八年级物理提高机械的效率上海科技版知识精讲

1、PAGE 初二物理提高机械的效率上海科技版【本讲教育信息】一. 教学内容： 提高机械的效率 基本要求： 1. 理解机械效率。 2. 在实验探究过程中，要提高我们设计实验、收集实验数据、从实验中归纳科学规律等能力。 3. 在思想教育方面，要求我们要尊重实验事实，树立学好机械效率的自信心。二. 重点、难点 重点内容：对机械效率的理解。 难点内容：有关机械效率的实际问题。主要内容讲解： 1. 机械效率的引入 在上周的课中，我们曾讲过“功的引入”，照下图那样，利用杠杆提起砝码。将砝码重G、计算得出动力手的拉力F（根据杠杆原理），以及测出的砝码升高的距离h和手移动的距离S，填入下表，算出直接用手将砝码提

2、高h所做的功W1Gh和使用杠杆把它提高h所做的功W2FS。 再照上图那样利用动滑轮提起砝码，将砝码重G、计算得出动力手的拉力F（根据动滑轮省一半力），以及测出的砝码升高的距离h和手移动的距离S，也填入表中，算出直接用手将砝码提高h所做的功W1Gh和使用动滑轮把它提高h所做的功W2FS。将实验数据及计算结果填入表中。比较上述两个实验的数据，我们发现：使用任何机械都不省功。这个结论叫做功的原理。 而如果我们实际操作这个实验，也就是动力由我们去实际测量，而不由计算得出。这样我们会发现实际所用的动力都要比计算出的动力要大，动力所做的功比不用机械而直接用手所做的功要多。这是为什么呢？原来机械本身有重力，

3、而且有许多地方存在摩擦，所以必定要使实际用力比计算的力要大，从而导致动力所做的功比不用机械而直接用手所做的功（机械对物体所做的功）要多，浪费了一些功。这并不违反功的原理，因为功的原理是说使用机械不省功，当然可能是费功了。我们不测量而是计算动力、动力所做的功时，是将机械看成了理想的机械。所谓理想机械就是机械自身重可以忽略不计，且各处光滑均无摩擦的机械。而事实是我们所使用的机械都不是理想机械，必定要费功，而我们总是希望完成一件任务，费的功越少越好了。 从另外一个角度来说，我们使用简单机械，实际是人对机械做功，而在这个过程中，机械再对物体做功。这就像一个输入和输出的过程，在这个过程，输出的功总是少于

4、输入功，或者说功在这个输入和输出的过程中有损失。这是不可避免的。所以人们想尽一切办法减少这种输入输出过程中的损失。而不同的机械在做功的过程中对功的损失程度是不同的，所以对功的损失程度也反映了机械性能的好坏。 2. 三种功 要把重100N的沙子运上三楼，下图中画了三种方法，哪种方法更好呢？要比较三种方法的优劣，这就要知道我们要完成一个什么样的任务，完成这样一个任务后，我们最少要做多少功；最后我们是怎样来完成这个任务的，一共做了多少功。只有这样我们才能比较三种方法的优劣。 我们的目的是运沙子上楼，所以把重100N的沙子提高6m是我们必定要完成的，那把重100N的沙子提高6m所做的功是我们完成这个任

5、务所必不可少的，在物理学中将完成一项任务所必不可少的功叫做有用功，用“W有”来表示，这是在上题中无论采取哪种运法都必须做的功。有用功实际就是不用任何机械，人直接用手完成它所做的功；或者是机械对物体所做的功。图中的有用功是W有Gh600J。 沙子要装在桶里或口袋里，桶或口袋要由人或动滑轮提到楼上，所以要完成运沙子的有用功，还不得不做功把桶或口袋、人或动滑轮提高6m，这部分并非我们需要但又不得不做的功在物理学中称之为额外功，用“W额”来表示。这部分功主要来自于机械自身的重力、摩擦等因素。图中三种办法的额外功分别是2520J、180J、90J。 而在完成这个任务时，人所总共要做的功叫做动力功，也叫总

6、功，用“W总”来表示。总功实际就是人对机械所做的功。所以总功必定等于有用功与额外功之和。 要求同学们能根据不同的情况分析哪些是有用功，哪些是额外功。例如：用水桶从井中提水的时候，人克服水的重力所做的功就是有用功，而克服水桶和绳子的重力所做的功就是额外功；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，这种情况下对水桶所做的功就是有用功，而对水和绳子所做的功就是额外功。 3. 机械效率 任何机械本身都受到重力作用，相对运动的零件间又存在摩擦，所以使用任何机械，除了做有用功外，都不可避免地要做额外功。但是我们总想完成相同的任务时尽量少的做额外功，或者说尽量少的做总功，但总功的数量不可能比有

