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11.3 如何提高机械效率
一、教学目标
1．知识与技能
（1）知道有用功、额外功和总功的含义，以及它们之间的关系；
（2）理解机械效率，会用机械效率的公式进行简单的计算，会测算滑轮组的机械效率；
（3）知道机械效率总小于1，知道提高机械效率的方法和意义。
2．过程与方法
经历测算滑轮组机械效率的过程，学习测算简单机械效率的方法。
3．情感态度和价值观
通过学习"效率"的概念，增强节约意识，提高对科学发展观的认识。
二、课时安排
2课时
三、教学重点
有用功、额外功、总功及机械效率。
四、教学难点
同一机械的效率是可变的。
五、教学过程
（一）导入新课
现代社会是讲求效率的节约型社会，时时处处都要讲究提高效率。我们使用机械也要讲效率。那么，什么是机械效率呢？下面我们就来研究这个问题。
（二）讲授新课
什么是有用功与额外功
1、让学生观察“活动1”，通过具体做功实例的分析，并引导学生回答下列问题，让学生知道“有用功”和“额外功”的含义。
⑴在这两个情景中，力对哪些物体做了功？
⑵哪些功是我们为了达到特定目的必须要做的功？
⑶哪些功是我们不需要但又不得不做的功？
2、学生经过思考、讨论，可以答出：
⑴对于教材图13-16a，拉力对滑轮组做功时，拉力对重物、动滑轮、绳子以及克服各部分之间的摩擦力都做了功；其中，提升重物做的功是我们需要的功，对动滑轮、绳子以及克服摩擦所做的功是我们不需要但又不得不做的功。
⑵对于教材图13-16b：挖掘机对泥土、挖斗以及克服各部件之间的摩擦力都做了功；其中，提升泥土所做的功是我们需要的功，对挖斗以及克服摩擦所做的功是我们不需要但又不得不做的功。
3、在学生回答的基础上，教师给出提升物体时，“有用功”、“额外功”及“总功”的含义：
有用功（W有用）：克服物体的重力所做的功。（W=Gh）
额外功（W额外）：克服机械自身的重力做功（W=Gh）、克服摩擦力和绳子自重所做的功（忽略不计不要求计算）。
总功（W总）：有用功和额外功的总和，即W总=W有用+W额外。（W=Fs）
4、然后向学生指出：在实际用机械做功时，总功也等于动力对机械做的功。
为了检验学习效果，可让学生分析下列情况中的有用功、额外功、总功，并说明这样分析的理由：
⑴用桶从井中提水。（答：目的是把水提上来，所以提升水做的功是有用功，对水桶做的功是额外功，对水和水桶做的功是总功。）
⑵桶掉到井里，把桶从井中捞起。（答：目的是把水桶捞上来，所以对水桶做的功是有用功，对水做的功是额外功，对水桶和水做的功是总功。）
⑶用水桶把水提到楼上去。（答：目的是把水提到楼上，所以对水做的功是有用功，对水桶和人所做的功是额外功，对水、水桶和人做的功是总功。）
什么是机械效率
1、可用下面的问题引出机械效率的定义：
（1）当你用水桶提水时，有两只大小相同的水桶可供选择，一只是轻质塑料桶，另一只是厚铁皮桶，你选择哪一只水桶？为什么？（答：选择轻质塑料水桶，因为提同样多的水，用塑料桶需要做的额外功较少。）
通过回答，使学生意识到：我们在使用机械做功时，额外功是不可避免的，但我们总希望做的额外功越少越好，也就是有用功在总功中所占的比例越大越好。至此，可以引导学生自己总结出机械效率的定义和公式。（如何计算比例？引出有用功在总功中占的比例——机械效率）
2、为了加深对机械效率的理解，可以组织学生讨论以下问题：
（1）机械效率的高低表示的物理意义是什么？（答：有用功在总功中所占比例的高低）
（2）机械效率的单位是什么？（答：机械效率是两个功（W有用、W总）的比值，没有单位。）
（3）为什么机械效率总小于1？能不能等于1？（使用机械做功时，一般情况下，不可避免地要做一部分额外功，有用功总小于总功，所以机械效率总小于1）
3、使用机械做功总是希望机械效率越大越好，以打水为例，引导学生讨论如何提高机械效率呢？
方法一：额外功一定时，增加有用功；方法二：有用功一定时，减少额外功
4、让学生解下列有关滑轮组机械效率的计算题，帮助学生从具体应用中理解有用功、额外功和总功，熟悉机械效率的计算公式，找到解答此类问题关键。
例1、桶重10N，从10m深的水井中打水和捞桶时都提上来50N的水，分别计算打水和捞桶这两个过程中的有用功和额外功、总功。
打水 捞桶
W有用＝G水h W有用＝G桶h
=50N×10m =10N×10m
=500J =100J
W额外＝G桶h W额外＝G水h
=10N×10m = 50N×10m
=100J =500J
W总＝W有用＋W额外 W总＝W有用＋W额外
=500J+100J =100J+500J
=600J = 600J
= =
=83.3% =16.7%
例2、如图13.3-1所示，建筑工人用滑轮组提升重为220N的泥桶，动滑轮重为20N，不计滑轮与轴之间的摩擦及绳重。如果工人将绳子匀速向上拉了6m，则泥桶上升了多少？滑轮组的机械效率是多少？
