F′＝(G物′＋G動)/2＝(1500N＋300N)/2＝900N.8.如圖所示，在20N的水平拉力F作用下，重200N的物體沿水平面向左做勻速直線運動，物體與地面間的滑動摩擦力為48N。則：①滑輪組的機械效率為多少？②若物體的速度為0.2m/s，則拉力做功的功率是多少？【答案】①80%；②12W【解析】①由圖可知，n＝3，滑輪組的機械效率η=W有

W總②功率P＝Fv＝20N×3×0.2m/s＝12W.9.如圖用同一滑輪組分別將兩個不同的物體A和B勻速提升相同的高度，不計繩重和摩擦的影響，提升A的過程滑輪組的機械效率較大，則下列判斷正確的是（）①提升A的拉力較大②A物體比B物體輕③提升A做的有用功較多④提升A所做的額外功較少A．只有①③B．只有②④ C．只有②③D．只有①④【答案】B.【解析】②滑輪組的機械效率η=W有

因為ηA①繩子的拉力F=因為GA③提升物體做的有用功為W有＝Gh因為GA④不計繩重和摩擦，額外功指的是克服動滑輪做功，根據(jù)W額＝G動h可知，W額A=W綜上所述，只有①③正確，所以選A。10.小明和小強在測“滑輪組機械效率”的實驗中，組裝好如圖所示實驗裝置，他們分別記下了鉤碼和彈簧測力計的位置。鉤碼重鉤碼重G/N彈簧測力計提升的高度s/m有用功W有用/J總功W總/J機械效率η10.20.10.1100%（1）實驗時，小明________豎直向上拉動彈簧測力計，使鉤碼升高，彈簧測力計讀數(shù)為0.5N；同時小強也用刻度尺測出鉤碼被提升的高度為10cm，以上測量結(jié)果準確無誤，其他被測物理量和計算數(shù)據(jù)記錄如表；（2）小明