资源简介

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11.3机械效率 教学设计
一、核心素养目标
1.物理观念：理解有用功、额外功和总功的概念及三者关系，明确机械效率的物理意义，知道机械效率是衡量机械性能的重要指标；掌握机械效率的计算公式，建立“实用成效与总消耗的比值”这一量化观念，了解机械效率总小于1的原因。
2.科学思维：通过对滑轮组、斜面等机械做功的分析，培养分类与归纳能力，区分有用功与额外功；在机械效率计算与探究中，学会控制变量法的应用，能结合机械特点分析提高效率的方法，提升逻辑推理能力。
3.科学探究：通过“探究滑轮组的机械效率”实验，经历提出问题、猜想假设、设计方案、实验操作、数据处理和分析论证的完整过程，掌握机械效率的测量方法，培养实验探究与误差分析能力。
4.科学态度与社会责任：结合机械效率在生产、生活中的应用（如起重机、洗衣机、农业机械等），认识提高机械效率的实用价值；通过实验与分析培养严谨求实的科学态度，树立节能降耗的意识，体会物理知识对优化生产生活的指导作用。
二、教学重难点
1.教学重点
有用功、额外功、总功的概念及关系：明确有用功是对人们有用的功（W有），额外功是不需要但不得不做的功（W额），总功是动力所做的功（W总），三者满足W总=W有+W额。机械效率的定义与公式：理解机械效率是有用功与总功的比值，掌握η=W有/W总×100%，明确机械效率是百分比，无单位且总小于1。机械效率的测量：以滑轮组为例，掌握实验原理、器材、步骤，能准确测量并计算机械效率。提高机械效率的方法：结合实例分析，知道通过减小额外功（如减轻机械自重、减小摩擦）或增大有用功（如增加提升物重）可提高机械效率。
2.教学难点
有用功与额外功的辨析：结合不同机械（如滑轮组、斜面、杠杆）的使用目的，准确判断有用功（如提升物体时W有=Gh）和额外功（如克服机械自重、摩擦做的功），避免混淆“动力做功”与“有用功”。机械效率计算中“总功”的判断：明确总功是动力对机械所做的功（如滑轮组中W总=Fs，F为拉力，s为绳端移动距离），能结合机械特点找到对应的动力和距离。实验探究中误差分析：理解滑轮组机械效率测量中，额外功的主要来源（摩擦、动滑轮自重），分析实验中影响测量准确性的因素（如拉力测量不准、绳端移动距离测量误差）。机械效率与功率的区别：明确机械效率是“有用功占比”，功率是“做功快慢”，二者无必然联系，避免出现“功率大则效率高”的错误认知。
三、教学环节设计
（一）情境导入：从“损耗”引出“效率”
展示两组生活实例：①农民用滑轮组将粮食从地面吊到粮仓，一边拉动绳子，一边观察到动滑轮随粮食上升；②工人用斜面将货物推上卡车，需克服货物与斜面的摩擦才能推动。提问引导：“农民对绳子的拉力、工人对货物的推力都做了功，这些功是否全部用来提升粮食和货物？动滑轮的重力、斜面的摩擦会消耗一部分功吗？我们希望机械‘做的功’中，有用的部分越多越好，如何衡量机械的这种‘实用程度’？”通过分析机械做功中的“有效部分”与“损耗部分”，引出本节课核心概念——“机械效率”，激发学生探究机械做功规律的兴趣。
（二）新课讲授：有用功、额外功与总功
1.概念辨析：以滑轮组为例分析做功情况
演示实验：用一个动滑轮和一个定滑轮组成的滑轮组，匀速提升重为G的钩码，记录拉力F、钩码上升高度h、绳端移动距离s。
分析讨论：“在这个过程中，动力（拉力F）做的功是什么？我们的目的是提升钩码，哪些功是对我们有用的？哪些功是额外消耗的？”
概念界定：
有用功（W有）：对人们有利用价值的功，即达到使用机械目的所做的功。本实验中，使用滑轮组的目的是提升钩码，因此克服钩码重力所做的功为有用功，计算公式为W有=Gh（G为钩码重力，h为钩码上升高度）。
额外功（W额）：虽然不需要但不得不做的功，是克服机械自身重力、摩擦等额外阻力所做的功。本实验中，提升动滑轮的重力、克服绳子与滑轮间的摩擦所做的功均为额外功，即W额=G动h+f·s（G动为动滑轮重力，f为摩擦阻力，s为绳端移动距离）。
