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第五节 探究使用机械是否省功
【教学目标】
1.知道W有用,W额外,W总的含义并清楚它们之间的关系.
2.会正确进行有用功、总功、机械效率的计算.
3.通过观察、分析和讨论，理解额外功产生的原因，知道机械效率η<1.
4.理解什么是机械效率，能够设计实验测量斜面、滑轮组、杠杆等简单机械的机械效率，并利用实验探究的数据计算机械效率，知道机械效率总小于1.
5.通过实验探究影响机械效率的因素，找出提高机械效率的方法.
【教学重点】
理解机械效率的概念，理解额外功产生的原因.
并能运用公式进行计算.
理解如何提高机械效率.
【教学难点】
知道机械效率η＜1，理解有用功、额外功、总功之间的联系和区别.
探究斜面、杠杆、滑轮等简单机械的机械效率，掌握影响机械效率的因素.
【教具准备】沙子、塑料桶、方便袋、细绳、弹簧测力计、滑轮、刻度尺、表面粗糙的长木板、 做重物的木块、 垫块、 弹簧测力计、 细线、刻度尺、杠杆、滑轮、多媒体课件等.
【教学课时】1.5课时
【巩固复习】
教师引导学生复习上一节的内容，并讲解学生所做的课后作业,加强学生对知识的巩固.
【新课引入】
师 如教材P125图9.5-1所示，工人通过滑轮组、定滑轮和轮轴提升竖井中的重物.工人为什么不直接提起重物，而是将这么多的简单机械进行组合呢 使用会轮组、定滑轮和轮轴这些简单机械的优势是什么？
学生发表各自的看法.
师 同学们说得很好，下面我们就以一个实验来探讨这个问题.
【进行新课】
使用任何机械都不省功
师 人们使用杠杆、轮轴、滑轮等机械是为了达到一定的目的.在使用中，有的机械可以省力，有的机械可以改变作用力的方向或达到“省距离”的效果.那么，使用机械能省功吗 怎样判断使用机械是否省功呢
生 使用机械不能省功.
师 怎样判断使用机械是否省功呢
生 可以比较使用机械和不使用机械两种情况下，对同一物体完成同一工作任务的过程中，人所做的功的大小关系.
师 请同学们完成教材P125-126的实验“探究使用动滑轮是否省功”.
实验:探究使用动滑轮是否省功
生 学生分组合作，动手实验，填写实验数据.
师 由表中记录的数据，可以得到什么结论？
生 Ｗ２>Ｗ１ ，说明将同一物体提升相同的高度，利用机械做的功比不用机械做的功多.
教师总结：
这是因为利用动滑轮提升物体时,拉力不但要对物体做功，还要克服动滑轮重、绳重及滑轮上的摩擦做功，所以使用动滑轮并不省功.换用杠杆或轮轴再做实验进行探究，结果是相同的.
板书：
使用任何机械都不能省功.
对“不省功”的理解
(1)若忽略机械自重和摩擦使用简单机械所做的功等于人们不用机械而直接做的
功;若考虑机械自重和摩擦人对机械做的功大于机械对物体做的功.
使用机械可以达到省力或省距离或改变作用力的方向的目的，但任何机械都不能省功.所以,使用简单机械,省力的会费距离,省距离的会费力，既省力又省距离的机械是不存在的.
例题 1 工人师傅把重５００Ｎ的货物用绳子直接匀速提升到２ｍ高的工作台上，动力对货物做的功为 Ｊ.若他用如图所示的滑轮组提升此货物到２ｍ高的工作台上，所用拉力为２００Ｎ，动力做的功为 Ｊ.两种情况对比，说明使用机械 (选填“能”或“不能”)省功.
解析：（1）物体上升的高度h=2m 拉力对货物做的有用功W有用=Gh=500N×2m=1000J （2）由图知承担物重的绳子股数：n=3， 由s=nh=3×2m=6m： 拉力做的功： W=Fs=200N×6m=1200J＞1000J； 说明使用滑轮组不能省功.
答案：1000 1200 不能
有用功、额外功和总功
教师选取动滑轮、塑料桶、方便袋（重力忽略不计）提起沙子进行实验（可让学生实验）：第一次用塑料桶盛装一定重力的沙子进行实验,如图甲；第二次用塑料袋盛装相同重力的沙子提起相同高度进行实验,如图乙.把记录结果填在设计的表格中.