7、用功还少，如果是那样的话就不可能完成任务。性能好的机械将人所做的总功转化为有用功的比例较大，性能差的机械对总功的转化比例较小。总功转化成有用功的比率反映了机械性能的好坏。为了描述机械性能的好坏在物理学中引入了机械效率这个物理量。 如果人对甲机械所做的总功为100J，而它转化成的有用功是60J，那么这台机械对功的转化效率就是60%；乙机械所做的总功也是100J，而它转化成的有用功是50J，这台机械对功的转化效率就是50%。由此看来，甲机械的性能比乙机械的性能要好。看来功的转化效率就能反映机械性能的好坏。这种转化效率在物理学上称之为机械效率。从上面的例子中我们看出有用功跟总功的比值叫机械效率。 如

8、果用W总表示总功，W有用表示有用功，表示机械效率，那么 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。 例如：总功是500J，有用功是400J，机械效率就是。 起重机的机械效率是4050，滑轮组的机械效率是5070，抽水机的机械效率是6080。 提高机械效率，更充分地发挥机械设备的作用，有重要的经济意义提高机械效率的主要办法是改进结构，使它更合理、更轻巧。在使用中按照技术规程经常保养，定时润滑，使机械处于良好的运转状态，对于保持和提高机械效率也有重要作用。 现代社会是讲效率的社会，时时、事事、处处都要求高效率，以尽可能少的消耗，取得尽可能多的效益“优胜劣汰”的“优”中，高效

9、率是个重要内容。 另外： 4. 实验探究：滑轮组的机械效率 在测定滑轮组的机械效率之前，我们先来猜测一下滑轮组的机械效率是不是变化的？要是变化，可能与哪些因素有关系呢？当然同学们的猜测可能是各种各样的，究竟谁说得对，当然要靠实验来说明了。 我们先来研究一下滑轮组的机械效率与所挂的重物的重量有无关系。那我们就要组装一套滑轮组，先后挂不同质量的物体，分别测出它的机械效率，然后比较，得出结论。 要测滑轮组的机械效率，怎样才能知道机械效率呢？通过刚才讲过的机械效率的定义及公式，我们只要测量并计算出W有用和W总就可以测出滑轮组的机械效率了。而有用功就是机械对物体所做的功，也就是滑轮组克服钩码的重力所做的

10、功，所以要想测量并计算出有用功，就要测出钩码的重力G和钩码被提升的高度h，由公式W有用Gh就计算出了有用功；而总功就是人所总共做的功，也就是人对滑轮组所做的功，显然如果能测量出加在绳子自由端的拉力F和绳子自由端移动的距离S，由公式W总FS就计算出了总功。 我们有了测滑轮组机械效率的原理和思路之后，我们就要考虑要哪些器材了。除了组装滑轮组所必不可少的器材如铁架台，动定滑轮、细绳（线）、钩码之外，还要有测拉力的弹簧测力计和测高度与距离的刻度尺。 实验时应注意： （1）钩码的重由钩码的质量计算及由Gmg算出。 （2）匀速拉动弹簧秤使钩码G升高。注意“匀速拉动”。向上拉弹簧秤时，要竖直向上，不要斜向上

11、拉，否则弹簧秤的读数要增大。 （3）钩码上升的高度（h），可用竖直放置在钩码旁的刻度尺读出。 （4）细绳自由端通过的距离（S）的测定，事先在细绳与动滑轮（或定滑轮）相切处用色笔在细绳上做个记号，再拉弹簧秤，用滑轮组提升重物。用刻度尺量出钩码上升的高度后，再量细绳色点到与动滑轮（或定滑轮）相切处的距离，就是细绳自由端通过的距离（S）。 测出具体的数据后，将数据填入自己设计的表格中，计算出有用功和总功及机械效率。通过具体的测量，我们发现滑轮组的机械效率不是固定不变的，同一滑轮组，所挂的重物越重，其机械效率越高。这是为什么呢？因为所挂重物越重，机械提升重物时所做的有用功越多，但是由于所挂重物的增加使

12、其摩擦力也增大而导致其额外功的增加是很小的，因此滑轮组所挂重物越重，其有用功占总功的比率就越大，所以机械效率就高。 接下来我们来研究，用不同的滑轮组提升同一物体时，机械效率与什么有关呢？当然我们也可以通过上面的方法来测量。 在测定滑轮组的机械效率的实验中，如果不用刻度尺测量钩码和弹簧测力计挂钩（即动力作用点）移动的距离，能不能算出机械效率？答案当然是能，因为只要知道重物是由n段绳子承担的，动力作用点通过的距离S一定是重物升高距离的n倍，即Snh（不考虑绳子本身的伸长），则机械效率。例用这个公式，可以较为简单的解决机械效率的计算问题。【典型例题】 例1. 重2540牛的货物。如图1所示，滑轮组把

