人教版初二物理第十二章第3节机械效率教案.docx
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人教版初二物理第十二章第3节机械效率教案
机械效率
适用学科
初中物理
适用年级
初二
适用区域
人教版
课时时长（分钟）
2课时
知识点
1.有用功、额外功和总功的认识及计算；
2.机械效率及计算；
3.机械效率的测量。
教学目标
一、知识与技能
1．能结合实例分析什么是有用功、额外功和总功。
2．明确机械效率是描述做功效率的物理量。
能利用机械效率的公式进行简单的计算。
3．能设计实验，测定某种简单机械的机械效率。
二、过程与方法
1．通过探究使用动滑轮的特点，知道使用机械就要做额外功。
2．通过实验与讨论，认识提高机械效率的主要方法。
三、情感态度与价值观
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。
教学重点
机械效率的概念和有关计算。
教学难点
测量滑轮组的机械效率。
教学过程
一、复习预习
复习
１．在使用过程中如果滑轮的轴固定不动，那么它就叫定滑轮。
而在使用过程中如果滑轮的轴随着物体上升的，那么它就叫做动滑轮。
2.定滑轮的特点：
使用定滑轮不省力，不省距离；但可以改变力的方向。
定滑轮实质是一个等臂的杠杆。
3.动滑轮的特点：
使用动滑轮可以省力，但费距离，且不改变力的方向。
动滑轮实质是一种能省力的杠杆。
4.把定滑轮与动滑轮的组合，叫做滑轮组。
5.滑轮组的特点：
（1）绳子自由端移动的距离S与物体上升的高度h之间的关系：
S=nh
（2）绳子自由端移动的速度v与物体上升的速度v物之间的关系：
v=nv物
（3）不计滑轮重、绳重和摩擦时，作用在绳子自由端的拉力F与物体的重力G的关系：
F=G。
（n为动滑轮上所挂绳子的段数）
预习
1.有用功、额外功和总功的认识及计算；
2.机械效率及计算；
3.机械效率的测量。
二、知识讲解
课程引入：
我们家新买了楼房，我想往楼上运一些沙子用于装修，但是由于沙子很重在往楼上运的过程中很吃力，你们可以帮想一些办法吗？
通过我们学习简单机械，有人让我应用动滑轮这样能够省一些力，同时还有人帮我出主意，让我用较轻的袋子来装沙子能更好一些。
这是为什么呢？
今天我们就来探究一下这里边包含的物理知识吧。
考点/易错点1有用功和额外功
想一想刚才我在运沙子时的情况，我们来思考：
1．在把沙子从一楼运上三楼的过程中，对哪些物体做了功？
（有滑轮，沙子，还有袋子）
2．无论他采取哪种方法都必须做的功是他对什么做的功？
（沙子）
3．在运沙过程中他不愿做但又不得不做的功是什么？
（滑轮和袋子）
我们将这些做的功进行分类，分为有用功和额外功。
我们对沙子做的功为有用功，也就是在做的所有功中，对我们来说是有益的功，我们把它叫做有用功。
在做功过程中对我们来说没有益处，但又不得不做的功，我们把它叫做额外功，就是对袋子做的功。
同时我们还把有用功与额外功的总和叫做总功。
对使用机械直接提升物体做的功，与使用机械提升物体做的功一样吗？
（手拉绳做的功与动滑轮对沙子做的功相等吗？
）我们用实验来看一看。
1．设计实验方案：
用手通过一只弹簧测力计拉一个动滑轮，沿竖直方向匀速缓慢提起重为G的钩码。
2．为了探究上述问题需要测量的物理量是：
手对绳的拉力F、手移动的距离s、钩码的重力、钩码上升的高度h。
3．改变钩码的数量，重复上述测量。
4．设计表格，将实验数据填入表中。
次数
手的拉力F/N
手移动距离s/m
钩码重G/N
钩码上升高度h/m
1
2
3
5．分析实验数据：
（1）手拉绳所做的功与动滑轮拉钩码所做的功是否相等？
（不相等）
（2）哪一个做的功多一些？
（手拉绳子做的功要多一些）
（3）你认为产生这一现象的原因是什么？
（有摩擦力，同时还有对滑轮做功）
考点/易错点2机械效率
工作中，我们总是
希望额外功越少越好；也就是有用功在总功中所
