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第15讲 机械效率 机械能及其转化
要点梳理
易错集锦
1.机械效率越高，表示( )
D
A.做的有用功越多 B.做功的本领越大
C.做功越快 D.有用功与总功的比值越大
2.空中加油机正在以大小不变的速度给匀速水平飞行的战斗机加油。在
加油的过程中，战斗机的动能______，重力势能______；加油机的动能
______，重力势能______, 机械能______。
增大
增大
减小
减小
减小
第15讲 机械效率 机械能及其转化
典题精析
考点1 机械效率及其计算
抢分攻略
1.机械效率指的是有用功与总功的比值，机械效率与做功多少、做
功快慢和省力与否无关。不能错误地认为“机械做功越快，机械效率就
越高”或“越省力的机械，机械效率越高”。
2.滑轮组机械效率的有关计算：
（1）滑轮组竖直放置：绳子自由端拉力做的功为总功 ，
动滑轮挂钩提升物体的拉力做的功为有用功 ，克服滑轮组机
械摩擦和动滑轮重力所做的功为额外功 ，
。若忽略绳重与滑轮组间的机械摩擦，则有
， ， （与绕绳方式无
关）。
（2）滑轮组水平放置：该类问题所涉及的物理量有物体与水平面
间的摩擦力 、物体移动的距离 、动力 、动力 移动的距离 。其中
， ， 。
3.斜面机械效率的有关计算：该类问题涉及的物理量有物重 、沿
斜面的拉力 、沿斜面移动距离 、上升高度 。其中 ，
， 。克服摩擦力 做的功为额外功， 。
图15-1
例1 （2021·广西北部湾经济区）利用滑轮组帮助
汽车脱困的情景如图15-1所示。匀速拉动车的过程
中，车相对树木是______（选填“静止”或“运动”）
方法点拨 关于机械效率的计算，要明确哪个力做的功是总功，哪个力做的功是有用功，然后分别求出有用功和总功，再代入公式计算。
的，动滑轮上有___段绳子承担对车的拉力，若对车的拉力为 ，
为 ，则该滑轮组的机械效率是_____。
图15-1
【解析】由题图得出，从动滑轮上引出的绳子有
效股数 ，拉力端移动距离 ，若对车
的拉力为 ，拉力为 ，该滑轮组的机械效率
。
【答案】运动; 2;
考点专练
图15-2
1.（2022·广西贵港）如图15-2所示，用动滑轮提起重物。若
物重为 ，工人用 的拉力将重物沿竖直方向
匀速提升了 ,则拉力所做的功为_______ , 此动滑轮的机
械效率为_____。
4 000
图15-3
2.（2021·广西梧州）如图15-3所示，利用滑轮把重为
的物体从斜面底端沿斜面往上匀速拉动 ，
物体升高了 ，所用时间为 ，该装置的机械效
率为 ，绳子自由端拉力为 ，其方向始终与斜面
平行。求在此过程中：
（1）拉力做的有用功；
解：（1）有用功为
图15-3
（2）拉力的大小；
（3）拉力的功率。
图15-3
（2）由 得总功为
动滑轮绳子的承重股数为2，则绳端移动的距离为
由 得拉力的大小为
（3）拉力做功的功率为
图15-3
考点2 机械能及其转化
抢分攻略
1.机械能守恒的条件：只有动能和势能相互转化。在实际情况中，
由于克服摩擦做功、摩擦生热等，总有一部分机械能会损失（转化为内
能或其他形式的能量）。
2.从隐含条件中判断动能和势能的变化情况：
（1）判断速度大小的变化：“匀速” 不变，“加速（或越来越
快）” 变大，“减速（或刹车）” 变小。
（2）判断高度的变化：“上升” 变大，“下降（或下滑）” 减小。
（3）判断质量的变化：如“飞机空投物资”“洒水车洒水” 减小。
（4）判断机械能的变化：“光滑且不计空气阻力” 机械能守恒，
“粗糙（或有摩擦阻力）” 机械能减小。
