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(共44张PPT)
第十二章简单机械
12.4机械效率
1.物理观念：结合实例分析什么是有用功、额外功和总功；理解机
械效率，会用公式进行简单的计算；通过实验能说出提高机械效率的
方 法 。
2.科学思维：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 n<1
3.科学探究：测量滑轮组的机械效率，掌握实验方法和技巧；学习运 用控制变量法进行探究实验，培养科学思维和实验能力。
4.科学态度与责任：知道提高机械效率的实际意义和方法，有合理 改进机械、提高效率的意识，增强将科学服务于人类的责任感。
素 养 目 标
问 题
利用机械帮助我们工作，会给我们带
来极大的方便。有的机械可以省力，有的 机械可以省距离。
利用滑轮组提升重物，绳端拉力所做 的功与滑轮组对重物所做的功相同吗
创设情景
【 自主预习 】
带着下面的问题预习课本第117页：
“ 有用功和额外功 ” 。
1、图12.4-1,甲、乙两次两次拉力 做的功相同吗 为什么
2、什么是是有用功、额外功和总功
有用功和额外功
乙
甲
演示 研究使用动滑轮是否省功
【提出问题】
如图甲、乙，绳端拉力所做的功与滑轮
组对重物所做的功相同吗
【实验器材】
弹簧测力计、砝码、动滑轮、线等。
有用功和额外功
甲 乙
演示 研究使用动滑轮是否省功
【设计实验】
1.如图甲，用弹簧测力计将钩码缓慢地 提升一定的高度，计算拉力所做的功。
2.如图乙，用弹簧测力计并借助一个动 滑轮将同样的钩码缓慢地提升相同的高度， 计算弹簧测力计的拉力所做的功。
这两次拉力所做的功相同吗 为什么
有用功和额外功
乙
甲
演 示 研 究 使 用 动 滑 轮 是 否 省 功
【 进行实验 】
1.如图甲，用弹簧测力计直接将2个钩码 匀速提升0.1m, 将弹簧测力计的示数F和钩 码向上移动的距离s 计入表格中。
2.如图乙，用弹簧测力计和一个动滑轮
将2个钩码匀速提升0.1m, 将弹簧测力计的 示数F '和绳子自由端向上移动的距离s
计入表格中 。
有用功和额外功
乙
甲
N N
0- -0
1.0二 1.0 2.0= 2.0 3.0 3.0
4.0二 4.0
F=1.2N
N
0-
1.0二 1.0 2.0二 2.0
3.0= 3.0
4.0二 4.0
F=2N
动 滑 轮 做 功
有用功和额外功
做功方式 拉力 FN 物体升高的 高度h/m 拉力移动的 距离s/m
拉力做功 W/J
直接用弹簧测力计 提升2个钩码 2 0.1 0.1
用弹簧测力计和动 滑轮提升2个钩码 1.2 0.1 0.2
有用功和额外功
【实验记录】
做功方式 拉力 FN 物体升高的 高度h/m 拉力移动的 距离s/m
拉力做功 W/J
直接用弹簧测力计 提升2个钩码 2 0.1 0.1
0.2
用弹簧测力计和动 滑轮提升2个钩码 1.2 0.1 0.2
0.24
1.直接用弹簧测力计提升2个钩码所作的功：
W =F s =2N×0.1m=0.2J W 2.用弹簧测力计和一个动滑轮提升2个钩码，所做的功：
W =F S =1.2N×0.2m=0.24J
有用功和额外功
【分析论证】
【 实验结论 】
使钩码上升相同的高度，利用动滑轮提升钩码时做的功
大于直接提升钩码所做的功；这表明：
使用动滑轮不但不省功，反而要多做功。
【交流评估】
使用动滑轮会省一半的力，但拉力移动的距离增加了一
倍，加上动滑轮的自重及摩擦等因素的影响，使用动滑轮 提升重物非但不省功，还要多做功。
有用功和额外功
小组合作学习：讨论为什么使用动滑轮提升钩码做的功比直
接用手提升钩码做的功多.
归纳：使用动滑轮时，不可避免地要克服 重力、 重
力做功，还要克服 做功，所以使用动滑轮所做的功多.