占的比例越大越好。
在物理学中，用机械效率表示有用功在总功中所占的比例。
机械效率=有用功/总功
计算公式：
三者之间的关系：
W总=W有用+W额外
注意：
对于实际机械，由于总是有额外功存在，η＜1。
无论是在工作中还是生活中，我们都想使机械效率越高越好，那么我们要如何增大机械效率呢？
增大机械效率的方法：
（1）尽可能的使机械结构更合理，更轻巧。
（2）定期保养和润滑。
考点/易错点3机械效率的测量
如何测量滑轮组的机械效率：
1．实验原理：
=
2．器材：
刻度尺、钩码、弹簧测力计、铁架台、甲、乙两个滑轮组、长约2m的细绳。
3．步骤：
①用弹簧测力计测量钩码所受的重力G并填入表格。
②分别记下钩码和弹簧测力计的位置。
③缓慢拉动弹簧测力计，使钩码升高，读出拉力F值，用刻度尺测出钩码上升的高度h和弹簧测力计移动的距离s，将这三个量填入表格。
④算出有用功W有用、总功W总功、机械效率η并填入表格。
实验次数
G （N）
h（m）
W有用（J）
F（N）
s（m）
W总（J）
η
1
2
3
4
结论：
1．动滑轮重一定,物重越大，机械效率高。
2．物重一定，动滑轮越重，机械效率低。
讨论：
如何提高滑轮组的机械效率？
总结：
提高滑轮组的机械效率的主要方法有：
尽可能地增加物重，减小动滑轮重，减轻绳重和滑轮转轴处的摩擦。
三、例题精析
【例题1】
【题干】如图所示，搬运工人用滑轮组在20s内将重为270N的重物匀速提升6m，所用拉力为100N，则他所做的有用功是J，额外功是J，拉力的功率是W，滑轮组的机械效率是。
【答案】1620、180、90、90%
【解析】根据题意，提起重物的有用功W有=Gh=270N×6m=1620J，
人做的总功W总=F3h=100N×3×6m=1800J，所以，W额=W总-W有=1800J-1620J=180J，
拉力的功率P=W/t=1800J/20s=90W，根据公式滑轮组的机械效率η=W有/W总=1620J/1800J=90%
【例题2】
【题干】如图所示，利用轻质滑轮组匀速拉动水平地面上重为300N的物体，拉力F的大小为30N。
若物体和地面之间的摩擦力大小为45N，则A处的拉力大小和滑轮组的机械效率分别为（ ）
A．45N、50% B．45N、75% C．60N、50% D．60N、75%
【答案】B
【解析】①物体在水平地面上做匀速运动，则此时A处绳子的拉力与物体与地面之间的摩擦力是一对平衡力，即A处的拉力大小为FA=f=45N。
②本题中，拉力F所做的功为总功，克服物体摩擦力所做的功为有用功。
从图可知，有2段绳子与动滑轮相连，则绳子自由端移动距离S=2S物，滑轮组的机械效率为
=75﹪。
【例题3】
【题干】如图所示，一根均匀的细木棒OC，OA=
OC，B为OC的中点，在C点施力将挂在A点的重为180N的物体匀速提升0.2m，木棒的机械效率为90%，则木棒重为______N（不计摩擦）．
【答案】10
【解析】因为将挂在A点的重为180N的物体匀速提升0.2m，所以有用功：
W有=Gh=180N×0.2m=36J；因为OA=OC/4，当物体上升0.2m时，重心B点将上升0.4m，额外功为克服木棒的重力所做的功，根据η=W有/W总=W有/W有+W额和W额=G木h重心，解得G木=10N。
四、课堂运用
【基础】
1、下列关于机械效率说法正确的是（）
A.机械做功越快，机械效率就越高
B.省力越多的机械，机械功率越大
C.单位时间做功越多的机械，效率越高
D.额外功在总功中占的比例越小的机械效率越高
【答案】D
【解析】机械效率是有用功跟总功的比值，与做功的快慢没有关系，A说法错误；与省力与费力也没有关系，B说法错误；跟做功快慢无关，即单位时间做功多少无关，C说法错误；额外功在总功中占的比例越小，则有用功在总功中占的比例越大，有用功跟总功的比值越大，机械效率越高，D说法正确；答案选D。