师巡视指导，对动手能力弱的同学给予适当的帮助，师可参与一起实验，并提醒学生在拉动弹簧测力计时要注意匀速竖直向上缓慢拉动，并在拉动过程中读数.用刻度尺测量沙子上升的高度和手移动的距离（这个也可以不测量，动滑轮
师 请同学们说出你们探究的结果，哪种情况下做功多些？
生：（齐声回答）当然用塑料桶装提起时做功多些.
师 为什么呢？
生：塑料桶重些，塑料袋轻些.
教师引导学生分析，在提起沙子的过程中，对沙子做功的同时，还要做哪些功呢？
生：对塑料桶做功，对滑轮做功，对绳子做功，对滑轮轴间的摩擦力做功……
师 那我们真正需要的是对什么物体做的功？
生：当然是对沙子做的功.
师 对啦，对沙子做的功才是对我们有用的功，我们把这样的功叫做有用功.其他做的功是无用功，称为额外功，这部分无用的功，能不能不做呢？
生：当然不能！
师 为什么？
生：因为我们必须依赖塑料桶（或塑料袋）装沙，依赖动滑轮提起.
师 正确，额外功尽管对我们无用，但却又是不得不做的功，无法回避的功.
师 那实际我们在利用滑轮提起沙子时，所做的功包含有对沙子做的功，对动滑轮、塑料桶（或塑料袋）、绳子重力做功及轴间摩擦力做功，把这些功之和称为总功.
师 请同学们说说总功包括哪些功？
生：总功包括有用功和额外功.
师 很对，总功等于有用功和额外功的总和.
板书：
有用功W有用：在用动滑轮提升重物时，动滑轮对物体所做的功.
额外功W额外：提升重物时，不可避免地要对绳子和动滑轮本身做功，还要克服摩擦做功，这部分功叫作额外功.
总功W总：有用功与额外功的总和.W总=W有用+W额外
机械效率
1.机械效率
师 同学们在做教材P126图9.5-2的实验时，思考以下问题：
（1）两次拉力所做的功一样吗？为什么？
（2）使用动滑轮是否真的省力又省功呢？
生（1）虽然在两次实验中钩码被提升了相同的高度，但第二次拉力做的功反而更多一些，因为在实验过程中还要克服滑轮重力和摩擦做功.
使用动滑轮会省力，但不能省功.机械效率师从上面实验和演示中可以看出，我们总是希望额外功在总功中所占的比例越少越好，即有用功占总功的比例越大越好，这样效率就越高.
板书：（1）定义：有用功跟总功的比值叫机械效率.
（2）公式表示：
（4）机械效率是个比值，没有单位.通常用百分数表示.
对机械效率的理解
(1)特点:使用任何机械都不可避免地要做额外功,所以有用功总是小于总功,因此机械效率总是小于 1.
(2)可变性:机械效率不是固定不变的,同一机械在不同的做功过程中,机械效率可能发生改变
(3)机械效率反映有用功在总功中所占比值的大小,与具体做功多少、是否省力等无关.
例题 师用多媒体展示教材P127-128的例题.
师 组织学生分析、讨论、计算；展示学生解题过程；总结、评价.
师 请同学思考下面题目.
例题 （多媒体展示）某实验小组利用如图所示的装置测滑轮组机械效率，记录数据如下表：
（1）实验时，应沿竖直方向______拉动弹簧测力计；
（2）第2次实验中，拉力做的总功是____J，滑轮组做的有用功是____J，滑轮组的机械效率η=_____（结果保留一位小数）.
（3）由记录数据分析，两次机械效率不同的主要原因是______________.
解析：在探究滑轮组的机械效率时，用弹簧测力计提升重物时应沿竖直方向匀速地拉动物体上升，拉力做的功为总功，对重物做的功为有用功，滑轮组的机械效率为,所以第二次的总功W总=2.4N×0.3m=0.72J,第二次做的有用功为W有=G物h=6×0.1m=0.6J,机械效率为，通过两次实验比较可得出，滑轮组所提升的钩码重不同，机械效率不同，钩码越重，机械效率越高.
答案：（1）匀速（2）0.72 0.6 83.3% （3）钩码重不同
2.如何提高机械效率
师 使用滑轮组提升重物时，影响其机械效率的因素有哪些？
生 用滑轮组提升重物时，影响其机械效率的因素有被提升物体的重力、动滑轮的重 力、绳重及摩擦等.
