【核心素养】342简单机械-浙教版科学九上探究学案

3.4.2简单机械核心素养核心素养化学观念：区分定滑轮和动滑轮，了解其特点及实质;了解滑轮组的特点;能正确判断有用功、额外功和总功，知道机械效率的公式及计算;知道斜面是一种简单机械。科学思维:归纳定滑轮和动滑轮的特点;经历从具体到抽象的研究过程，学会比较。会应用公式进行简单计算。经历从具体到抽象的研究过程，学会比较。会应用公式进行简单计算。科学探究与实践:通过利用滑轮提升重物的活动，培养学生动手操作观察和描述的能力:通过画图的方法寻找滑轮的五要素，能得出滑轮的实质就是杠杆的结论。在探究滑轮组机械效率中，分析总结简单机械的效率。科学态度与责任:学会合作和交流，体验成功探究带来的乐趣，感悟生活中处处有科学通过学习体会提高机械效率对节约能源和促进社会发展的重要意义。课前预习课前预习1.定滑轮:滑轮轴固定不动;动滑轮:滑轮轴随钩码一起移动。2.定滑轮实质是等臂杠杆，只能改变力的方向，不能改变力的大小。不省力也不省距离。改变力的方向不会改变力的大小。动滑轮实质上是一个动力臂为阻力臂2倍的省力杠杆。省力费距离。不能改变力的方向。若力的方向不与动滑轮直径垂直，则省的力小于一半，不是最省力的方法。动力移动的距离大于钩码上升的距离。3.竖直拉物体:自由端拉力F和总重力G的关系是绳子自由端移动的距离s与物体上升的高度h的关系是S=nh自由端移动速度V自和物体移动速度V物的关系V自=nV物水平拉物体:自由端拉力F和摩擦力f的关系是绳子白由端移动的距离S自与物体移动距离s物的关系是S自=nS物自由端移动速度V自和物体移动速度V物的关系V自=nV物注意:n为围绕动滑轮上绳子的股数。4.为了达到某一目的必须要做的功，叫做有用功，用W有表示；利用机械时，人们不得不额外做的功叫做额外功，用W额表示;有用功与额外功的和为总功，用W表示。W总=W有+W额。5.科学上把有用功跟总功的比值叫做机械效率，6.提高机械效率的方法:增加有用功，如在机械能承受的范围内增加每次提起重物的重力;减小额外功，如改进结构使机械更合理、更轻巧，尽量减小摩擦力等7.斜面的机械效率为8.粗糙程度相同的斜面，斜面倾斜程度越大，斜面的机械效率越高。若斜面光滑无摩擦，则无额外功,有用功等于总功。课中研学课中研学任务一:探究滑轮【活动1】1．观察滑轮，并指出它的结构特点。2．请用滑轮、细线、铁架台等设计两种方案，要求利用滑轮把钩码提升起来，在图345中画出实验装置示意图。3．利用设计的方案，组装好装置，提升钩码。【答案】使用滑轮工作时,根据滑轮轴的位置是否移动,可将滑轮分成定滑轮和动滑轮两类。【活动2】1．如图346甲所示，用弹簧测力计测出钩码的重G1。2．如图346乙所示，通过定滑轮用弹簧测力计匀速向下拉动钩码，记录弹簧测力计的读数F1，并与钩码的重相比较。改变拉力的方向，如图346丙所示，观察弹簧测力计的读数是否发生变化？3．先用弹簧测力计测出钩码和滑轮的总重G2。如图346丁所示，通过动滑轮用弹簧测力计匀速向上拉动钩码，记录弹簧测力计的读数F2，并与钩码和滑轮的总重相比较。同时注意观察F2拉过距离s与重物上升高度h间的关系。【答案】改变拉力方向，拉力依然为F1，力的大小不变。由此可知:使用定滑轮不能省力，但能够改变力的作用方向。F2=1/2G2S=2h由此可知使用动滑轮可以省一半力，但不能改变力的作用方向，而且动力移动的距离大于钩码上升的距离(费距离)。【活动3】1．用弹簧测力计测出钩码和动滑轮的总重G。

