12-3 机械效率 教学设计 初中物理新人教版八年级下册（2022~2023学年）

12.3机械效率年级八年级授课时间课题第3节机械效率教学目标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。教材分析机械效率是衡量机械性能的重要指标，也是学习其他效率，如热机效率的基础，具有十分重要的现实意义。本节由“有用功和额外功”和“机械效率”两部分构成，其中机械效率是本节重点。教学中要通过实例仔细分析有用功、额外功和总功，以便学生真正认识机械效率的含义。测量滑轮组的机械效率是本节的难点。教学中要组织学生经历测量的全过程，如让学生经历组装实验装置、测量数据、得出结论的过程，既能激发他们的学习兴趣，又能增加实践体验。可以让学生课后收集有关机械使用历史发展的资料，通过汇报、讨论、交流等多种形式，认识机械的使用对社会发展的作用，体现“注意学科渗透，关心科技发展”的课程理念。教学器材教学过程教师活动学生活动导入新课【提出问题】①在生活中，我们经常听到与“效率”有关的一词：学习效率、工作效率等等，你知道它们的含义吗？生活中的“效率”有多种含义，通常理解为单位时间完成的工作量。在物理学中，有一个概念叫做“机械效率”，你知道它的含义吗？②要把重100N的大米运上三楼，图中画了三种办法。哪种办法最好，哪种办法最不好？学习今天的知识你就明白了——《12.3机械效率》。学习新课一、有用功和额外功【提出问题】不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是否相同吗？1.使用动滑轮是否省功？【演示实验】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，读出弹簧测力计的示数并计算出拉力所做的功。②如图乙所示，利用动滑轮将同样的钩码缓慢地提升相同的高度，读出弹簧测力计的示数并计算出拉力所做的功。拉力F/N20.10.21.20.20.24【分析论证】①直接用弹簧测力计提升2个钩码所作的功W1=F1S1=2N×0.1m=0.2J②用动滑轮提升2个钩码所做的功W2=F2S2=1.2N×0.2m=0.24J实验结论：使用动滑轮提升重物比直接用手提升重物并不省功。2.机械的三种功【提出问题】在上述实验中，为什么使用动滑轮提升重物非但不省功，还要费功呢？人做的功哪些是有用的？哪些是无用的？【讲解】①有用功W有用：提升钩码是目的，有利用价值，对钩码做的功是对人们有用的功叫做有用功。②额外功W额：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做额外功。③总功W总：有用功跟额外功的总和叫总功W总=W有+W额。【提出问题】②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，这种情况下哪部分是有用功，哪部分是额外功？【分析】①用水桶从井中提水的时候，提水所做的功是有用功；提桶所做的功是额外功。②如果桶掉到井里，从井里捞桶的时候，提桶所做的功是有用功；提水所做的功是额外功。【播放视频】——《有用功和额外功》【例题1】水桶掉进水里，打捞时桶里带了些水，下列关于做功的说法中正确的是（）A．对桶所做的功是有用功 B．对桶所做的功是额外功C．对水所做的功是有用功 D．对水所做的功是总功【答案】A。【解析】水桶掉进水里，我们的目的就是为了把桶提上来，所以对桶做的功为有用功；但水桶里面有一些水，又不得不对水做功，所以对水做的功为额外功；手对绳子的拉力做的功，包括对水做的功、对桶做的功和对绳子做的功为总功，故BCD错误，A正确。有用功、额外功与总功的含义学习新课二、机械效率【提出问题】要把重100N的大米运上三楼。