师 请同学们分析下滑轮组机械效率与物重的定性关系？
生 用滑轮组将重物提升相同高度,物重增大,则有用功增多,而克服动滑轮重、绳重做的额外功不变,克服摩擦做的额外功与有用功等比例增加,故滑轮组的机械效率提高,即机械效率随物重的增大而提高.
师 现代社会是讲求效率的社会,时时、事事、处处都追求高效率,以尽可能少的消耗资源,取得尽可能多的效益.“优胜劣汰”的“优”中，高效率是一个重要内容.从上面探讨分析,我们在使用机械做功时,同样总是希望机械效率能够更高些,那么如何提高机械效率呢 请大家分小组讨论,并整理各自小组的意见.
生讨论火热进行中.师集中同学们的讨论意见,并总结.
板书：提高机械效率的有效途径:
(1)减轻机械自重;
(2)减小机械间的摩擦(加润滑油);
(3)允许情况下增加物重.
机械效率与功率的对比
拓展阅读
师 我们骑自行车上坡时，选择怎样的路线走轻松些.往汽车上搬运较重的货物时，常常看到搬运工人搭上一个长木板，沿木板就可以把货物轻松地推上去，这是为什么？
生 走S形路线轻松；斜面可以省力……
师 同学们说得很好，那这样是否省功呢？
生 没有，任何机械都不省功.
斜面与螺旋
(１)定义:斜面是与水平面成一定角度的平面，也是简单机械 的一种.螺旋是斜面的变形.
(２)特点:可以省力，但费距离.
(３)原理:如右图所示斜面中，若不考虑斜面的摩擦力，用沿斜面向上的拉力将物体从斜面底端匀速拉到斜面顶端，拉力做的功 Ｗ＝ＦＬ＝Ｇｈ，则拉力Ｆ＝ Ｇｈ/L，可知在斜面高度一定时，斜面越长越省力.
(４)应用:盘山公路、螺钉、螺旋式汽车千斤顶等，都利用了斜面省力的原理.
师 同学们回忆下杠杆、滑轮和斜面这三种简单机械，总结一下它们的功和机械效率该怎么计算？有什么区别？
三种简单机械中三种功的计算
三种简单机械中机械效率的计算
注意：
斜面越陡，机械效率越高，但越费力(动滑轮越多,越省力,但机械效率越低).由此可见，机械效率的大小与省力无直接关系.
如果斜面越光滑，摩擦力就越小，这样克服摩擦力所做功就少，有用功占总功的比值就大，机械效率应该越高.（同理，杠杆、滑轮组越轻，轮轴间摩擦小，所做的额外功越小，有用功占总功的比值就大，机械效率应该越高.）
【教师结束语】
大家这节课的收获确实不少，我们共同学习了有用功、额外功和总功，知道了它们在不同场合下所指的内容.理解了机械效率的含义，并能进行计算.我们知道了机械效率的计算方法.从本质中体会到提高机械效率的有效办法.请同学们多关注身边实例，如吊车、建筑工地上的龙门吊、吊篮等工作情景，结合所学的物理知识进行分析，充分发挥你们的聪明才智设计出更高效率的机械，为社会主义建设服务.好，谢谢大家！
完成本课时对应练习.
1.在区分有用功、额外功和总功时，可以让学生进行思考和讨论，明白对沙子所做的功是有用功，而其他的如动滑轮、绳子、人自身重力等做的功，是无用而又不得不做的功，叫额外功.实际过程中使用机械做的功为总功.接着，教师还可以让学生结合实际事例相互交流与分析，从而加深理解有用功、额外功和总功的概念.
2.理解机械效率时，可以结合身边使用机械的实例，设计数据计算有用功、额外功和总功，再计算机械效率，这样既熟悉了功的计算，同时加深了机械效率的理解.
3.改变提起的物体的重力可以影响机械效率，教师可以设置“同一滑轮组提起不同重力的物体时，计算它的机械效率”的题目，让学生动手计算进行比较，来消除学生心里的疑惑（这个也可以留在下一课时中加深学生对这一问题的理解）.
4.因为摩擦是影响机械效率的重要因素之一，实验中还可以使用粗糙程度不同的斜面，进一步探究摩擦对机械效率的影响，加深学生对机械效率的认识.

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