2．按如图348甲所示方式匀速拉动绳子，记录此时承担重物和动滑轮总重的绳子股数和弹簧测力计的读数F1。

3．按如图348乙所示方式匀速拉动绳子，记录此时承担重物和动滑轮总重的绳子股数和弹簧测力计的读数F。实验钩码和动滑轮的总重

（牛）承重绳子股数弹簧测力计的拉力

（牛）甲乙【答案】实验钩码和动滑轮的总重

（牛）承重绳子股数弹簧测力计的拉力

（牛）甲441.0乙450.8分析实验数据可以得出,在忽略摩擦、绳重及实验误差的条件下,弹簧测力计的示数F与钩码的重G以及动滑轮的重G0的关系为,即重物与动滑轮的总重由几股绳子承担,提起重物所用的力就是总重的几分之一。【思考与讨论】杠杆、滑轮等简单机械，有的省力、有的不省力，使用它们时，有的可以少移动距离，有的却要多移动距离。在使用简单机械时，你认为省力或费力、省距离或费距离，它们之间有什么关系？【答案】省力的机械一定费距离，费力的机械一定省距离。【例题】缠绕滑轮的绳子能承受的最大拉力为300牛，用它连接成如图349所示的滑轮组，能否提升600牛的重物？（已知动滑轮重20牛，摩擦及绳的质量不计）解：在图349所示的滑轮组中，重物和动滑轮的总重G＝600牛＋20牛＝620牛。因为总重是由2股绳子承担，所以，所用的拉力为：F=1/2G=620牛/2=310牛可见，拉力大于绳子所能承受的最大拉力，所以不能用来提升600牛的重物。答：该滑轮组不能用来提升600牛的重物。任务二:探究机械效率【思考与讨论1】1．在用动滑轮提升重物的过程中，除了克服动滑轮自重和摩擦力所做的额外功外，还需要做哪些额外功？你希望额外功大一些还是小一些？2．请从功是能量转化的量度的角度，对有用功、额外功和总功进行分析。怎样描述机械工作时能量的利用率？【答案】1.所做的额外功还有克服绳子的重力和盛重物的器具的重力所做的功。我希望额外功小一些。2.在用机械提升重物时,人提供的能量(总功)一部分转化为重物增加的势能(有用功)，一部分转化为动滑轮增加的势能和克服摩擦产生的内能(额外功)。对我们有用的仅占了总能量的一部分,我们可以用有用功在总功中所占的比例大小来描述机械工作时能量的利用率。【思考与讨论2】机械功率与机械效率有什么区别？【答案】物理量机械效率机械功率定义有用功跟总功的比值单位时间里完成的功表达式P=W/t相关因素有用功W有用、总功W总功W、完成功所用的时间t物理意义反映机械性能的好坏反映做功的快慢说明机械效率与机械功率之间没有关系【活动】1．如图352所示，将1块长木板的一端垫高，构成一个斜面，用刻度尺测出斜面的长s和斜面的高度h。2．用弹簧测力计测出小车的重力。3．用弹簧测力计沿着斜面把小车从斜面底端匀速拉到顶端，读出弹簧测力计的读数。4．改变斜面的倾斜程度，重复上述步骤2次。5．将测量结果记录在下面的表格中。表33测量斜面的机械效率斜面的倾斜程度小车重力G（牛）斜面高度h（米）沿斜面拉力F（牛）斜面长s（米）有用功W有用（焦）总功W总（焦）机械效率η较缓较陡最陡【答案】斜面的倾斜程度小车重力G（牛）斜面高度h（米）沿斜面拉力F（牛）斜面长s（米）有用功W有用（焦）总功W总（焦）机械效率η较缓20.10.60.50.20.367%较陡2.0.210.50.40.580%最陡20.31.40.50.60.786%结论:对于光滑程度相同的斜面,倾斜程度越大，机械效率越高。斜面的机械效率为课堂任务课堂任务总结本节的概念，梳理概念之间的联系，画出思维导图。课后练习课后练习1.如图所示，下列滑轮使用过程中（不计摩擦、滑轮重力和绳重）可以省力的是（）A．B．C．D．【答案】B【解析】【分析】根据定滑轮和动滑轮的特点分析判断。

【解答】ACD.定滑轮不省力不费力，故A、C、D不合题意；

B.动滑轮会省一半的力，故B符合题意。

故选B。2.如图所示，分别用力F1、F2、F3匀速提起重物A，若不计摩擦，关于三个力的大小关系，下列选项中正确的是（）A．F1＝F2＝F3 B．F1＞F2＞F3 C．F2＞F1＝F3 D．F1＜F2＜F3【解答】解：因为定滑轮相当于一等臂杠杆，只能改变力的方向，而不省力，故定滑轮拉同一重物G，不计摩擦，沿三个不同方向，用的拉力大小相等，即F1、F2、F3都等于物体的重力。故A正确，BCD错误。故选：A。3.如图所示，不计摩擦，把重G=16N的物体匀速提起所用的拉力F=10N，则关于该动滑轮的说法中错误的是（）A．动滑轮重4NB．使用该动滑轮要费距离C．该动滑轮的机械效率为80%D．提升物体的速度越快，机械效率越高【答案】D【解析】（1）已知拉力和物体的重力根据公式G动=2FG计算即可；