图中用了三种方法，怎样比较哪种方法好？1.比较做功的效率【组织学生分别计算出三种情况下的有用功、额外功和总功】①人走楼梯提大米做功情况克服自重做功W人=Gh=400N×6m=2400J总功W=W米+W桶+W人=600J+120J+2400J=3120J②人用动滑轮和桶提大米做功情况对动滑轮做功W动=Gh=10N×6m=60J总功W=W米+W桶+W动=600J+120J+60J=780J③人用动滑轮与口袋提大米做功情况对动滑轮做功W动=Gh=10N×6m=60J总功W=W米+W口袋+W动=600J+30J+60J=690J【提出问题】三种情况下有用功和总功分别是多少？有用功在总功中占的百分比是多少？做功形式人走楼梯用动滑轮和桶用动滑轮和口袋有用功W有/J600600600额外功W额/J243018090总功W总/J3120780690W有/W总19.5%77%87%引导学生分别计算出三次中有用功与总功的比值，归纳出结论。【结论】EQ\F(W有,W总)越大，效率越高，第三种方法效率最高。2.机械效率①物理学中，将有用功跟总功的比值叫做机械效率。η＝EQ\F(W有,W总)注：机械效率只有大小，没有单位。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。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。③一些机器的机械效率3.一些简单机械的机械效率【引导学生进行以下简单机械效率的推导计算】①杠杆W有用=Gh，W总=FS，机械效率η＝EQ\F(W有,W总)＝EQ\F(Gh,Fs)＝EQ\F(G,nF)η＝EQ\F(W有,W总)＝EQ\F(Gh,Gh+G动h)＝EQ\F(G,G+G动)＝EQ\F(1,1+EQ\F(G动,G))η＝EQ\F(W有,W总)＝EQ\F(fs,Fs)＝EQ\F(f,nF)W有用=Gh，总功为W总=Fl额外功为克服斜面与物体之间的摩擦力做的功：W额=fl机械效率η＝EQ\F(W有,W总)＝EQ\F(Gh,Fl)＝EQ\F(Gh,Gh+fl)【学生实验】4.测量滑轮组的机械效率【实验原理】η＝EQ\F(Gh,Fs)（1）探究滑轮组的机械效率与物体重力的关系【实验步骤】②如图乙，匀速竖直缓慢拉动弹簧测力计，使钩码缓慢上升，读出拉力F的值，并用刻度尺测出钩码上升的高度h和绳端移动的距离s。③算出有用功W有用、总功W总、机械效率η

④改变钩码的数量，再做两次上面的实验。甲甲乙11.00.10.100.550.30.16560.6%21.50.10.150.700.30.21071.4%32.00.10.200.850.30.25578.4%【分析论证】发现三次的机械效率不同。同一滑轮组，钩码的重力越大，机械效率越高。实验结论：同一滑轮组，提升物体的重力越大，机械效率越高。（2）探究滑轮组的机械效率与动滑轮重力的关系【实验步骤】①按照图甲安装滑轮组，用弹簧测力计测量动滑轮A重力GA，分别记下钩码和绳端的位置。②匀速缓慢拉动弹簧测力计，使钩码升高，读出拉力F的值，用刻度尺测出钩码上升的高度h和绳端移动的距离s，将测量数据填入表格。③如图乙所示，改变动滑轮的重力，换用动滑轮B，重复上述实验。④算出有用功W有、总功W总、机械效率η，并填入表格。η＝EQ\F(W有,W总)＝EQ\F(Gh,Fs)＝EQ\F(G,nF)【答案】B。【解析】ACD．用滑轮组竖直向上匀速提升重物时，有用功为W有用=G物h，不计绳重和摩擦，额外功为：W额=G动h，总功为W总=W有用+W额=G物h+G动h则滑轮组的机械效率为η＝EQ\F(W有,W总)＝EQ\F(G物h,G物h+G动h)＝EQ\F(G物,G物+G动)＝EQ\F(1,1+EQ\F(G动,G物))由此可知，滑轮组机械效率的高低与重物上升的高度、增大绳子自由端移动的距离和增大绳子自由端的拉力无关，故ACD不符合题意；B．