【 交流评估 】
使用动滑轮会省一半的力，但拉力移动的距离增加了一
倍，加上动滑轮的自重及摩擦等因素的影响，使用动滑轮 提升重物非但不省功，还要多做功。
有用功和额外功
有用功和额外功
1. 有 用 功 ( W有用) : 为 了 达 到 工 作 目 的 所 做 的 功 。
2.总 功 ( W总):使用机械时，动力对机械所做的功。
3.额外功 ( 额外):对人们没有用，但不得不做的功。
F
用动滑轮提升重物时对物
体重力G 所做的功，就是
有用功(工作目的)
W 有用 == Gh
W 总 =W 有 用 +W 额 外 J
人对绳子的拉力所做的功 就是总功(实际付出)
W总= Fs
克服动滑轮的重力以及摩 擦力等而多做一些功，就 是额外功(无用付出)
W额外 = G动 h ( 不 及 摩 擦 )
如果桶掉到井里，从井里捞
桶的时候，捞上的桶里带了一
些水，这种情况下哪部分是有 用功，哪部分是额外功
提水桶所做的功是有用功； 提水所做的功是额外功。
有用功和额外功
【联系实际】
用水桶从井中 提水的时候，
所做的功哪部分是有用功，哪 部分是额外功
提水所做的功是有用功；
提水桶所做的功是额外功。
例题
例1、图甲所示的塔吊是施工建设中最常见的设
备，其结构可简化为图乙所示的滑轮组模型。已 知物体质量为300kg, 在绳子自由端施加1250N拉 力，物体以0.5m/s的速度匀速上升10s。求：
(1)绳子拉力端移动的距离；(2)拉力的功率；
(3)有用功
解： (1)绳端离： s=v't=1.5m/s×10s=15m
(2)拉力F的功率拉力F的功率
(3)有用功： W有=Gh=mgh=300kg×10N/kg×5m=15000J
有用功和额外功
甲
n=3
针对训练
1、如图所示，物体重180N, 动滑轮重10N,
小明用100N的拉力(方向不变)将物体匀速提升 2m, 则此过程中有用功是3 60 J, 额外功是40 J, 总功是 400 J。
由图知有2段绳子拉着物体，拉力端移动距离： s=2h= 2×2m=4m
拉力所做的总功W总=Fs=100N×4m=400J
则 额 外 功 为 W额外 =W总-W有=400J-360J=40J
解析：滑轮组提升重物所做的有用功为有=Gh=180 N×2m=360J
有用功和额外功
在保证所做有用功一定的情况下，人们总是希望额外功越
少越好，即额外功在总功中所占的比例越小越好，也就是 有用功在总功中所占的比例越大越好。
1.定义：物理学中，将有用功跟总功的比值叫作机械效率。
有用功和额外功
2.公 式 ：
3.物理意义：机械效率是标志机械做功性能好坏的重要指 标，机械效率越高，机械的性能越好。
4.使用任何机械都有额外功，有用功总是小于总功，所以 机械效率总是小于1。机械效率通常用百分数表示。
5.机械效率的高低与机械省力多少无关，不要认为机械越 省力其机械效率越高。
有用功和额外功
汽油发动机：22%~27%
柴油发动机：28%~30%
有用功和额外功
起重机40%~50%
抽水机60%~80%
cn15
例题 课本第119页
例2、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3.4×10 J, 起重机的机械效率是多少 g 取10 N/kg。
解析：有用功： W有用=Gh =mg=5×103N×3 m=1.5×104 J
起重机的电动机所做的功是总功 W总=3.4×104 J
因此，起重机的机械效率
有用功和额外功
针对训练
2、 用一动滑轮将重200N 的砂子提到9m 高的脚手架上， 所用力是120N, 求有用功、总功机械效率各是多少
解 析 W有 = G·h=200N×9m=1800J
W总=F·s=120N×18m=2160J
有用功和额外功
创设情景
问 题
讨论：在例题2中，若用起重机提升的重物质量为0.6t,
那么它的机械效率还是44%吗 对一个机械来说，它的机 械效率是恒定不变的吗
分析：不是，机械效率不是恒定不变的，机械效率反映的