3.注意：“物体匀速下落时重力势能转化为动能”的说法是错误的，
匀速说明其动能不变，实际上物体匀速下落时减少的重力势能（或机械
能）转化为内能。
例2 （2022·广西玉林）如图15-4所示，舰载机在“山东舰”航母上起飞。
其在加速上升过程中( )
图15-4
A.动能减小，重力势能增大
B.动能增大，重力势能减小
C.动能增大，重力势能增大
D.动能减小，重力势能减小
方法点拨 在能的转化问题中，要确定是哪几种能之间发生转化，明确各种能的特点及其影响因素，再进一步作出判断。对火箭发射和飞机的加速升空过程，可采用“微元法”，取一小段升空过程进行分析（可认为该过程火箭或飞机的质量不变），再由此推及整个过程，可知火箭或飞机的动能和重力势能都增加。
【答案】C
图15-4
考点专练
3.（2022·广西北部湾经济区）2022年5月31日，我国自主研制的大型两
栖飞机——“鲲龙” 在广东珠海首飞成功。返航时，飞机在减速下
降过程中( )
D
A.动能增大，重力势能减小 B.动能减小，机械能不变
C.动能增大，重力势能增大 D.动能减小，机械能减小
4.（2023·南宁二模）如图15-5为北京冬奥会高速摄影机记录某跳台滑雪
运动员从跳台起跳到落地的情景。下列说法正确的是( )
D
图15-5
A.整个过程机械能一定守恒
B.到达最高点时动能为零
C.下落时重力做功越来越慢
D.上升时动能转化成重力势能
第15讲 机械效率 机械能及其转化
实验与探究
实验1 测量滑轮组的机械效率
实验 装置
实验 方法 实验原理： 。应测物理量有钩码重力 、钩码提
升的高度 、拉力 、绳子自由端移动的距离
注意 事项 必须匀速拉动弹簧测力计使钩码升高，目的是保证弹簧测力计
示数稳定
实验 结论 （1）同一个滑轮组，所提升物体的重力越大，机械效率越高
（2）不同滑轮组，所提升物体的重力相等时，动滑轮的重力
越小，机械效率越高
（3）滑轮组的机械效率与绕线方式和提升重物的高度无关
续表
评估 交流 （1）若绳子自由端与动滑轮连接，则须匀速竖直拉动弹簧测
力计；若绳子自由端与定滑轮连接，则匀速拉动弹簧测力计即
可，无须竖直拉动
（2）实验误差的主要来源：弹簧测力计的示数不稳定（难以
保证匀速拉动）
续表
深入 拓展 （1）影响滑轮组机械效率的主要因素有物体的重力、动滑轮
的重力、滑轮与绳间的摩擦；提高滑轮组机械效率的方法主要
有增加所提升物体的重力、减小动滑轮的重力、减小摩擦
（2）实验改进：在原来的实验装置中，使绳子自由端跨过定
滑轮拉重物（如图丙所示）。优点：可改变绳子自由端的拉力
方向，且拉力不必沿竖直方向
续表
例1 （2023·山东枣庄）提高机械效率可以充分发挥机械设备的作用，对节能减排、提高经济效益有重要的意义。某科技创新小组根据生活经验和客观事实，对影响滑轮组机械效率的因素作出如下猜想：
猜想一：滑轮组的机械效率与物体被提升的高度有关；
猜想二：滑轮组的机械效率与动滑轮的重力有关；
猜想三：滑轮组的机械效率与所提物体的重力有关。
根据猜想，运用如图15-6甲、乙、丙所示的装置进行了实验探究，测得的实验数据如下表所示。
图15-6
实验 次数 钩码的重力 钩码上升高度 绳端拉力 绳端移动的距离 机械效
率
1 2 0.1 0.90 0.3 74.1%
2 4 0.1 1.50 0.3 88.9%
3 4 0.1 1.25 0.4
4 4 0.2 1.50 0.6 88.95%
（1）实验时应沿竖直方向______缓慢向上拉动弹簧测力计。
匀速
【解析】实验时，需要读出测力计的示数，所以需要匀速缓慢地拉动测力计，以方便读数。
图15-6
实验 次数 钩码的重力 钩码上升高度 绳端拉力 绳端移动的距离 机械效
率
