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人教版八年级物理（2024）下册 第十二章 简单机械
第4节 机械效率（教学设计）
【课题】第4节 机械效率
【学习目标】
1.能结合实例分析什么是有用功、额外功和总功。
2.能说出机械效率的含义，知道机械效率是小于1的，能利用机械效率的公式进行简单的计算。
3.通过实验了解滑轮组机械效率的高低与物体重力的大小有关。
【学习重点】
1.知道什么是有用功、额外功和总功。
2.知道机械效率的定义、公式，认识机械效率是表示机械性能的重要指标。
【学习难点】
理解机械效率的含义，知道机械效率是小于1的，能利用机械效率的公式进行简单的计算。
【实验器材】
滑轮、细线、刻度尺、弹簧测力计、钩码、铁架台、坐标纸等（演示实验、学生分组实验用，每组一套）。
【新课导入】
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
【演示实验】研究使用动滑轮是否省功
1.如图甲所示，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.如图乙所示，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
【播放实验视频】研究使用动滑轮是否省功
实验数据记录
钩码重 G/N 钩码升高 高度h/m 拉力 F/N 测力计移动 距离s/m 拉力做的功 W/J
弹簧测力计直接提升钩码 2 0.1 2 0.1 0.2
通过动滑轮提升钩码 2 0.1 1.2 0.2 0.24
实验结果表明，虽然在两次实验中钩码被提升了相同的高度，但第二次实验中拉力做的功要多一些。
【板书课题】 第4节 机械效率
一 有用功和额外功
1. 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。
2.弹簧测力计的拉力所做的功，叫作总功，用W总表示。
3.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。
总功等于有用功与额外功之和，即W总=W有用十W额外
4.功的原理
大量实验表明，动力对机械所做的功(总功)总是大于机械对外所做的功(有用功)。事实上，使用任何机械都不能省功。
【播放视频】有用功和额外功
【课堂练习】
【例题1】如图所示，一人用100 N的拉力通过滑轮组将重为300N的物体向上提起，绳重和摩擦不计。在拉力的作用下，物体匀速上升了1 m，求：
（1）人所做的有用功；
（2）人所做的总功；
（3）人所做的额外功。
【答案】（1）300J （2）400J （3）100J
【解析】利用图示中的滑轮组提升物体，和动滑轮相连的绳子段数n=4，拉力F的作用点移动距离是物体升高高度h的4倍，即s=4h=4×1m=4m.
（1）动滑轮对重物的拉力所做的功是有用功，等于克服物体所受重力所做的功。人所做的有用功
W有用 = Gh=300N×1m=300J
（2）人对绳子的拉力所做的功是总功，W总 = Fs=100N ×4m=400J
（3）克服动滑轮重以及摩擦力所做的功是额外功，由W总 =W有用+W额外得， 人所做的额外功
W额外 =W总-W有用=400J-300J =100J
二 机械效率
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。
物理学中，将有用功跟总功的比值叫作机械效率。如果用η表示机械效率，那么有
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 。
起重机的机械效率一般为40%～50%，抽水机的机械效率一般为60%～80%.
一台起重机的机械效率是50%，表示使用该起重机提升重物时，所做的有用功跟总功的比值是50% ，也可以说有用功在总功中占的比例是50%，另外的50% 是额外功。
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。
【课堂练习】
【例题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3.4×104 J，起重机的机械效率是多少 g取10 N/kg.
【答案】44%
【解析】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 = 0.5×103 kg×10 N/kg = 5×103 N
起重机提升重物所做的功是有用功W有用=Fh = 5×103 N×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
这台起重机的机械效率为44%.
【想一想】如果上述例题2中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。对一个机械来说，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。
【学生分组实验】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。
测量如图所示滑轮组的机械效率，要想知道有用功和总功，需要测量哪些物理量？
实验过程
1.用弹簧测力计测量钩码所受的重力G并填入记录实验数据的表格中。
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，用刻度尺测出钩码提升的高度h和绳端移动的距离s，将这三个量填入记录数据的表格中。
4.算出有用功W有用、总功W总、机械效率η并填入记录数据的表格中。
5.改变钩码的数量，重复上面的实验。
6.换用不同的滑轮组重复上面2～4步，将实验数据填入表格中。
【播放实验视频】测量滑轮组的机械效率
实验数据记录
次数 钩码重 G/N 提升 高度h/m 有用功 W有用/J 拉力 F/N 绳端移动 距离s/m 总功 W总/J 机械效率η
1 1 0.05 0.05 0.69 0.15 0.104 48%
2 1.5 0.05 0.075 0.89 0.15 0.134 56%
3 1 0.05 0.05 0.5 0.33 0.165 30%
实验结论
1. 滑轮组的机械效率跟被提升的物体所受重力有关。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。
2. 滑轮组的机械效率跟动滑轮所受重力有关。用不同滑轮组提升同一物体时，机械效率不同，动滑轮越重，机械效率越低。
分析：滑轮组的机械效率
利用滑轮组提升物体，忽略绳重与摩擦的影响，则滑轮组的机械效率
影响滑轮组机械效率的因素有被提升的物体重G和动滑轮重G动.
