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第十二章 简单机械
第 4 节 机械效率
素养目标
3. 通过实际测量滑轮组的机械效率，让学生经历收集和分析实验数据的过程，培养学生的科学探究能力。
1. 知道有用功、总功和额外功，了解机械效率是衡量机械性能的重要指标。
2. 结合分析具体实例和实验结果，让学生知道机械效率总是小于100
%的原因，发展学生的分析综合、归纳推理能力。
4. 通过理论结合实验的分析过程，让学生有合理改进机械、提高效率的意识，关注科学 技术 社会 环境方面的问题，认识到提高机械效率的重要性。
创设情景，引入新课
1. 生活中我们常常会遇到“效率”这个词，例如学习效率、工作效率等。用机械帮助我们完成某项任务时，也会涉及效率问题，我们称之为“机械效率”，你知道机械效率的物理含义吗？
2. 利用机械帮助我们工作，会给我们的工作带来极大的方便。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？
有用功和额外功
1. 研究使用动滑轮是否省功
【提出问题】利用动滑轮提升重物，绳端拉力所做的功与动滑轮对重物所做的功相同吗？
【设计实验】参照图所示的方法进行实验。
（1）用弹簧测力计将钩码缓慢
地提升一定的高度，如图甲所示，计算拉力所做的功。
（2）用弹簧测力计和一个动滑轮将同样的钩码缓慢地提升相同的高度，如图乙所示，再次计算拉力所做的功。
比较两次拉力所做的功相同吗？为什么？
【进行实验】
（1）用弹簧测力计直接将重为2N的钩码匀速提升0.1m，记下弹簧测力计的示数F和钩码在F方向上移动的距离s1。
（2）用弹簧测力计和一个动滑轮将重2N的钩码匀速提升0.1m，记下弹簧测
力计的示数F' 和绳子自由端在F' 方向上移动的距离s2。
【数据记录】
直接用弹簧测力计提升2个钩码
用弹簧测力计和一个
动滑轮提升2个钩码
2
0.1
0.1
1.2
0.1
0.2
【分析论证】
①直接用弹簧测力计提升2个钩码所做的功
W1=Fh= 2N×0.1m=0.2J
②用弹簧测力计和一个动滑轮提升2个钩码所做的功：
W2=F′s
= 1.2N×0.2m=0.24J
③ W2＞ W1
【实验结论】
使用动滑轮提升重物比直接用手提升重物 省功.
【实验评估】
使用动滑轮会省 的力，但拉力移动的距离增加了 ，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 做功。
并不
一半
一倍
多
2. 有用功、额外功和总功
（1）实例分析
以使用动滑轮提升钩码进行分析机械的三种功。
①有用功
提升钩码是我们工作目的，动滑轮对钩码的拉力所做的功是对人们有用的功叫作有用功。
②额外功
要提升钩码，必须将动滑轮和绳子也提升，同时还要克服摩擦做功。这些功是对人们无用但又不得不做的功叫作额外功。
③总功
人的拉力做的功为总功 W总，
为有用功与额外功之和：
W总= W有+ W额
①
②
③
（2）有用功：在第二次实验中，将钩码提升一定的高度是我们的工作目的，动滑轮对钩码的拉力所做的功叫作有用功，用W有用表示。
（4）总功：弹簧测力计的拉力所做的功，叫作总功，用W总表示。若使用机械提升重物，则总功指动力做的功，即W=Fs。
（3）额外功：在用动滑轮提升钩码时，我们还不可避免地要克服动滑轮本身所受的重力以及摩擦力等因素的影响而多做一些功，这部分功叫作额外功，用W额外表示。
W总=W有用+W额外
大量实验表明，动力对机械所做的功（ ）总是大于机械对外所做的功（ ）。事实上，使用任何机械都不能省功。
总功
有用功
动画讲解：《有用功和额外功》
机械效率
1. 比较机械做功的效率
想一想：
要把重100N的大米运上三楼。甲、乙两位同学用了二种方法，怎样比较哪种方法好？
大米重100 N 动滑轮重10 N 桶重 20 N 口袋重 5 N
地面到三楼高度 6 m
（1）甲用动滑轮和桶提大米做功情况
W米=Gh=100N×6m=600 J
对大米做功：
W桶 = Gh=20N×6m= 120 J
对桶做功：
对动滑轮做功：
W动= Gh=10N×6m= 60 J
总功：
W总＝W米＋W桶 ＋W动
＝600J＋120J＋60J＝780J
（2）乙用动滑轮和口袋提大米做功情况
对大米、动滑轮所总功与上面的相同，对
口袋做功为：
W口袋 = Gh=5N×6m= 30 J
总功：
W总＝W米＋W口袋 ＋W动
＝600J＋30J＋60J
＝690J
（3）计算二种情况下的W用、
W额、W总及 W用/W总
甲乙对大米做的有用功相同，即：
W有用=Gh=100N×6m=600J
甲：W额＝G桶、轮＝30N×6m＝180J
W用/W总＝600J/780J＝77%
乙：W额＝G桶、袋＝15N×6m＝90J
W用/W总＝600J/690J＝87%
W有/W总越大，效率越高，乙同学方法效率高。
2. 机械效率
（1）机械效率
物理学中，将有用功跟总功的比值叫作机械效率。
（2）计算公式：
（3）理解机械效率
①物理意义：机械效率是标志机械做功性能的物理量，有用功占总功的比例越大，机械效率越高，这个机械的
η=
②机械效率只有大小，没有单位。
性能越好。
③机械效率总小于1。由于有用功总小于总功，所以机械效率总小于1。机械效率通常用百分数表示。
④机械效率的高低与省力情况无关。
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。
3. 一些机械（机器）的机械效率