1 2 0.1 0.90 0.3 74.1%
2 4 0.1 1.50 0.3 88.9%
3 4 0.1 1.25 0.4
4 4 0.2 1.50 0.6 88.95%
（2）分析表中数据可知：第3次实验是利用了图____的装置完成的，它
的机械效率 _____。
图15-6
实验 次数 钩码的重力 钩码上升高度 绳端拉力 绳端移动的距离 机械效
率
1 2 0.1 0.90 0.3 74.1%
2 4 0.1 1.50 0.3 88.9%
3 4 0.1 1.25 0.4
4 4 0.2 1.50 0.6 88.95%
【解析】由表中数据可得，钩码移动的距离为 时，绳子端移动的距离为 ，则绳子的股数为 ，即动滑轮上有4股绳，所以丙图符合题意。
图15-6
实验 次数 钩码的重力 钩码上升高度 绳端拉力 绳端移动的距离 机械效
率
1 2 0.1 0.90 0.3 74.1%
2 4 0.1 1.50 0.3 88.9%
3 4 0.1 1.25 0.4
4 4 0.2 1.50 0.6 88.95%
由表中数据可得，有用功为 ，总功
为 ，机械效率为
。
【答案】丙;
图15-6
实验 次数 钩码的重力 钩码上升高度 绳端拉力 绳端移动的距离 机械效
率
1 2 0.1 0.90 0.3 74.1%
2 4 0.1 1.50 0.3 88.9%
3 4 0.1 1.25 0.4
4 4 0.2 1.50 0.6 88.95%
（3）比较2、4两次实验数据，可验证猜想一是_____（选填“正确”或“错误”）的。
错误
【解析】对比2、4两次实验的数据发现，其条件不变，只改变物体提升的高度，机械效率是不变的，所以猜想一是错误的。
图15-6
实验 次数 钩码的重力 钩码上升高度 绳端拉力 绳端移动的距离 机械效
率
1 2 0.1 0.90 0.3 74.1%
2 4 0.1 1.50 0.3 88.9%
3 4 0.1 1.25 0.4
4 4 0.2 1.50 0.6 88.95%
（4）通过比较______（填实验序号）两次实验数据可得出结论：同一
滑轮组提升重物时，物重越大，滑轮组的机械效率越高。
图15-6
实验 次数 钩码的重力 钩码上升高度 绳端拉力 绳端移动的距离 机械效
率
1 2 0.1 0.90 0.3 74.1%
2 4 0.1 1.50 0.3 88.9%
3 4 0.1 1.25 0.4
4 4 0.2 1.50 0.6 88.95%
【解析】要想得到同一滑轮组提升重物时，物重越大，滑轮组的机械效率越高的结论，需要保证滑轮组不变，重物提升的高度也不变，只改变重物的重力，所以表中1、2次实验符合条件。
【答案】1、2
图15-6
实验 次数 钩码的重力 钩码上升高度 绳端拉力 绳端移动的距离 机械效
率
1 2 0.1 0.90 0.3 74.1%
2 4 0.1 1.50 0.3 88.9%
3 4 0.1 1.25 0.4
4 4 0.2 1.50 0.6 88.95%
（5）通过比较2、3两次实验数据可得出结论：不同滑轮组提升相同重
物时，动滑轮越重，滑轮组的机械效率______。
图15-6
实验 次数 钩码的重力 钩码上升高度 绳端拉力 绳端移动的距离 机械效
率
1 2 0.1 0.90 0.3 74.1%
2 4 0.1 1.50 0.3 88.9%
3 4 0.1 1.25 0.4
4 4 0.2 1.50 0.6 88.95%
【解析】对比2、3两次实验数据可以发现，重物的重力不变，提升的高度也不变，但滑轮组中动滑轮的个数不同，且动滑轮个数越多，机械效率越低，所以可得结论：不同滑轮组提升相同重物时，动滑轮越重，滑轮组的机械效率越低。