总功（W总）：动力对机械所做的功，是有用功与额外功的总和，反映了动力消耗的总能量。本实验中，拉力F对滑轮组做的功为总功，计算公式为W总=Fs（F为拉力，s为绳端移动距离）。
关系总结：总功等于有用功与额外功之和，即W总=W有+W额。这一关系适用于所有机械，是分析机械做功的核心规律。
2.多情境应用：巩固概念理解
展示三个不同机械做功情境，引导学生分别判断有用功、额外功和总功：
情境1：用杠杆撬动石头，动力对杠杆做功。有用功：克服石头重力所做的功（W有=G石h石）；额外功：克服杠杆自重、杠杆与支点的摩擦所做的功；总功：动力所做的功（W总=F动s动）。
情境2：用斜面将货物推上卡车，推力对货物做功。有用功：克服货物重力所做的功（W有=G货h车，h车为卡车高度）；额外功：克服货物与斜面的摩擦所做的功（W额=f·s斜，s斜为斜面长度）；总功：推力所做的功（W总=F推s斜）。
情境3：用抽水机抽水，抽水机的动力做功。有用功：克服水的重力将水提升到一定高度所做的功（W有=G水h水）；额外功：克服抽水机自身机械摩擦、机械自重所做的功；总功：抽水机动力所做的功（W总=Pt，P为动力功率，t为工作时间）。
通过多情境分析，让学生明确：有用功的判断取决于“机械的使用目的”，额外功的来源取决于“机械的自身特点与工作环境”，总功始终是动力做功的总和。
（三）新课讲授：机械效率的定义与计算
1.机械效率的定义与物理意义
提问引导：“不同机械做功时，有用功在总功中所占的比例不同。比如，一个滑轮组提升钩码时，有用功占总功的80%，另一个占60%，哪个机械的‘实用程度’更高？”
定义总结：物理学中，用“机械效率”来表示有用功在总功中所占的比例，用符号η（读作“伊塔”）表示。机械效率的计算公式为：η=（W有/W总）×100%。
物理意义：机械效率是衡量机械性能好坏的重要指标，η越大，说明有用功在总功中所占比例越大，机械的“有效利用率”越高，额外损耗越小；η越小，说明机械的损耗越大，性能越差。
关键说明：①机械效率是一个百分比，无单位，计算结果需用“×100%”转化为百分比形式；②由于额外功始终存在（W额>0），因此W有=W总-W额2.基础计算例题解析
例题1：用滑轮组匀速提升重为600N的物体，滑轮组的机械效率为80%，已知绳端移动距离为4m，物体上升高度为1m，求拉力做的总功、有用功和额外功。
解析：第一步，明确已知量与所求量。G=600N，η=80%，s=4m，h=1m，求W总、W有、W额。第二步，计算有用功。W有=Gh=600N×1m=600J。第三步，根据机械效率公式求总功。由η=W有/W总×100%得，W总=W有/η=600J/80%=750J。第四步，计算额外功。W额=W总-W有=750J-600J=150J。答案：总功750J，有用功600J，额外功150J。
例题2：用斜面将重为1000N的货物推上高为2m的卡车，斜面长为10m，推力为300N，求斜面的机械效率。
解析：第一步，确定有用功与总功的计算方式。有用功W有=Gh=1000N×2m=2000J；总功W总=Fs=300N×10m=3000J。第二步，计算机械效率。η=W有/W总×100%=2000J/3000J×100%≈66.7%。答案：斜面的机械效率约为66.7%。
（四）实验探究：探究滑轮组的机械效率
1.实验目的
探究影响滑轮组机械效率的因素（如提升物重、动滑轮自重）；掌握滑轮组机械效率的测量方法，能计算机械效率并分析误差原因。
2.实验原理
η=W有/W总×100%=Gh/Fs×100%（G为物体重力，h为物体上升高度，F为拉力，s为绳端移动距离）。
3.实验器材
定滑轮、动滑轮（不同自重的动滑轮2个）、钩码（若干）、弹簧测力计、刻度尺、细线、铁架台。
4.实验步骤
