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12.3　机械效率
【学习目标】
1．知道有用功、额外功、总功。
2．理解机械效率，会计算机械效率。
3．学会测滑轮组的机械效率。
【教学重难点】
重点：1.理解机械效率。
2.滑轮组的绕线组装。
难点：1.会分析影响机械效率大小的因素。
2.重物上升的距离和绳子自由端所通过距离的测定，理解两者的关系。
【教学方法】
归纳法、比较法、讲授法、实验法。
【教学过程】
一、新课导入：
小明家装修房子，需要把一堆沙子从一楼运到三楼，你有哪些方法？
请同学们思考讨论，看哪一组同学想的办法最多？
学生发表观点：
1．用桶装沙子由人沿楼梯提上去；
2．用桶装沙子由动滑轮吊上去；
3．用口袋装沙子由动滑轮吊上去。
在短时间内可以想出许多办法，说明同学们解决问题的效率很高，也说明学习的效率很高。学习的效率可以反映学习的好坏，刚才所想的办法中使用了机械，机械性能的优劣可以用机械效率表示，这节课我们就学习机械效率的有关知识。
二、新课讲授：
(一)有用功和额外功
学生实验：探究使用动滑轮是否省功．
提出问题：为了计算拉力做功需要测量哪些量，怎样测量？
学生明确实验目的和做法：
需要测量拉力和运动距离，用弹簧测力计测量拉力、用刻度尺测量运动距离。
小组合作进行实验：
(1)如图甲，用弹簧测力计将钩码匀速提升一定的高度，计算拉力所做的功。
甲　　 　乙
(2)如图乙，用弹簧测力计并借助一个动滑轮将同样的钩码匀速提升相同的高度，计算拉力所做的功。
师生共同归纳总结：
实验结论：使用动滑轮不省功。
推论：使用任何机械均不省功。
教师引导学生阅读课本P85—P86内容，了解有用功和额外功。
师生共同归纳总结：
1．有用功：在完成任务中，必须要做的功叫做有用功，用W有表示。
2．额外功：在完成任务中，不用做但又不得不做的功，叫做额外功，用W额表示。
教师提问：为什么会产生额外功呢？它的产生主要有两种原因：
(1)提升物体时，克服机械自重、容器重量等所做的功，如用动滑轮提一桶水时，克服动滑轮和桶重所做的功为额外功。W额＝G′h。
(2)克服机械的摩擦所做的功都是额外功，W额＝f摩s。
人们在达到一定目的的过程中，实际做的功等于有用功与额外功的总和，这个功叫做总功，W总＝W有＋W额。
(二)机械效率
创设情境：如图所示，将重100 N的沙子运到三楼，每个楼层的高度是3 m。
分别计算出三种情况下的有用功，额外功和总功。
第一种情况：W有＝G沙h＝100 N×3 m×2＝600 J
W额1＝G人h＋G桶h＝(400 N＋20 N)×6 m＝2 520 J
W总1＝W有＋W额1＝600 J＋2 520 J＝3 120 J
第二种情况：W有＝G沙h＝100 N×6 m＝600 J
W额2＝G轮h＋G桶h＝(10 N＋20 N)×6 m＝180 J
W总2＝W有＋W额2＝600 J＋180 J＝780 J
第三种情况：W有＝G沙h＝100 N×6 m＝600 J
W额3＝G轮h＋G袋h＝(10 N＋5 N)×6 m＝90 J
W总3＝W有＋W额3＝600 J＋90 J＝690 J
教师及时点拨：如果让大家来选择，你会采取哪种方式将沙子运上三楼呢？
学生当然会选择第三种情况。教师及时发问：为什么呢？
学生回答：因为可以少做额外功。
学生明确：如果我们在选择某一简单机械完成相同的功，要选择少做额外功的机械。这是反映机械优劣的一个很重要指标。
教师指出：1.在物理学中，我们将有用功跟总功的比值叫做机械效率，用字母η表示。
2．机械效率＝
公式：η＝
3．机械效率通常用百分数表示，没有单位，有用功总小于总功，所以机械效率总小于1。
教师指出：机械效率由有用功和总功两个因素决定，分析机械效率高低时不能只考虑一个因素。
(1)当总功一定时，机械做的有用功越多，或额外功越少，机械效率就越高；
(2)当有用功一定时，机械所做的总功越少，或额外功越少，机械效率就越高；
(3)当额外功一定时，机械所做的总功越多，有用功在总功中所占的比例就越大，机械效率就越高。
教师利用多媒体出示例题：
【例题】起重机把质量为0.5 t的重物匀速提升了3 m，而它的电动机所做的功是3.4×104 J，起重机的机械效率是多少？g取10 N/kg。
教师请两位同学在黑板上板演，其他同学在练习本上完成．教师巡回指导及时纠正学生在解题的过程中出现的问题。
解：重物匀速上升，提升重物的力和重力大小相等，
F＝G＝mg＝0.5×103 kg×10 N/kg＝5×103 N，
起重机提升重物所做的功为有用功：
W有＝Fh＝5×103 N×3 m＝1.5×104 J，
起重机电动机所做的功为总功：
W总＝3.4×104 J
起重机的机械效率：
η＝＝＝0.44＝44%。
(三)测量滑轮组的机械效率
学生分组实验一：测量滑轮组的机械效率。
【提出问题】滑轮组的机械效率总是一定的吗？
利用实验测量时，需要测量哪几个物理量？怎样计算有用功？怎样计算总功？
【猜想假设】滑轮组的机械效率与哪些因素有关。
物体的重、滑轮重、绳重、绳与轮间的摩擦、承担物重的绳子段数……