【答案】越低
图15-6
实验 次数 钩码的重力 钩码上升高度 绳端拉力 绳端移动的距离 机械效
率
1 2 0.1 0.90 0.3 74.1%
2 4 0.1 1.50 0.3 88.9%
3 4 0.1 1.25 0.4
4 4 0.2 1.50 0.6 88.95%
拓展考问
1.在例1实验中：
（1）小明发现实验过程中边拉动边读数，弹簧测力计示数不稳定，他
认为应在静止时读数。小明的想法不正确，因为他没有考虑到________
对滑轮组机械效率的影响。
摩擦力
（2）为提高滑轮组的机械效率，根据实验结论和生活经验，可采取的
措施有______。（填字母代号）
ABC
A.减轻动滑轮的重力 B.增加所提物体的重力
C.给机械加润滑油 D.增加重物上升的高度
实验2 探究物体的动能跟哪些因素有关
实验 装置
实验 方法 （1）转换法：通过小球能够推动物块移动距离的大小来比较小
球到达斜面底端时动能的大小
（2）控制变量法：
①探究动能与质量的关系时，要控制小球到达斜面底端时的速
度不变，即让质量不同的小球从斜面的同一高度自由滚下
②探究动能与速度的关系时，要控制小球的质量不变，即让同
一小球从斜面上不同的高度自由滚下
续表
注意 事项 （1）为使实验现象明显，物块的质量不能太大
（2）水平木板的长度和粗糙程度要合适
实验 结论 （1）物体的动能与质量和速度有关
（2）质量相同的物体，运动速度越大，它的动能越大
（3）运动速度相同的物体，质量越大，它的动能越大
续表
评估 交流 （1）使小球获得动能的方法：将小球从斜面某一高度处由静止
释放（重力势能转化为动能）
（2）将质量不同的小球从斜面上同一高度处由静止释放的目
的：控制小球到达斜面底端时具有相同的初速度（此过程中小
球的速度与质量无关）
续表
评估 交流 （3）将质量相同的小球从斜面上不同位置由静止释放的目的：
改变小球到达斜面底端时的初速度
（4）物块被推动的距离越远，小球对物块做的功就越多，说明
小球到达斜面底端时具有的动能越大
续表
深入 拓展 （1）小球在水平面上不能立即停下的原因：小球具有惯性
（2）物块最终停止的原因：受摩擦阻力的作用（说明力能改变
物体的运动状态）
（3）物块在水平面上运动的过程中，它的动能转化为内能
（4）小球从粗糙斜面滑下的过程中，它的重力势能转化为动
能，机械能变小
（5）物体的动能越大，制动时滑行的距离越远，故为保障交通
安全，须对通行车辆限重限速
续表
图15-7
例2 （2023·广西·改编）在“探究物
体的动能跟哪些因素有关”的实验中，
让不同质量的钢球从斜槽同一高度
由静止开始滚下，将静止在水平面
上的木块撞出一段距离，如图15-7所示。
（1）在钢球从斜槽滚下的过程中，钢球的重力势能转化为______。
动能
（2）实验表明，钢球质量越大，将木块撞得越远，对木块做功越____，
钢球的动能就越____。
多
大
图15-7
（3）在水平面上，被撞出的木块由于受到____力的作用而停下。假如
水平面光滑且足够长，它将________________（填运动状态）。
阻
做匀速直线运动
图15-7
拓展考问
2.借助例2中的实验装置，小云继续进行探究。
（1）让同一小球从同一斜槽不同高度由静止开始滚下，目的是使小球
到达斜面底端时的速度______（选填“相同”或“不同”）；他发现小球所
处初始高度越高，就能将木块撞得越远，于是得出结论：物体质量一定
时，______越大，动能就越大。
不同
速度
（2）下列示例应用了上述结论的是___。（填字母代号）
B
A.助跑跳远 B.公路限速 C.桥梁限重
第15讲 机械效率 机械能及其转化