①用细线将定滑轮和一个动滑轮组装成滑轮组，固定在铁架台上，记下滑轮组的绕线方式（确定n，即承担物重的绳子段数）；②用弹簧测力计测出钩码的重力G，记录在表格中；③将钩码挂在滑轮组下，用弹簧测力计沿竖直方向匀速拉动绳子自由端，同时记录弹簧测力计的示数F；④用刻度尺测出钩码上升的高度h和绳端移动的距离s，记录在表格中；⑤更换不同数量的钩码（增加或减少钩码重力），重复步骤②-④，测量并记录多组数据；⑥更换另一个自重更大的动滑轮，保持钩码重力不变，重复步骤②-④，记录数据。
5.数据记录与处理
设计实验表格（示例），引导学生计算每组数据的W有、W总、η：
（表格文字化呈现）实验次数|动滑轮自重G动/N|钩码重力G/N|拉力F/N|钩码上升高度h/m|绳端移动距离s/m|有用功W有=Gh/J|总功W总=Fs/J|机械效率η=W有/W总×100%|1|1|5|2.2|0.1|0.3|0.5|0.66|75.8%|2|1|10|4.5|0.1|0.3|1.0|1.35|74.1%|3|2|5|2.5|0.1|0.3|0.5|0.75|66.7%
6.分析论证与结论
①对比实验1和2：动滑轮自重相同，提升的钩码重力越大，机械效率越高。原因是：额外功（克服动滑轮重力、摩擦）基本不变，有用功增大，有用功在总功中的比例增大，η提高。②对比实验1和3：钩码重力相同，动滑轮自重越大，机械效率越低。原因是：有用功不变，额外功（克服动滑轮重力）增大，总功增大，有用功占比减小，η降低。③实验误差分析：实际测量中η略小于理论值，误差主要来源：弹簧测力计读数有误差（未保持匀速拉动导致示数不稳定）、刻度尺测量h和s时的误差、滑轮与轴之间的摩擦未完全忽略、绳子自重消耗的额外功等。
（五）新课讲授：提高机械效率的方法与应用
1.提高机械效率的方法
结合实验结论和生活实例，引导学生归纳提高机械效率的核心思路：增大有用功占总功的比例，即“增大有用功”或“减小额外功”。
具体方法：
①增大有用功：在额外功不变的情况下，增加机械所完成的有用功。例如，起重机提升货物时，在不超过机械承载能力的前提下，尽量增加货物的重量；用滑轮组提升钩码时，多挂几个钩码。
②减小额外功：在有用功不变的情况下，减少机械自身的损耗。常见方式有：减轻机械自重（如使用轻质材料制作动滑轮、起重机吊臂）；减小摩擦（如给滑轮轴加润滑油、给机器转动部分安装轴承）；简化机械结构（减少不必要的动滑轮或杠杆等）。
2.生活中的应用实例
展示生活中提高机械效率的实例：①农业机械（如拖拉机）的发动机活塞与气缸间安装活塞环，减小摩擦，降低额外功；②建筑工地上的起重机，采用轻质高强度的合金材料制作吊臂，减轻自身重力，提高效率；③家用洗衣机的脱水桶，通过优化结构减小转动时的摩擦，提高脱水效率。
拓展思考：“为什么汽车在满载时的机械效率比空载时高？”引导学生分析：满载时汽车的有用功（克服货物重力、阻力）增大，而额外功（克服汽车自身重力、机械摩擦）基本不变，有用功占比增大，效率提高，进一步巩固提高机械效率的方法。
（六）课堂讨论：机械效率与功率的辨析
提出讨论问题：“有人说‘功率大的机械，机械效率一定高’，这种说法对吗？请结合具体实例说明机械效率与功率的区别。”
学生分组讨论后发言，教师引导总结：
区别：①物理意义不同：机械效率是“有用功占总功的比例”，反映机械的“实用程度”；功率是“单位时间内所做的功”，反映机械的“做功快慢”。②计算公式不同：η=W有/W总×100%，P=W/t。③单位不同：机械效率无单位，用百分比表示；功率单位是瓦特（W）。④影响因素不同：机械效率与有用功、额外功有关，与做功快慢无关；功率与总功、时间有关，与有用功占比无关。
实例辨析：“甲起重机功率为100kW，机械效率为80%；乙起重机功率为50kW，机械效率为90%。甲的功率大，做功快，但效率低，说明其做功中额外损耗多；乙的功率小，做功慢，但效率高，实用程度更高。”通过辨析，突破“效率与功率混淆”的易错点。
（七）拓展延伸：理想机械与实际机械
介绍理想机械的概念：不考虑机械自重、摩擦等额外阻力的机械，即额外功为0（W额=0），此时W总=W有，机械效率η=100%。理想机械是物理学中的理想化模型，实际中并不存在，但为分析机械做功规律提供了简化思路。