是机械在一次做功过程中有用功跟总功的比值， 同一机械 在不同的做功过程中，有用功不同，机械效率也会不同。
下面通过测滑轮组的机械效率的实验来探究这一课题。
测量滑轮组的机械效率
小组合作学习：课本第119---120页
1.测量滑轮组的机械效率，需要测量哪几个量
2.实验器材有哪些
3.怎样计算有用功 怎样计算总功 机械效率
重物的重力G、绳端拉力F
重物提升的距离h
绳端通过的距离s
机械效率n= W- 等
【实验器材】弹簧测力计、刻度尺、铁架
台、滑轮、细线、钩码
【注意事项】竖直向上，缓慢拉动测力计。
演示 测量滑轮组的机械效率
测量滑轮组的机械效率
【实验原理】
【进行实验】
1.用弹簧测力计测量钩码所受的重力G并 填入下表。
2.按照图安装滑轮组，分别记下钩码和绳 端(弹簧测力计挂钩底部)的位置。
3.缓慢拉动弹簧测力计，使钩码升高，读 出拉力F的数值，用刻度尺测出钩码提升 的高度h 和绳端移动的距离s, 将这三个量 填入下表。
测量滑轮组的机械效率
【进行实验】
4.算出有用功W有用、总功W总、机械效率 n 并填入下表。
5.改变钩码的数量，重复实验。
测量滑轮组的机械效率
次數 钩码所受 提升高 有用功 W有用/J 拉力 F/N 绳端移动 总功 W总/J
机械效 率 η
的重力G/N 度h/m 的距离s/m 1 0.05 0.05 0.45 0.15 0.0675
74.1%
7 1.5 0.15 0.225 0.65 0.45 0.2925
76.9%
3 2 0.15 0.3 0.80 0.45 0.36
83.3%
【得出结论】
用同一滑轮组提升重力不同的物体时，机械效率不同，
被提升的物体越重，机械效率越高。
测量滑轮组的机械效率
【分析论证】
想想议议
你在三次实验中测得的机械效率一样吗 说一说影响滑轮组
机械效率的因素有哪些。
影响滑轮组机械效率的因素主要有重物的重力G 和
动滑轮的重力G动。
不计绳重、摩擦时：
机械效率
测量滑轮组的机械效率
分析 ：
【交流与评估】
(1)动滑轮重力、物重相同时，所测机械效率不同的 可能原因：绳子与滑轮或滑轮与轴之间的 摩擦 不 同 。
(2)可以不用刻度尺测量距离，用下列公式计算，也 能得出机械效率。
测量滑轮组的机械效率
影响因素 分析
改 进 措 施 ( 提 高 效 率 )
被提升 物体的重力 同一机械，被提升物体的 重力越大，做的有用功越 多，机械效率越大.
在机械承受的范围
内，尽可能增加被
提升物体的重力.
机械自身 的重力 有用功不变时，减小提 升机械时做的额外功， 可提高机械效率.
改进机械结构，使其
更合理、更轻巧.
机械转动 部件间的摩擦 机械自身部件的摩擦力 越大，机械效率越低.
对机械按照技术规程经常保
养，使机械处于良好的状态.
测量滑轮组的机械效率
提高机械效率的方法
针对训练
小梦家在房屋装修时，由于低层建筑没有电梯，装修师傅用如
图甲所示的滑轮组提升重物，某次搬运过程中工人师傅将的重 物匀速提起，所用拉力大小为，重物上升的高度h与所用时间t 的关系如图乙所示，不计绳重和摩擦。求本次运送过程中滑轮
组的机械效率。
【解析】W 有用=Gh=400N×2m=800J W总=Fs=250N×4m=1000J
测量滑轮组的机械效率
乙
甲
动滑 轮个 数 钩码所 受的重 力G/N 提升 高度 h/m 有用功 W有/J 拉力 F/N 绳端移 动的距 离s/m 总功W总 /J
机械效 率n
一动 4 0.05 0.2 1.7 0.15 0.255
78.4%
两动 4 0.05 0.2 1.4 0.20 0.280
71.4%
【拓展思维】
用不同的滑轮组，提升相同的重物，机械
效率相同吗
【小组讨论】 【实验加持】
测量滑轮组的机械效率
动滑 轮个 数 钩码所 受的重 力G/N 提升 高度 h/m 有用功 W有/J 拉力 F/N 绳端移 动的距 离s/m 总功W总 /J
机械效 率n
一动 4 0.05 0.2 1.7 0.15 0.255