2、如图所示，用甲、乙两种装置匀速提升同一重物，若每个滑轮重相同，不计摩擦及绳重。
则下列说法正确的是（）
A.甲较省力，机械效率较低
B.乙较省力，机械效率较低
C.甲较省力，机械效率较高
D.乙较省力，机械效率较高
【答案】B
【解析】根据杠杆原理可知，甲属于等臂杠杆，不能省力也不费力，故A、C错；乙的动力臂大于阻力臂，属于省力杠杆，但在甲图示中由于不存在额外功，机械效率为100%，而在乙图中要提升动滑轮做额外功，所以机械效率小于100%，故甲的机械效率较高，所以应选B。
3、学校每周升旗，在旗竿顶用一滑轮，为迎接60周年国庆，想办法提高了机械效率，用它把同一面国旗匀速提升同样高度，下列说法中正确的是（）
A.定滑轮不仅能改变力的大小而且能改变力的方向
B.有用功不变，总功减少了
C.总功不变，额外功减少了
D.总功不变，有用功增加了
【答案】B
【解析】定滑轮的实质是等臂杠杆，故定滑轮能改变施力的方向，但不能改变力的大小，A说法错误；机械效率是有用功与总功的比值，故提高机械效率，把同一物体提升相同高度，有用功不变，只有减小总功，B说法正确；因有用功是国旗克服重力做功，国旗重力不变，国旗上升高度不变，故有用功不变，CD均说法错误；答案选B。
4、用滑轮组提升重物，下列措施中能提高机械效率的是（）
A.增加提升的高度，增大有用功
B.增加动滑轮个数，使滑轮组更省力
C.增加被提升物体的重力，从而增大有用功
D.增大提升的速度，从而减小额外功
【答案】C
【解析】A．由机械效率
，所以机械效率的高低与提升物体的高度无关，故A错误。
B．增加动滑轮个数，使滑轮组更省力。
但动滑轮越重，需要做的额外功越多，机械效率会降低，故B错误。
C．增加被提升物体的重力，从而增大有用功，有用功占总功的比值就会增大，从而提高了机械效率，故C符合题意为答案。
D．根据机械效率
可知，机械效率与提升物体的速度无关，故D错误。
5、如图所示，物体A和B所受重力都为160N，不计滑轮重、绳重和摩擦，当分别用力匀速提升物体A和B时，FA为______N，FB为______N．若与A相连的滑轮重40N，不计绳重和摩擦，此滑轮的机械效率是______．
【答案】8016080%
【解析】
（1）滑轮重力不计时，由图可知，吊A的滑轮是动滑轮，使用动滑轮可以省一半的力，
；
吊B的滑轮是定滑轮，使用定滑轮不能够省力，所以FB=GB=160N；
（2）机械效率
故答案为：
80；160；80%．
6、一台起重机将重1800N的货物提高4m，做的有用功为J，如果额外功是4800J，总功为________J，机械效率为。
【答案】72001200060%
【解析】有用功为W有=Gh=1800N×4m=7200J；
总功等于有用功和额外功之和W总=W有+W额=7200J+4800J=12000J；机械效率为η=W有/W总=7200J/12000J=60%。
【巩固】
1、用右图的甲、乙两滑轮组分别把相同的物体匀速提升相同的高度，两装置的机械效率分别为η甲、η乙，拉力做的功分别为W甲、W乙，若滑轮规格相同，不计绳重及摩擦，下列说法正确的是（）
甲乙
A.W甲W乙η甲>η乙
C.W甲＝W乙η甲＝η乙D.W甲η乙
【答案】C
【解析】由于是把同样重的物体提升相同的高度，所以有用功相等，又因滑轮的规格相同，都是把两个动滑轮提高了相同的高度，所以做的额外功也是相同的，所以可得总功相同，机械效率也相同，故应选C。
2、将一个重为4.5N的物体沿斜面从底端匀速拉到顶端（如图所示），斜面长1.2m，高0.4m，斜面对物体的摩擦力为0.3N（物体大小可忽略）．则下列说法正确的是（）
A.沿斜面向上的拉力0.3NB.有用功0.36J，机械效率20%
C.有用功1.8J，机械效率20%D.总功2.16J，机械效率83.3%
【答案】D
【解析】此过程所做有用功为：
W有=Gh=4.5N×0.4m=1.8J；
所做额外功为：
W额=fs=0.3N×1.2m=0.36J；