举例说明：理想滑轮组中，拉力F=G/n（n为承担物重的绳子段数），而实际滑轮组中，拉力F=（G+G动）/n（考虑动滑轮自重），且实际拉力略大于此值（考虑摩擦），进一步说明实际机械效率总小于1的原因，培养学生的模型思维。
四、核心知识归纳
1.三个核心概念
有用功（W有）：达到机械使用目的所做的功，W有=Gh（提升物体时）。额外功（W额）：克服机械自重、摩擦等额外阻力所做的功，W额=W总-W有。总功（W总）：动力对机械所做的功，W总=Fs（滑轮组、斜面）或W总=Pt，且W总=W有+W额。
2.机械效率的核心内容
定义：有用功与总功的比值，η=（W有/W总）×100%。特点：无单位，用百分比表示，η<100%（额外功存在）。物理意义：反映机械的实用程度，η越大，效率越高。
3.机械效率的测量与计算
测量原理：η=Gh/Fs×100%（滑轮组）。计算关键：明确有用功与总功的对应关系，区分不同机械的有用功计算方式（如提升物体用W有=Gh，水平移动物体用W有=fs物）。
4.提高机械效率的方法
增大有用功：增加机械承载的有用负载（如增加提升物重）。减小额外功：减轻机械自重、减小摩擦（加润滑油、装轴承）、简化机械结构。
5.核心易错点
①混淆有用功与总功，如将滑轮组的额外功当作有用功；②认为机械效率η≥100%，忽略额外功的存在；③将机械效率与功率混淆，认为功率大则效率高；④计算时单位不统一或未将结果转化为百分比。
五、课堂练习
（一）基础巩固题
1.下列关于有用功、额外功和总功的说法中，正确的是（）
A.有用功一定大于额外功B.总功等于有用功与额外功之和
C.额外功一定小于总功D.总功一定大于有用功
2.关于机械效率，下列说法正确的是（）
A.机械效率越高，说明机械做功越快B.机械效率越高，说明机械做的有用功越多
C.机械效率越高，说明有用功占总功的比例越大D.机械效率可以等于100%
3.用滑轮组匀速提升重为800N的物体，绳端拉力为300N，物体上升高度为2m，绳端移动距离为8m，求该滑轮组的有用功、总功和机械效率。
4.用斜面将重为500N的货物推上高为1.5m的平台，斜面长为5m，推力为200N，求斜面的机械效率。
5.下列措施中，不能提高机械效率的是（）
A.给滑轮组的轴加润滑油B.减轻动滑轮的重力
C.增大提升物体的重力D.增大机械的功率
（二）能力提升题
6.某起重机的机械效率为70%，它在10s内将重为2.1×10 N的货物匀速提升了5m，求：（1）起重机做的有用功；（2）起重机的总功；（3）起重机的功率。
7.用一个动滑轮匀速提升重为G的物体，若动滑轮的重力为G动，忽略摩擦，求该动滑轮的机械效率（用G和G动表示）。若提升的物体重力增大为2G，机械效率会如何变化？为什么？
8.某滑轮组的机械效率为80%，用它匀速提升重为400N的物体，绳端移动距离为5m，若不计摩擦，动滑轮的重力为多少？（提示：n为承担物重的绳子段数，s=nh，W总=（G+G动）h）
9.甲、乙两个滑轮组，甲的机械效率为75%，乙的机械效率为80%，用它们分别将相同重量的物体提升相同的高度，下列说法正确的是（）
A.甲做的有用功更多B.乙做的总功更多
C.甲做的额外功更多D.乙做的额外功更多
（三）拓展创新题
10.某同学在探究滑轮组机械效率的实验中，得到如下数据：钩码重力G=10N，拉力F=4N，钩码上升高度h=0.1m，绳端移动距离s=0.3m。（1）计算该滑轮组的机械效率；（2）若增加2个相同的钩码（总重G'=30N），拉力F'=11N，绳端移动距离仍为0.3m（钩码上升高度0.1m），计算此时的机械效率；（3）分析两次效率变化的原因，并说明如何通过实验进一步验证“机械效率与提升物重的关系”。
11.阅读材料：“新能源汽车的电机效率”——新能源汽车的驱动电机是核心部件，其机械效率通常在90%以上，远高于传统燃油汽车发动机的效率（约30%-40%）。请结合机械效率知识分析：（1）新能源汽车电机效率高的优势是什么？（2）为什么电机效率不可能达到100%？（3）日常生活中，我们可以通过哪些方式提高家用电器的“使用效率”（类比机械效率）？