【设计实验】
实验目的：利用测力计将安装在滑轮组中的钩码(或重物)提起，比较同一滑轮组在不同使用情况下的机械效率。
实验原理：η＝＝。
师生探讨实验方案，明确实验思路：按上图所示的方式组装好滑轮组，并使用该滑轮组分别将甲、乙重物提起，再将两次实验数据填写在下表中，进而比较两次测算的机械效率是否相等。
教师展示实验器材：刻度尺、钩码(0.5 kg)、弹簧测力计、铁架台、滑轮、长约2 m的细绳。
学生设计实验数据记录表格：
教师强调实验注意事项：用滑轮组提升重物的过程中，不管是匀速拉动还是加速拉动绳子，对拉力大小都有影响，绳子是竖直拉还是斜拉，拉力大小也不同，因此在实验过程中要匀速拉动弹簧测力计竖直向上运动。
【进行实验】
(1)按图所示，把滑轮组安装好，记下钩码和弹簧测力计的位置；
(2)匀速拉动弹簧测力计，使重物(钩码)升高，从弹簧测力计上读出拉力F的值，用刻度尺测出重物(钩码)上升的高度h和弹簧测力计移动的距离s，填入记录表格；
(3)计算出W有、W总、机械效率η并填入表中；
(4)换重物乙重复上面的实验。
记录实验数据并计算整理。
【分析论证与实验结论】
分析实验数据，展示实验结果，总结实验结论。
同一滑轮组，提起的物重越重，滑轮组的机械效率越高。
【交流评估】回顾实验过程，在探究中运用了哪些研究问题的科学方法？实验设计有哪些地方不合理？操作中有哪些失误？从实验中你还有什么新发现？
公式推导：η＝＝＝，滑轮组的机械效率与物体被提升的高度无关。
【知识拓展】
教师利用多媒体展示：科学世界机械发展史。
纽科门蒸汽机最初的机械效率只有1%
师生共同归纳总结：
1．提高机械效率的方法：改进机械结构，使它更合理、更轻巧；经常保养，按时润滑，以减小摩擦。
2．旧汽车与新汽车相比，旧汽车机械效率低，当做一样多的有用功时，旧汽车比新汽车耗油多，排出的尾气也多。
(四)探究影响斜面机械效率的因素
学生分组实验二：探究影响斜面机械效率的因素。
【制订计划与设计实验】在影响机械效率的许多因素中，摩擦是一个重要因素。例如：把物体拉上斜面时，就要克服物体与斜面之间的摩擦做额外功。做实验时，应该选择光滑程度一样的斜面，如图所示，用弹簧测力计匀速拉动小车运动，比较斜面的倾斜程度不同时，斜面的机械效率是否相同。
【实验步骤】①将木板用一木块垫起，使其倾斜程度较小，用弹簧测力计沿斜面将小车从斜面底端匀速拉到斜面顶端，记下小车移动的距离s，并测出斜面的高度h，拉力F。
②改变木板一端垫起的高度两次，使斜面较陡，重复实验过程①。
【实验记录】将数据记录在下表中，并计算后填入相关值。
【分析论证】①从表中数据可以看出，斜面的机械效率和斜面的倾斜程度有关．
②用弹簧测力计沿斜面匀速拉动小车向上运动时，要克服摩擦力做功，因此斜面的机械效率不高．
③对于斜面来说，W有＝Gh，W总＝Fs，η＝＝<1。
④对于理想斜面，不存在摩擦，η＝100%，Gh＝Fs。
【得出结论】斜面的机械效率与斜面的倾斜程度有关，斜面越倾斜，机械效率越高．
实验注意问题：
①拉动小车沿斜面向上运动时拉力要沿着斜面。
②拉动小车时要使小车做匀速直线运动。
三、课堂练习：
1．甲吊车比乙吊车的机械效率高，当它们分别把相同质量的物体匀速提升相同高度时，则(　　)
A．甲吊车的电动机做的有用功较多
B．乙吊车的电动机做的额外功较多
C．甲吊车的电动机做的总功较多
D．甲、乙两吊车的电动机做的总功相同
2．用滑轮或滑轮组提起同一重物(如下图所示)，其中机械效率最高的是(　　)
3．如图所示，用滑轮组提升重物时，重800 N的物体在10 s内匀速上升了1 m。已知拉绳子的力F为500 N，则提升重物的过程中(　　)
A．做的有用功是800 J
B．拉力F的功率是80 W
C．绳子自由端被拉下3 m
D．滑轮组的机械效率是60%
【答案】1.B　2.B　3.A
四、课堂小结：
通过本节课的学习，你学会了什么？有什么成功的体会与经验？
1．学习了什么是有用功、总功和额外功。
2．理解了什么是机械效率，从而得到了机械效率的公式。
3．学习了如何测量滑轮组的机械效率；
4．探究了影响斜面机械效率的因素。
五、作业布置：
完成配套课后练习。
【板书设计】
第3节　机械效率
一、基本概念
1．使用任何机械都不省功
2．几个概念三者的关系：W总＝W有＋W额
3．机械效率定义：有用功与总功的比值
4．机械效率公式：η＝
5．提高机械效率的方法
二、测量滑轮组的机械效率
影响滑轮组机械效率的因素：
被提升重物的重力、摩擦、机械自重(动滑轮重力)
三、影响斜面机械效率的因素
【课后反思】
本节课采用提问—思考—实验—分析—小结的教学方法，逐步提出有用功、额外功、总功的概念，然后进一步建立机械效率的概念，在这种教学方法的指导下，再引导学生主动思考，认真分析，重视实验，使学生在课内有所思、有所见、有所做、有所得，淡化教师的主讲思想，体现学生是学习主体的意识，让学生逐步形成科学的思维方式和主动的学习习惯，有利于更好地完成教学任务。
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