瓦特蒸汽机的机械效率6% ~ 15%
起重机的机械效率40%~50%
离心式水泵60～80%
汽油机22～27%
喷气发动机50～60%
想一想:
一台起重机的机械效率是60% ，它表示什么意义？
例：起重机把质量为0.5t的重物匀速提升了3m，而它的电动机所做的功是3.4×104J，起重机的机械效率是多少？g取10N/kg。
解：起重机匀速提升重物所用的力与物体所受的重力大小相等
F=G=mg
=0.5×103kg×10N/kg
起重机提升重物所做的功是有用功 ：:
= 5×103 N
W有用= Fh
起重机的电动机所做的功是总功 ：
= 5×103N×3m
= 1.5×104J
W总 = 3.4×104J
起重机的机械效率：
η=
＝
×100%
= 44%
答：这台起重机的机械效率为44%。
4. 测量滑轮组的机械效率
【实验思路】要想测量滑轮组的机械效率，就要想办法找出使用滑轮组工作时的有用功和总功，然后求出二者的比值：
η=
=
本实验可以测量如图所示滑轮组的机械效率，请根据此实验
装置思考：要想知道有用功和总功，需要测量哪些量？
需要测量的物理量有：
物体的重力G及升高的高度h；拉力F及移动的距离s。
【实验过程】
（1）用弹簧测力计测量钩码所受的重力G并填入后面的表格中 。
（4）算出有用功W有、总功W总、机械效率η并填入表格。
改变钩码的数量，重复上面的实验；改变（增大）动滑轮的重力，重复上面的实验。
注意：第5次实验增大了动滑轮的重力
（3）缓慢拉动弹簧测力计，使钩码升高，读出拉力F，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。
（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。
【分析论证】
（1）由1、2、3次实验可知，对同一个滑轮组来说，物重越大，机械效率越高；
（2）由1、4次实验可知，物重相同时，提 升高度不同，机械效率大致相同。
（3）由4、5两次实验可知，在物重相同 时，动滑轮重越大，机械效率越低。
71%
83%
88%
71%
62.5%
大量的实验表明：
【实验结论】 滑轮组的机械效率跟
、 、 和
有关；对同一个滑轮组来说
越大，机械效率越高；在物重相同时， 越大，机械效率越低；同样，在物重相同时
和 越大，机械效率越低。
物重
动滑轮重
绳重
摩擦
机械摩擦
物重
动滑轮重
绳重
【交流与评估 】
（1）实验时拉力的方向应尽量
__________，应在钩码__________的过程中读取拉力的大小。
（2）确定绕线方式与承担重物绳子的段数n：
与动滑轮连接的段数即为承担重物绳子的段数，如图所示，n=3，用“奇动偶定法”确定绕线方式。
竖直向上
匀速移动
（3）影响滑轮组机械效率的因素：
物体的 、动滑轮的 、绳子与滑轮之间的摩擦力。与绳子的绕法、提升的高度、绳子段数 。
重力
重力
无关
【交流与评估 】
（4）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_______不同。
（5）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。
摩擦
η=
=
=
×100%
视频演示——《测量滑轮组的机械效率》
5. 提高机械效率的方法
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
机械转动部件间的摩擦
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.
课堂总结
机械效率
机械效率
有用功和额外功
滑轮组的
机械效率
①有用功：机械对物体的拉力所做的功，是有用的.
①定义：有用功跟总功的比值叫作机械效率.
②计算公式： η= W有/W总； η＜1，用百分数表示.
②额外功：克服机械的自重及摩擦力等因素而做的功.
③总功：拉力（或动力）所做的功，W总= W有+ W额.
①影响因素：滑轮组的机械效率跟物重、动滑轮重、绳重和摩擦有关；对同一个滑轮组来说物重越大，机械效率越高；在物重相同时，动滑轮重越大，机械效率越低；在物重相同时，机械摩擦和绳重越大，机械效率越低.
②提高方法：减少动滑轮重，增加被提升的物重，减少绳重，减少摩擦阻力等.
课堂练习
1．用绳子将钩码提升至一定的高度，如图所示，此过程所做的有用功是（ ）
A．提升钩码所做的功　　　　　　　
B．克服摩擦力所做的功
C．提高绳子所做的功　　　　　　　
D．克服动滑轮重力所
做的功
A
2．一台起重机将重3600N的货物提高4m，起重机做的有用功是多少 如果额外功是9600J，总功是多少？机械效率是多少？起重机所做的额外功是由哪些因素引起的？
解：W有=Gh
=360N ×4m
=14400J
W总=W有+ W额
= 14400J + 9600J
=24000J
η=
＝
＝60%
起重机所做的额外功是由动滑轮、起重臂和钢丝绳所受的重力以及摩擦引起的。
3. 实验时，小芳用如图所示的滑轮组，将重为8N的物体匀速提升0.5m。已
知动滑轮的重为2N，不计绳重和摩擦，则（　　）
A．拉力F为4N
B．有用功为5J
C．绳子自由端移
动距离为1.5m
D．该滑轮组的机械效率为80%
D
下课
Thanks!
https://www.21cnjy.com/recruitment/home/fine

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