78.4%
两动 4 0.05 0.2 1.4 0.20 0.280
71.4%
【 结 论 用 不同 的滑轮 组 ， 提升相 同的重
物，机
【拓展思维】
用不同的滑轮组，提升相同的重物，机械
效率相同吗
相同。动滑轮越重， 机械效率越小。 械效率不
测量滑轮组的机械效率
【拓展思维】
用不同的滑轮组，提升相同的重物，机械
效率相同吗
【理论解析】不及绳重和摩擦时，
可知，用不同的滑轮组，提升相同的重物时动 滑轮越重，机械效率越小。
测量滑轮组的机械效率
【思维建模】三种常见模型机械效率的分析
模型 杠杆 滑轮组 斜面
G
hf G
G
图示
支点
回
0
F
S
l
F
η
G
F
练习与应用
1.生产生活中常常会用到各种机械设备，下列说法中不正确
的是 ( D )
A. 任何机械设备的效率总小于1
B. 减小机械内部摩擦可以提高其效率
C. 提高机械设备的效率可以节能减排
D. 用机械设备做功越快，其效率越高
2.如图，快递小哥为了把较重的货物装入运输车，用同样的
器材设计了甲、乙两种方式提升货物.若把同一货物匀速提升 到同一高度，忽略绳重和摩擦.下列分析正确的是 ( C )
A. 甲方式可以省力
B. 乙方式不能改变力的方向
C. 甲、乙两种方式做的有用功相等
D. 甲、乙两种方式的机械效率相等
甲 乙
练习与应用
练习与应用
3.某实验小组分别用如图所示的甲、乙两个滑轮组(每个滑
轮等重),在相同时间内把重物G提升相同高度.若F1和F2大 小相等，不计绳重及摩擦，下列说法正确的是 ( D )
A. 力F1和F2做功的功率相同
B. 力F1和F2做的总功相同
C. 两个滑轮组机械效率一样大
D. 甲滑轮组的机械效率比乙滑轮组高
甲
4. (2024 · 山东)如图甲，虚线框内是两个滑轮连成的滑轮组，
工人利用该滑轮组，用200N竖直向上的拉力F, 将物体匀速提 高3m, 物体和绳子自由端的运动情况如图乙，已知动滑轮重
120N, 不计绳重和摩擦，下列说法正确的是 ( C )
A. 绳子自由端移动的速度为0.5m/s
B. 工人做的有用功为360J
C. 该滑轮组的机械效率为80%
D. 拉力F的功率为100W
练习与应用
甲
乙
5.如图甲所示，倾角为30°的斜面固定在水平地面上，体重
为800N的工人用300N竖直向下的拉力将重500N的货物从斜面 底端拉到顶端。货物沿着斜面运动的速度随时间变化的图像 如图乙所示，工人的鞋底与地面的总接触面积约为，不计滑 轮的摩擦和绳子的重力。货物在0～10s内运动的平均速度是 1.2 m/s; 货物运动时受到的摩擦力大小 50N O
【解析】先算出有用功和总功，再算
练 习 与 应 用
出额外功
甲
乙
力为150 N。求：这个动滑轮的机械效率 拉力的功率
解：拉力移动的距离s=2h=2×3 m=6 m。
所以动滑轮的机械效率
拉力做功为 W总=Fs=150 N×6 m=900 J,
所以其功率为
6.用一个动滑轮在5s内将一重200 N的物体向上提起3 m, 拉
练 习 与 应 用
练习与应用
7. 如图所示，用一平行于斜面向上的力将质量为80kg的木
箱从2m长的斜面底端匀速拉到顶端(可以把木箱看作质点), 斜面的倾斜角为30°,木箱受到的摩擦力是木箱重力的0.1
倍，则下列说法正确的是 ( B )
A. 木箱克服摩擦力做功80J
B. 拉力大小为480N
C. 斜面的机械效率80%
D. 拉力做功为880J
(1)根据图中的实验数据，该滑 轮组的机械效率是 83.3% _ ;
(2)若增加提升钩码的个数，该 滑轮组的机械效率将 增大 (选填
“增大”“不变”或“减小”)。影 响滑轮组机械效率的因素还有
动滑轮重、绳重、绳与滑轮摩擦等
练 习 与 应 用
8.小明测量滑轮组的机械效率的实验过程如图所示，他 匀速拉动弹簧测力计时，弹簧测力计的示数如图丁所示。
需 害 小 甲
丙
乙
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