由以上分析可知，减小动滑轮的重力，可减小额外功，能提高滑轮组的机械效率，故B符合题意。图2图2图3【例题3】如图3所示，斜面与水平地面夹角为30°，某快递员用500N的力，将重800N的货物沿斜面匀速推上车厢，不考虑斜面形变，货物所受摩擦力方向沿斜面向___；斜面的机械效率为_____。不改变斜面与地面夹角和货物质量，采用______________的方法可以提高斜面的机械效率。【答案】上，80%，减小接触面的粗糙程度。【解析】货物相对斜面向上运动，所受的斜面的摩擦力沿斜面向下。如图所示，斜面的长度为l，其高度h=0.5l，斜面的机械效率η＝EQ\F(W有,W总)＝EQ\F(Gh,Fl)＝EQ\F(G×0.5l,Fl)×100%＝EQ\F(800N×0.5,500N)×100%=80%斜面与地面夹角和货物质量不变，即有用功保持不变，可通过减少额外功来提高斜面的机械效率。所以可通过减小接触面的粗糙程度来减小摩擦，来提高机械效率。【例题4】如图甲是某学习小组“测量滑轮组的机械效率”的示意图（不计绳重和摩擦）。①实验中，用弹簧测力计竖直向上___________拉动绳子自由端，将重为4.8N的物体从A位置提升到A′位置，同时弹簧测力计从图中的B位置上升到B′位置，此过程中，弹簧测力计的示数如图乙所示；②该滑轮组的机械效率η=______；③若在图甲装置的基础上，增加一个动滑轮，改为图丙所示的装置，提升同一物体，则测得滑轮组的机械效率_______（选填“变大”、“变小”或“不变”）。【答案】A。【解析】①实验中应该用弹簧测力计竖直向上匀速直线拉动绳子自由端，此时系统为平衡状态，测力计示数等于拉力的大小。②由图知，测力计从B位置匀速提升到B′位置，测力计上升的高度为s=30.0cm-15.0cm=15.0cm=0.15m有3段绳子拉着动滑轮，n=3，则物体上升的高度为h=5.0cm=0.05m由图可知，测力计的示数为2N；该滑轮组的机械效率为η＝EQ\F(W有,W总)＝EQ\F(Gh,Fs)＝EQ\F(4.8N×0.05m,2N×0.15m)×100%=80%③若在图甲装置的基础上，增加一个动滑轮，改为图丙所示的装置，提升同物体，此时有用功不变，克服动滑轮重力所做的额外功变大，总功变大，故滑轮组的机械效率会变小。计算三种情况下有用功在总功中占的百分比是多少，从而引出机械效率的概念。建立机械效率的概念，理解物理意义。了解一些机器的效率。收集证据、分析数据，归纳出机械效率与动滑轮的重力的关系。课堂练习课堂练习1．升旗过程中，克服旗的重力做的功是_______，克服摩擦力做的功是______；人对绳子拉力做的功是_______(均选填“有用功”、“额外功”或“总功”)。【答案】有用功，额外功，总功。【解析】升旗过程中，克服旗的重力做的功是有用功，克服摩擦力做的功是额外功；人对绳子拉力做的功是总功。2．关于机械效率，下列说法中正确的是 （）A．做有用功多的机械效率一定高B．做总功多的机械效率一定高C．做额外功少的机械效率一定高D．在总功中有用功所占比例大的机械效率高【答案】D。【解析】机械效率η＝EQ\F(W有,W总)，其大小取决于有用功与总功的比值。只看有用功或总功都无法比较大小。有用功在总功中所占比例大的机械效率高。所以选D。3.用绳子将钩码提升至一定的高度，如图2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【答案】A。【解析】用绳子将钩码提升一定的高度，此过程做的有用功是提升钩码所做的功。图2图图2图34.