所做总功为：
W总=W额+W有=0.36J+1.8J=2.16J，
斜面的机械效率为：
η=W有/W总=1.8J/2.16J×100%=83.3%，故D正确；
由W总=Fs可得拉力：
F=W总/s=2.16J/1.2m=1.8N，所以A错误，故选D。
3、将重物从长4m、高1m的斜面底部匀速推上斜面顶端．已知沿斜面所用的推力是300N，斜面的机械效率是75％，则推力做的总功是_______J，物体的重是________N，物体受到斜面的摩擦力是______N。
【答案】120090075
【解析】斜面上推物体推力做的功等于推力与推力通过距离的乘积，即W=Fs=300N×4m=1200J；斜面的机械效率η=Gh/Fs；即75％=（G×1m）/（300N×4m）；解得G=900N；W有=Gh=900N×1m=900J；W额=W-W有=1200J-900J=300J；W额=fs；即300J=f×4m；解得f=75N。
4、如图所示，工人师傅利用斜面将箱子从地面匀速移动至汽车上．己知斜面的长度为3m，高度为1m，箱子重600N，沿斜面的推力为250N．在此过程中，箱子与斜面的摩擦力大小为______N，使用斜面可以省______（选填“力”或“距离”）．
【答案】50力
【解析】将包装箱直接提升1m做的功为有用功，W有用=Gh=600N×lm=600J；沿斜面推上去推力做的功为总功W总=Fs=250N×3m=750J；因为W额外=W总-W有用=750J-600J=150J，而W额外=fs，所以摩擦力大小：
f=W额外/s=150J/3m=50N；因为箱子重600N，而沿斜面的推力为250N，所以使用斜面可以省力。
5、如图所示，沿斜面向上拉一个重为4.5N的物体到斜面顶端，斜面长1.2m，高0.3m，拉力做功为2.16J，则拉力大小为_____N，这个斜面的机械效率是_____，若增大该斜面的倾角，斜面的机械效率将_____．（选填“变大”、“变小”、“不变”）
【答案】
（1）.1.8
（2）.62.5%（3）.变大
【解析】解：
（1）由W=Fs可得，拉力的大小：
F=W总/s=2.16J/1.2m=1.8N，
（2）拉力做的功是总功，只要求出有用功，即可求机械效率：
有用功：
W有=Gh=4.5N×0.3m=1.35J，
机械效率：
η=W有/W总=1.35J/2.16J=62.5%；
（2）当斜面的倾角变大时，物体对斜面的压力逐渐变小，在接触面粗糙程度不变时，压力变小，物体受到的滑动摩擦力变小，额外功变小，有用功不变，总功变小，由机械效率公式可知，斜面的机械效率变大。
6、如图所示，最大输出功率为10kw的小机车通过滑轮组提升重物，重物重3500N，动滑轮重500N，物体上升速度为1m/s。
绳重及滑轮转动时摩擦忽略不计，则在重物匀速上升过程中
A.机车运动的速度是3m/s
B.机车对绳的拉力是1750N
C.若机车运动速度不变，该装置能提起的最大物重为9500N
D.当机车达到最大输出功率时，滑轮组的机械效率是87.5%
【答案】C
【解析】图中滑轮组中重物由两股绳子承担，故机车运动速度为物体运动速度的两倍，物体上升的速度是1m/s，故机车运动的速度是2m/s，选项A错误；
机车对绳的拉力F=（G+G动）/2=（3500N+500N）/2=2000N，选项B错误；
若机车运动速度不变为2m/s，则最大拉力F=P/v=10000W/2m/s=5000N，
则G=2F-G动=10000N-500N=9500N，答案C正确；
当机车达到最大输出功率时，没有具体速度，则最大拉力不能确定，可知机械效率不能确定，选项D错误；答案选C。
【拔高】
1、某工人用如图所示的装置把一重为1200N的箱子从斜面底端匀速拉到顶端用时10秒，已知斜面长6m、高2m，此装置的机械效率为80%（滑轮重、绳重、滑轮与绳之间的摩擦均不计）.求：
（1）拉力F；
（2）拉力F做功的功率；
（3）箱子和斜面间的摩擦力.