已知：G桶=220N，G动滑轮=20N，s=6m，n=3
求：h，η
解：泥桶上升的高度：。
工人对泥桶做的有用功：W有用=G桶h=220N×2m=440J。
工人对动滑轮做的额外功：W额外=G动滑轮h=20N×2m=40J。
所以总功：W总=W有用+W额外=440J+40J=480J。
滑轮组的机械效率：。
答：泥桶上升了2m，滑轮组的机械效率是91.7%。
测算滑轮组的机械效率
1、演示实验，并让学生明确：实验的目的是测算滑轮组的机械效率，因而要求出有用功和总功，为此，可引导学生通过下列问题的讨论，逐步设计实验方案：
（1）滑轮组工作中的有用功怎样计算？需要测量哪些物理量？（答：W有用=G桶h，要测量物重G和物体上升的高度h。）
（2）滑轮组的额外功是怎样产生的，是否便于测量？（答：克服绳重、滑轮的摩擦、动滑轮的重力所做的功都是额外功；显然，这些额外功很难直接测量。）
（3）因为滑轮组的额外功不便直接测量，所以，用有用功和额外功之和求总功不方便。那么，还有其他简便的方法测算总功吗？需要测量哪些物理量？（答：有。测出绳端的拉力F和拉力移动的距离s，根据W总=Fs计算出总功。）
（4）为了求出滑轮组的有用功和总功，进而测出滑轮组的机械效率，除滑轮组外，实验中还需要哪些器材？（答：弹簧测力计和刻度尺。）
2、学生讨论回答后，教师边演示边讲解做好实验的注意事项，学生观察实验并作好数据的记录
（1）钩码上升的高度h，可用竖直放置在钩码旁的刻度尺读出，以钩码的下端为标准读数。
（2）拉力F的大小由弹簧测力计的示数读出，要竖直向上匀速拉动弹簧测力计，弹簧不要和外壳摩擦。
（3）测量细绳自由端通过的距离s时，可事先在细绳自由端上作一标记，再拉弹簧测力计，用滑轮组提升重物。用刻度尺量出钩码上升的高度后，再量出细绳标记移动的距离，就是细绳自由端通过的距离s。
次序 物重G/N 弹簧测力计的示数F/N 重物上升高度h/m 绳子自由端移动的距离s/m 动力对滑轮做功W总/J(W总=Fs) 滑轮组对生物做功W有用/J(W有用=Gh) 机械效率η
1
2
3、让学生根据收集的数据，计算出两次机械效率
4、学生通过计算的结果，他们会发现：同一个滑轮组，在提升不同的重物时，其机械效率是不同的。（这是因为在提升重物时，物体越重，所做的有用功越多，有用功在总功中所占的比例就越大，机械效率越高。）
5、引导学生思考：还有什么因素会影响滑轮组的机械效率？为什么？（答：动滑轮的重会影响滑轮组的机械效率，动滑轮越重，额外功在总功中所占的比例就越大，机械效率越低；滑轮自身部件的摩擦也会影响滑轮组的机械效率。）
6、进一深化，引导学生讨论以下问题：
（1）在以上实验中，还有其他方法测出绳子自由端移动的距离吗？（答：有。数出承担重物的绳子股数n，则绳子自由端通过的距离s=nh，h为重物上升的高度。）
（2）如果不测出物体上升的高度h和绳子自由端移动的距离s，还能不能计算出滑轮组的机械效率？（答：能。因为s=nh，则机械效率。）
7、让学生阅读教材了解一些设备的效率，知道提高机械效率的一些主要方法，培养学生合理改进机械、提高效率的意识。
（三）重难点精讲
1、有用功（W有用）：克服物体的重力所做的功。（W=Gh）
2、额外功（W额外）：克服机械自身的重力做功（W=Gh）、克服摩擦力和绳子自重所做的功（忽略不计不要求计算）。
3、总功（W总）：有用功和额外功的总和，即W总=W有用+W额外。（W=Fs）
4、机械效率——有用功与总功的比值
5、提高机械效率：额外功一定时，增加有用功；有用功一定时，减少额外功。
（四）归纳小结
【过渡】通过本节课的学习，你学到了什么？你还有什么问题？
【总结】在学生回答的基础上，教师补充、解释。
六、板书设计
如何提高机械效率
1、什么是有用功和额外功
（1）有用功（W有用）：克服物体的重力所做的功。（W=Gh）
（2）额外功（W额外）：克服机械自身的重力做功（W=Gh）、克服摩擦力和绳子自重所做的功（忽略不计不要求计算）。
（3）总功（W总）：有用功和额外功的总和，即W总=W有用+W额外。（W=Fs）
2、什么是机械效率
（1）机械效率——有用功与总功的比值
（2）提高机械效率：额外功一定时，增加有用功；有用功一定时，减少额外功。
七、作业布置
同步练习册
八、教学反思
本节课主要是弄清楚有用功、额外功，进而明白机械效率；就教材内容而言，本节课的试题集中在计算题上，所以可以通过大量的例题来加深学生的理解，从量变到质变。通过测算组滑轮的机械效率实验本让学生从感性认识慢慢升华到理性认识，使得学生在实操、理解的基础上，加深对于机械效率的认识。 从教学手段上看，是传统教学和现代多媒体的有机结合，重视物理规律的形成过程，帮助学生建立形象直观的认识，使学生加深对知识理解的同时，又提高教学效果。

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