备考练习 第15讲 机械效率 机械能及其转化
达标练
1.（2022·广西桂林）下列方法中，能提高如图B15-1所示滑轮组机械效
率的是( )
D
图B15-1
A.增大摩擦
B.增大定滑轮重力
C.增大动滑轮重力
D.增大被提升物体重力
2.（2021·广西柳州）（多选）下列物体中，具有动能的是( )
BD
A.停在站台上的火车 B.风驰电掣的过山车
C.静止在地面上的足球 D.腾空而起的长征系列火箭
3.（2022·广西百色）北京时间2022年6月5日10时44分，“神舟十四号”载
人飞船在酒泉卫星发射中心成功发射。关于飞船在离地加速升空过程中
能量的变化，下列说法正确的是( )
A
A.动能增大，势能增大，机械能增大
B.动能增大，势能不变，机械能增大
C.动能增大，势能减小，机械能不变
D.动能减小，势能增大，机械能不变
4.（2022·辽宁盘锦）在2022年北京冬奥会自由式滑雪空中技巧女子个人
项目决赛中，辽宁运动员徐梦桃勇夺冠军。如图B15-2所示， 、 两
点等高，下列说法正确的是( )
D
图B15-2
A.她在 点时不具有机械能
B.从 点滑行到 点的过程中她所受的重力不
断变大
C.滑雪板底面比较光滑是为了增大滑行时与雪
面的摩擦力
D.她在 点时的速度大于在 点时的速度
5.（2022·天津）某物理兴趣小组的同学认为车祸的危害程度与汽车的动能大小有关，于是他们进行了如下探究：
【提出问题】汽车动能的大小跟什么因素有关？
图B15-3
【猜想假设】 由“十次车祸九次快”可猜想：汽车的动能可能跟______
有关；由“安全驾驶莫超载”可猜想：汽车的动能可能跟______ 有关。
速度
质量
图B15-3
图B15-3
【进行实验】 他们做了如图B15-3所示的三次实验：用
金属球模拟汽车，让金属球从斜槽的某一高度由静止开
始滚下，碰到水平面上的物块，将物块撞出一段距离。
物块被撞击得越远，说明金属球到达水平面时的动能就
越____。
大
【分析论证】 由甲、丙两图可得出结论：_________________________
_____________。
质量一定时，物体的速度越大，动能越大
图B15-3
【实践应用】 用甲、乙两图的实验现象所得到的结论，可以解释汽车
______（选填“超载”或“超速”）行驶时危险性大的原因。
超载
图B15-3
图B15-4
6.（2022·广西百色）如图B15-4所示，工人师傅用滑轮
组将重为 的物体在 内匀速提升到 高的楼
上，已知动滑轮重 ，不计绳重及摩擦， 可视为
竖直向上。求：
（1）拉力 ；
解：（1）由题图可知，动滑轮上承担物重的绳子股数
由 可知，拉力 为
图B15-4
（2）拉力的功率；
（3）滑轮组的机械效率。
图B15-4
（2）物体的速度为
绳子的速度为
由 可知，拉力的功率为
图B15-4
（3）由 可知，滑轮组的机械效率为
提分练
图B15-5
7.（2020·青海西宁）人在绳子自由端用拉力
通过图B15-5甲所示的滑轮组，将重
的物体匀速提升 ，用时 ，则人拉力
所做的有用功为_______ 。图B15-5乙是拉
力做的功 随时间 变化的图像，忽略绳重
和摩擦，则滑轮组的机械效率是_____。
图B15-5
【解析】拉力做的有用功 ；由题意可知，拉力做功用时 ，对照题图乙可知，此时拉力做的总功 ，由机械效率定义可得该滑轮组的机械效率为 。
【答案】5 400;
图B15-6
8.（2021·广西玉林）如图B15-6所示，在
的拉力作用下，物体 以 的速
度沿水平面做匀速直线运动，若滑轮组所做有用
功的功率为 ，则地面对物体的摩擦力为
_____ ，滑轮组的机械效率为_____。（忽略绳子和滑轮的重力）
图B15-6