六、练习答案与解析
（一）基础巩固题答案与解析
1.答案：BD解析：A错误，有用功与额外功的大小关系不确定（如提升轻物时额外功可能大于有用功）；B正确，总功是有用功与额外功之和；C错误，额外功一定小于总功（W额=W总-W有>0）；D正确，总功一定大于有用功。故选BD。
2.答案：C解析：A错误，效率与做功快慢无关；B错误，效率高不代表有用功多（总功小时，效率高有用功也可能少）；C正确，符合机械效率定义；D错误，额外功存在，效率不可能为100%。故选C。
3.答案：有用功1600J，总功2400J，机械效率66.7%解析：W有=Gh=800N×2m=1600J；W总=Fs=300N×8m=2400J；η=1600J/2400J×100%≈66.7%。
4.答案：75%解析：W有=Gh=500N×1.5m=750J；W总=Fs=200N×5m=1000J；η=750J/1000J×100%=75%。
5.答案：D解析：A、B减小额外功，C增大有用功，均能提高效率；D增大功率仅提高做功快慢，与效率无关。故选D。
（二）能力提升题答案与解析
6.答案：（1）1.05×10 J；（2）1.5×10 J；（3）1.5×10 W解析：（1）W有=Gh=2.1×10 N×5m=1.05×10 J；（2）W总=W有/η=1.05×10 J/70%=1.5×10 J；（3）P=W总/t=1.5×10 J/10s=1.5×10 W。
7.答案：η=G/(G+G动)×100%；效率会提高解析：忽略摩擦时，W额=G动h，W有=Gh，W总=Gh+G动h=(G+G动)h，η=Gh/(G+G动)h×100%=G/(G+G动)×100%。当G增大为2G时，η'=2G/(2G+G动)×100%，分子增大比例大于分母，η'>η，效率提高，原因是额外功不变，有用功占比增大。
8.答案：100N解析：由s=nh得n=s/h（假设h为物体上升高度，s=5m，h=5m/n），W有=Gh=400N×h，W总=Fs=（G+G动）h（不计摩擦），η=W有/W总=400N/(400N+G动)×100%=80%，解得G动=100N。
9.答案：C解析：A错误，物体重量和提升高度相同，有用功相同；B错误，乙效率高，总功=有用功/效率，总功更少；C正确，甲效率低，额外功=总功-有用功，额外功更多；D错误，乙额外功更少。故选C。
（三）拓展创新题答案与解析
10.答案：（1）83.3%；（2）81.8%；（3）第一次效率较高，第二次增加钩码后效率略有下降，可能是因为拉力测量误差（增加钩码后未保持匀速拉动）或摩擦增大。验证方法：保持滑轮组不变，改变钩码数量（如5N、15N、25N），多次测量拉力、高度、距离，计算效率并绘制“η-G”图像，若图像呈上升趋势，则说明提升物重越大，效率越高。解析：（1）η1=G1h/F1s×100%=10N×0.1m/4N×0.3m×100%≈83.3%；（2）η2=G2h/F2s×100%=30N×0.1m/11N×0.3m×100%≈81.8%。
11.答案：（1）优势：电机效率高，意味着相同能量消耗下，有用功更多，新能源汽车续航里程更长，能耗更低，更节能环保；（2）原因：电机工作时会克服自身机械摩擦、线圈电阻发热等产生额外功，额外功存在导致效率不可能达到100%；（3）提高家用电器使用效率的方式：①合理选择电器功率（如大容量洗衣机满载使用，提高效率）；②定期维护（如给冰箱压缩机加润滑油，减小摩擦）；③避免电器长时间待机（减少不必要的能量损耗），类比机械效率中“增大有用功、减小额外功”的思路。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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