【答案】
（1）250N；
（2）300W；（3）100N
【解析】
（1）由
，解得F＝250N；
（2）拉力F做的功W总＝Fs＝250N×2×6m＝3000J，拉力F做功的功率P＝W总/t＝300W；
（3）W有＝Gh＝1200N×2m＝2400J，W额＝W总－W有＝3000J－2400J＝600J，摩擦力f＝W额/L＝100N。
2、如图所示，小明用滑轮组将重为500N的物体在l0s内匀速提升了1.5m。
每个滑轮的重相等，均为20N，不计绳重及摩擦。
求：
（1）小明受到地面的摩擦力。
（2）小明做功的功率。
（3）滑轮组的机械效率。
【答案】
（1）140N
（2）84W（3）89.29%。
【解析】
（1）以下面的动滑轮为研究对象可得，
，
以上面的动滑轮为研究对象可得：
因小明受向左的绳子拉力F2和地面的摩擦力f而处于静止状态，小明受到的拉力和摩擦力是一对平衡力
所以，f=F2=140N；
（2）以下面的动滑轮为研究对象，则F1段绳子运动的距离：
s1=2h=2×1.5m=3m，
以上面的动滑轮为研究对象，则F2段绳子运动的距离：
s2=2s1=2×3m=6m，
小明做功的功率：
（3）滑轮组的机械效率：
3、为了将放置在水平地面上重为100N的物体提升一定高度，设置了图所示的滑轮组装置。
当用图甲所示随时间变化的竖直向下的拉力F拉绳时，物体的速度v和物体上升的高度h随时间变化的关系分别如图乙和丙所示。
（不计绳重和绳与轮之间的摩擦）下列计算结果正确的是（）
A.0s～1s内，地面对物体的支持力是10N
B.1s～2s内，拉力F做的功是187.5J
C.2s～3s内，拉力F的功率是100W
D.2s～3s内，滑轮组的机械效率是62.5%
【答案】B
【解析】由图甲可知，在0s～1s内，拉力F等于30N，滑轮组由3段绳子吊着物体，所以承担的总重力为90N，由于动滑轮本身在重力，所以滑轮组对重物的拉力小于90N，故可知地面对物体的支持力大于10N，故A错；1s～2s内，拉力的大小为50N，拉力通过的距离为s=3.75m/s，所以拉力F做的功为W=Fs=187.5J，故B正确；2s～3s内，拉力的大小为40N，拉力的速度为7.50m/s，所以拉力的功率P=Fv=300W，故C错；2s～3s内，拉力做功为W总=Fs=40N×7.5m=300J，对物体所做的功为W有=Gh=100N×2.5m=250J，所以机械效率为W有/W总=83.3%，故D错；应选B。
4、小雨站在水平地面上，通过如图所示的滑轮组从井中提水（不计绳重及摩擦）。
已知小雨的重力为500N、双
脚与地面的接触面积为0.04m2，圆柱形水桶的底面积为0.2m2、容积为0.lm3（不计桶的厚度）。
（l）将空桶匀速下放的过程中（桶底未接触水面），小雨对地面的压强为1.15×l04Pa，则桶和动滑轮总重是多少？
（2）向上提水，当桶底受到水向上的压强为2.5×103Pa时，小雨对地面的压强为l×l04Pa;小雨将水桶拉离水面后，匀速拉
动过程中滑轮组的机械效率是多少？
【答案】
（1）120N
（2）85%
【解析】
（1）小雨对地面的压力为FN=p人S人=1.15×104Pa×0.04m2=460N，
人对绳子的拉力F=G人-FN=500N-460N=40N，桶和动滑轮总重G0=nF=3×40N=120N。