【解析】由题图可知，动滑轮上承担拉力的绳子
股数 ， ；
由 可知拉力做总功的功率
【答案】480;
,由题意知拉力做有用功的功率
，由机械效率定义可得该滑轮组的机械效率为 。物体
所受摩擦力 。
9.（2020·湖南湘潭）某小组测量如图B15-7所示的滑轮组的机械效率，部分实验数据如下表。
图B15-7
实验次数 1 2 3 4
钩码的重力 1.0 1.5 2.0 2.0
钩码上升的高度 5 5 5 10
拉力 0.8 1.0 1.0
绳端移动的 距离 15 15 15 30
机械效率
（1）实验过程中，应缓慢拉动弹簧测力计，使钩码竖直向上做______
运动。第1次实验时，弹簧测力计示数如图B15-7所示，示数为____ 。
匀速
0.6
图B15-7
实验次数 1 2 3 4
钩码的重力 1.0 1.5 2.0 2.0
钩码上升的高度 5 5 5 10
拉力 0.8 1.0 1.0
绳端移动的 距离 15 15 15 30
机械效率
（2）第2次实验时所做的有用功为______ ，滑轮组的机械效率是
________。
0.075
图B15-7
实验次数 1 2 3 4
钩码的重力 1.0 1.5 2.0 2.0
钩码上升的高度 5 5 5 10
拉力 0.8 1.0 1.0
绳端移动的 距离 15 15 15 30
机械效率
（3）分析1、2、3次实验的数据可知，使用同一滑轮组提升重物时，重
物的重力越____（选填“大”或“小”），滑轮组的机械效率越高；分析3、
4次实验的数据可知，滑轮组的机械效率与钩码上升的高度______（选
填“有关”或“无关”）。
大
无关
图B15-7
实验次数 1 2 3 4
钩码的重力 1.0 1.5 2.0 2.0
钩码上升的高度 5 5 5 10
拉力 0.8 1.0 1.0
绳端移动的 距离 15 15 15 30
机械效率
（4）结合生产生活实际，用滑轮组提升重物时，下列选
项中也可提高机械效率的是___。（填字母代号）
B
A.增大绳重 B.减小动滑轮重
C.增大物体提升的速度
图B15-7
实验次数 1 2 3 4
钩码的重力 1.0 1.5 2.0 2.0
钩码上升的高度 5 5 5 10
拉力 0.8 1.0 1.0
绳端移动的 距离 15 15 15 30
机械效率
冲刺练
10.（2021·广西百色）如图B15-8所示，甲、乙两套装置所用的滑轮质量
相等，用它们分别将相同质量的钩码匀速竖直提升，在相等时间内绳子
自由端 、 移动相同的距离（不计绳重和摩擦）。在此过程中，下列
说法正确的是( )
图B15-8
A.两钩码上升的速度相等
B.两套装置绳子自由端的拉力相等
C.甲装置做的总功比乙的多
D.两套装置的机械效率不相等
【解析】题图甲使用的是动滑轮，承担物重的绳子股数 ；题图乙使用的是滑轮组，承担物重的绳子股数 。因为拉力端移动的距离 ，所以拉力端移动的速度等于物体升高速度的 倍，
图B15-8
已知在相等时间内绳端 、 移动相同的距离，则由 可知绳端 、 移动的速度相等，设其大小为 ，则由 可知，钩码上升的速度分别为 、 ，可知 ，故选项A错误。
图B15-8
提升钩码的质量相同（重力相同），且滑轮的质量相同（重力相同），不计绳重及摩擦，由拉力 可知绳端的拉力 ，故选项B错误。绳端的拉力 ，绳端 、 移动相同的距离，
图B15-8
由 可知拉力做的总功 ，故选项C正确。忽略绳
重和摩擦，机械效率 ，结合上面分析可知
动滑轮和滑轮组的机械效率相等，故选项D错误。
图B15-8
【答案】C

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