滑轮组的机械效率在数值上等于物重与总重的比值。
同一滑轮组(G动一定），提升的重物越重（G越大），机械效率η越高；
提升相同的重物（G相同），所用动滑轮越轻（G动越小），机械效率η越高。
怎样提高机械效率
机械效率是标志机械做功性能优劣的重要指标，机械效率越高，机械的性能越好，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。
【播放视频】怎样提高机械效率
提高机械效率的主要办法是
改进结构，使机械设备更合理、更轻巧（减小机械自身重）。
在使用中按照技术规程经常保养，使机械设备处于良好的状态（减小摩擦），对于保持和提高机械效率也有重要作用。
【课堂练习】
【例题3】两位同学根据图中装置分别用自己的器材测量滑轮组的机械效率，下表是他们实验中的一组数据。请将表格中的数据补充完整并说明机械效率不同的原因可能是什么。
【答案】甲同学：W有用=0.1J，W总=0.15J，η=66.7% ； 乙同学：W有用ˊ=0.3J，W总ˊ=0.36J，ηˊ=83.3% .甲、乙两同学测得的滑轮组的机械效率不同的主要原因是所提升钩码所受的重力不同。
【解析】甲同学实验中，有用功W有用=Gh=1.0N×0.1m=0.1J
总功W总=Fs=0.5N×0.3m=0.15J
滑轮组的机械效率
乙同学实验中，有用功W有用ˊ=Gˊh=3.0N×0.1m=0.3J
总功W总ˊ=Fˊs=1.2N×0.3m=0.36J
滑轮组的机械效率
分析表中记录的实验数据可知，甲、乙两同学测得的滑轮组的机械效率不同的主要原因是所提升钩码所受的重力不同。
【例题4】（2026年江苏宜兴中考一模题）如图所示，用滑轮组提升所受重力为600N的物体A，滑轮组绳子自由端在拉力F作用下竖直匀速移动了3m，用时10s，滑轮组的额外功是150J(不计绳重和摩擦)。对于这一过程，下列说法中正确的是【 】
A.有用功为1800J B.动滑轮重为200N
C.拉力F的功率是75W D.滑轮组的机械效率是92%
【答案】C
【解析】A．图中3段绳子和动滑轮相连，绳子自由端移动距离是物体升高高度的3倍，物体升高高度，拉力F做的有用功为W有用=Gh=600N×1m=600J，A说法错误；
B.由W=Fs得，动滑轮重为 ，B说法错误；
C.拉力做的总功W总=W有用+W额外=600J-150J=750J,拉力F的功率 ，C说法正确；
D.滑轮组的机械效率是，D说法错误。故选择C.
【例题5】（2024年四川眉山中考题）如图是小龙“测量斜面机械效率”的实验装置，斜面粗糙程度相同。他用平行于斜面向上的恒定拉力F，将重6N的物体以的速度匀速拉到斜面顶端，测得斜面的机械效率为75%.则下列说法正确的是【 】
A. 拉力做功为3J
B. 物体受到摩擦力为1.5N
C. 在匀速拉动过程中，物体的机械能不变
D. 若以的速度匀速拉动物体，斜面机械效率仍为75%
【答案】D
【解析】A．拉力做的有用功为W有用=Gh=6N×0.5m=3J，
由得，拉力做功（总功）为 ，A说法错误；
B.由W总=W有用+W额外得，拉力做的额外功W额外=W总-W有用=4J-3J=1J,由W=Fs得，物体受到摩擦力为 ，B说法错误；
C.在匀速拉动物体过程中，物体的质量不变，动能不变，高度变大，重力势能变大，机械能等于动能和重力势能之和，物体的机械能变大，C说法错误；
D.若以2m/s的速度匀速拉动物体，此过程中物体所受斜面摩擦力的大小不变，则拉力做的额外功不变。拉力做的有用功不变，总功也不变，因此斜面的机械效率不变，仍为75%，D说法正确。故选择D.
【课后作业】练习与应用1、2、3、4、5题。

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