（2）水桶底浸在水中的的深度
，
水桶排开水的体积
，
水桶受到的浮力
，
人对地面的压力FN’=p人’S人=1×104Pa×0.04m2=400N，
人的拉力F’=G人-FN’=500N-400N=100N，
水的重力G水=nF’+FN-G0=3×100N+500N-120N=680N，
匀速拉
动过程中滑轮组的机械效率
。
五、课程小结
１．对我们来说是有益的功，我们把它叫做有用功。
在做功过程中对我们来说没有益处，但又不得不做的功，我们把它叫做额外功，把有用功与额外功的总和叫做总功。
2.用机械效率表示有用功在总功中所占的比例。
机械效率=有用功/总功
计算公式：
三者之间的关系：
W总=W有用+W额外
注意：
对于实际机械，由于总是有额外功存在，η＜1。
3.增大机械效率的方法：
（1）尽可能的使机械结构更合理，更轻巧。
（2）定期保养和润滑。
4.提高滑轮组的机械效率的主要方法有：
尽可能地增加物重，减小动滑轮重，减轻绳重和滑轮转轴处的摩擦。
六、课后作业
1、某工人用如图所示的装置把重240N的物体提高1m，所用的拉力为150N，该滑轮组的机械效率是．
【答案】80％
【解析】滑轮组是人们日常使用工具中的一种省力工具，其机械效率是衡量及其优劣的重要指标之一，滑轮组在使用过程中，重物由几股绳子承担，绳自由端移动距离就为物体移动距离的几倍，如图所示绳子股数为2股，所以
。
2、如图所示，工人将底面积为0.25m2的一箱货物装到卡车上，需要用木板搭建一个斜面。
卡车车厢底部离地的高度为1.2m，所用木板长5m。
工人沿着斜面匀速将重为1000N的货物推上车，用时1min，若该斜面的机械效率为40%，求：
（1）这箱货物平放在水平面上时，对水平面的压强有多大？
（2）工人沿斜面的推力是多少牛？
（3）工人推力所做的功率是多少瓦？
（4）货物受到斜面的摩擦力是多少牛？
【答案】
（1）4000
（2）600（3）50W（4）360N
【解析】
（1）货物平放地面时对平面的压强为p=F/S=1000N/0.25m2=4000Pa；
（2）工人推货物时对货物做的有用功W有=Gh=1200J，
则工人所做的总功W总=W有/40%=3000J，斜面长为5m，
则可得推力大小为F推=W总/5m=600N；
（3）工人推力的功率P=W总/t=3000J/60s=50W；
（4）工人所做的额外功为W额=W总-W有=1800J，
所以货物受到斜面的摩擦力f=W额/5m=360N。
3、如图，建筑工人用400N的拉力，将重1000N的物体匀速提升3m，所用时间是18s，求：
（1）工人做功的功率；
（2）滑轮组的机械效率.
【答案】⑴200W；⑵83.3﹪
【解析】⑴工人做的为功：
W总=
Fs=400N×3m×3=3.6×103J，
工人做功的功率为：
；
⑵有用功为：
W有=
Gh=1000N×3m=3×103J，
滑轮组的机械效率为：
×100﹪=
×100﹪=83.3﹪。
4、用如图所示的滑轮组提升重
的物体，动滑轮重
，使物体匀速上升
，绳重和摩擦不计，求：
（
）绳子的自由端的拉力是多大？
（
）滑轮组的机械效率是多大？
（
）若绳子能承受的最大拉力为
，求该装置最大的机械效率．
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