13、它提升1.7米。若不考虑摩擦，也不考虑滑轮和绳子的物重，则： （1）绳端拉力F是多少牛？ （2）绳端移动的距离是多少米？ （3）若考虑摩擦、滑轮和绳子的物重，须在绳端施力800牛，滑轮组的机械效率是多少？ 分析：使用滑轮组时，重物G由n段绳子承担，提起重物G所用的力F就是重物G的n分之一；由于重物G是由n段绳子承担，当重物升高h米时，绳末端移动的距离Snh米；若考虑摩擦、滑轮和绳子的物重，滑轮组的机械效率等于有用功和总功的比值。 解答：（1）绳端拉力为： （2）绳端移动的距离为Snh41.7米6.8米 （3）滑轮组的机械效率为： 说明：如何判断有用功、额外功、总功，是解机械效率有关问题的关键，

14、解题时可以用机械做功的目的来分析。凡是用机械来升高物体的，使物体升高所做的功为有用功；且有W有Gh，即有用功等于被升高的物体的重力与其提升高度的乘积。凡是动力做的功就是总功；且有W总FS，它等于力与机械在动力作用下移动的距离的乘积。而用来克服摩擦和机械自身重力所做的功为额外功。W额W总W有。 例2. 如图2所示，物体重为15000牛顿，物体与水平地面的滑动摩擦力为物体重的0.2倍，滑轮组的机械效率为80%，求物体向左匀速运动时绳的自由端的拉力是多大？ 分析：此题我们可以用机械效率的公式来解决，但不知道物体移动的距离就无法表示出有用功和总功，因此我们可以把它当作参变量引入，以帮助我们解题。 解答

15、：设物体向左移动的距离为S，直接拉物体向左移动的力的大小等于物体所受的摩擦力，则： W有用0.2GS W总F3S 所以 即绳子的自由端的拉力为1250牛顿。 说明：有些物理习题常常因缺少条件而感到困惑。其实这类习题不一定真缺少条件，只要掌握一定的技巧，问题就会迎刃而解，引入参变量就是常用的一种方法。 例3. 在测定滑轮组的机械效率时，用同一个滑轮组，第一次挂上一个钩码，第二次挂上两个钩码。假定每个钩码的质量为m，动滑轮的质量为M，不计摩擦阻力，试比较将钩码匀速提起相同高度h时两次测得的机械效率。 分析：本题综合功的原理和机械效率、重力等知识来进行计算，可利用公式W有用/W总，在不知动力F与动力

16、作用点通过的距离S的情况下，似无法确定机械效率。但不妨简化一下来考虑，在不计摩擦力的情况下，W额外可认为就是提起动滑轮所做的功，W总W有用W额外。 解法： 整理得： 显然， 说明：以上结果说明对于同一个滑轮组，它的机械效率并不是一个常数。一般说来，对于同一个滑轮组，提升较重的物体时机械效率较高，因为这时额外功改变不大，但有用功增大了。 将机械效率的定义式W有用/W总变形为 W有用/（W有用W额外） 1/（1+W额外/W有用）， 当W有用增大时，W额外/W有用减小，因而机械效率增大了。【模拟试题】（答题时间：20分钟）一. 填充题 1. 使用滑轮组提起20牛的重物，使它上升0.4米，作用在绳子自

17、由端的拉力为8牛，拉力的作用点上升了1.2米，拉力对滑轮所做的功为_焦，这个功叫_功。滑轮克服物体重力所做的功为_焦，这个功叫_功。用来克服滑轮重力和摩擦力所做的功是_焦，这个功叫_功，这个滑轮组的机械效率是_。 2. 使用任何机械都要做额外功，额外功只能_，不能_，所以机械效率总是_。 3. 要提高机械效率，关键在于减小_功。我们可以用_或_减小摩擦，还可以通过简化_结构，_机械自重等方法，来提高机械效率。 4. 如果用某个理想的简单机械做功，人对机械做了300焦的功，根据功的原理，机械对外所做的功为_焦。如果这个机械是实际机械，它的效率为80%，那么此时它对外所做的功为300焦，人对机械所

18、做的功为_焦。二. 选择题 l. 关于机械效率,下列说法中正确的是（ ） A. 做功越多机械效率越高 B. 实际生产中使用机械比不使用机械做功的效率高 C. 使用机械做功时，如不考虑机械本身重力及所引起的摩擦，那么，机械的效率是百分之百 D. 有用功与总功的比值越大，机械效率越小。 2. 某机器的机械效率的大小，正确的可能是（ ） A. 0.07%B. 82%C. 100%D. 120% 3. 某人用手将一物体竖直举高3米和用机械效率为80的动滑轮将它升高3米，比较这两种情况下人所做的功，用动滑轮使物体上升做的功多，用手竖直举高物体做的功多（ ） A. 用动滑轮使物体上升做的功多 B. 用手竖直举高物体做的功多 C. 两种情况做的功一样多 D. 无法比较 4. 使用机械效率高的机械，一定（ ） A. 省距离B. 省时间C. 省力