工人用如图3所示的机械将物体匀速提升到某一高度，若物体的重力与滑轮的重力之比G物∶G滑轮=9∶1，忽略绳重与摩擦的影响，则机械效率为（）A．10%B．45%C．80%D．90%【答案】D。【解析】不计绳重与摩擦的影响，则机械效率为η＝EQ\F(W有,W总)＝EQ\F(G物h,G物h+G动h)＝EQ\F(G物,G物+G动)＝EQ\F(9G动,9G动+G动)=90%5.如图4所示，为使重为1500N的物体匀速运动到长100m的斜面顶端，若斜面的高为10m。需用180N的推力，则这个斜面的机械效率是多少？【答案】20，200.【解析】W有用=Gh=1500N×10m=15000JW总=Fs=180N×100m=18000Jη＝EQ\F(W有,W总)＝EQ\F(15000J,18000J)×100%=83.3%6.如图5所示，小明用滑轮组把质量为54kg的重物匀速提升了1m．此过程中，绳子自由端的拉力做功为675J，绳子自由端的拉力为______N，该滑轮组的机械效率为_______。（g取10N/kg）【答案】225，80%.【解析】由图可知，n＝3，重物匀速提升了h=1m，则绳子自由端移动的距离s=3m，拉力做的总功W总＝Fs则拉力F＝W总/s=675J/3m＝225NW有＝Gh＝mgh＝54kg×10N/kg＝540J滑轮组的机械效率η＝EQ\F(W有,W总)＝EQ\F(540J,675J)×100%=80%图图4图5图67．工人利用如图6所示的滑轮组将重900N的物体竖直向上匀速提升0.5m，工人所用的拉力F为600N，不计摩擦和绳重，求：①人的拉力做的功为多少J？②此滑轮组的机械效率为多少？③若用此滑轮组提升重为1500N的物体，绳上的拉力是多少N？【答案】①600J；②75%；③900N.【解析】①由图知n＝2，拉力端移动距离s=2h=2×0.5m=1m拉力做的总功W总＝Fs＝600N×1m＝600J.②工人做的有用功W有＝Gh＝900N×0.5m＝450J滑轮组的机械效率η=W有/W总=450J/600J×100%=75%.③由于不计摩擦和绳重，拉力F＝（G物＋G动）/2所用动滑轮的重G动＝2F-G＝2×600N-900N＝300N若用此滑轮组提升1500N的重物，此时拉力F′＝(G物′＋G动)/2＝(1500N＋300N)/2＝900N.8.如图所示，在20N的水平拉力F作用下，重200N的物体沿水平面向左做匀速直线运动，物体与地面间的滑动摩擦力为48N。则：①滑轮组的机械效率为多少？②若物体的速度为0.2m/s，则拉力做功的功率是多少？【答案】①80%；②12W【解析】①由图可知，n＝3，滑轮组的机械效率η=W有

W总②功率P＝Fv＝20N×3×0.2m/s＝12W.9.如图用同一滑轮组分别将两个不同的物体A和B匀速提升相同的高度，不计绳重和摩擦的影响，提升A的过程滑轮组的机械效率较大，则下列判断正确的是（）①提升A的拉力较大②A物体比B物体轻③提升A做的有用功较多④提升A所做的额外功较少A．只有①③B．只有②④ C．只有②③D．只有①④【答案】B.【解析】②滑轮组的机械效率η=W有

因为ηA①绳子的拉力F=因为GA③提升物体做的有用功为W有＝Gh因为GA④不计绳重和摩擦，额外功指的是克服动滑轮做功，根据W额＝G动h可知，W额A=W综上所述，只有①③正确，所以选A。10.小明和小强在测“滑轮组机械效率”的实验中，组装好如图所示实验装置，他们分别记下了钩码和弹簧测力计的位置。钩码重钩码重G/N弹簧测力计提升的高度s/m有用功W有用/J总功W总/J机械效率η10.20.10.1100%（1）实验时，小明________竖直向上拉动弹簧测力计，使钩码升高，弹簧测力计读数为0.5N；同时小强也用刻度尺测出钩码被提升的高度为10cm，以上测量结果准确无误，其他被测物理量和计算数据记录如表；（2）小明