（2）动滑轮不能改变力的方向，但可以省力；

（3）已知拉力和物体重力根据公式η=G2F计算动滑轮的机械效率；

（4）根据公式η=W有W额=W有W有+W额=GG+G动可知，动滑轮的机械效率只与物体重力和动滑轮的重力有关，与其它因素无关。

4.现有史籍中最早讨论滑轮的是《墨经》。书中将向上提举重物的力称为“挈”，将自由往下降落称为“收”，将整个滑轮称为“绳制”（图1）。现分别用甲、乙两个力替代“收”（图2），使重物在相同的时间内匀速上升相同高度。不计绳重和摩擦，下列说法正确的是（）A．使用这个滑轮能省力B．甲拉力大小等于乙拉力大小C．甲拉力做的功大于乙拉力做的功D．甲拉力使绳自由端移动的速度小于乙拉力使绳自由端移动的速度【答案】B【解析】【分析】A.由图可知，图中的滑轮是定滑轮，使用定滑轮只能改变力的方向，不能省力，由此得出结论；

B.定滑轮是等臂杠杆，由于阻力和阻力臂不变，动力臂都等于滑轮的半径，根据杠杆的平衡条件可得出结论；

C.由题意可知，重物上升的距离相同；在使用定滑轮中，绳子移动的距离等于重物上升的距离；由于甲、乙拉力大小相等，根据W=Fs可知甲、乙拉力做功的大小，由此可得出结论；

D.由题意可知，重物在相同时间内上升的距离相同；在使用定滑轮中，绳子移动的距离等于重物上升的距离，由此可得出结论。

【解答】A.由图可知，图中的滑轮是定滑轮，使用定滑轮只能改变力的方向，不能省力，故A错误；

B.定滑轮是等臂杠杆，由于阻力和阻力臂不变，动力臂都等于滑轮的半径，即甲、乙拉力的力臂相等，根据杠杆的平衡条件F1l1=F2l2，可知，甲拉力大小等于乙拉力的大小，故B正确；

C.由题意可知，重物上升的距离相同；在使用定滑轮中，绳子移到的距离等于重物上升的距离；由于甲、乙拉力大小相等，根据W=Fs可知甲、乙拉力做功的大小相等，故C错误；

D.由题意可知，重物在相同时间内上升的距离相同，即重物上升的速度相同；在使用定滑轮中，绳子移动的距离等于重物上升的距离，绳子移动的时间和重物上升的时间相同，根据v=st5.小明用如图装置“测量大气压”时，发现弹簧秤的量程太小，无法拉开紧贴在地面上的吸盘，于是他加了一个轻质滑轮，若不计滑轮自重和摩擦，下列操作最有可能完成实验的是（）A．B．C．D．【解答】解：AB、AB图中两个滑轮均为定滑轮，定滑轮不省力，只能改变力的方向，故AB错误；C、滑轮作为动滑轮使用，不计滑轮自重和摩擦，能省一半的力，故C正确；D、滑轮作为动滑轮使用，弹簧测力计作用在滑轮轴上，不计滑轮自重和摩擦，弹簧测力计拉力为绳子拉力的2倍，故D错误。故选：C。6.在野外用滑轮组拉越野车脱困时的情景如图所示，有关力的分析正确的是（）A．车对地面的压力与车的重力是一对平衡力B．车拉滑轮组的力与滑轮组对车的拉力是一对平衡力C．脱困必需2400N的拉力时，绳索自由端的力F至少为1200ND．脱困必需2400N的拉力时，绳索自由端的力F至少为800N【答案】C【解析】AB.平衡力的条件：大小相等、方向相反、作用在同一直线和同一物体上；

CD.根据图片确定动滑轮上承担拉力的绳子段数n，根据F=nF拉计算绳索的拉力。

【解答】A.车对地面的压力与车的重力，二者的方向都是竖直向下的，二者不是平衡力，故A错误；

B.车拉滑轮组的力作用在滑轮组上，而滑轮组对车的拉力作用在车上，二者没有作用在同一物体上，不是平衡力，故B错误；

CD.根据图片可知，滑轮组上承担拉力的绳子段数n=2，则绳子自由端的拉力为：F拉=F7.如图所示，用下列装置提升同一重物，若不计滑轮自重及摩擦，则最省力的是（）A．B．C．D．【答案】C【解析】【解答】解：A、此图是动滑轮，由动滑轮及其工作特点可知，省一半的力，即F=12B、此图是定滑轮，由定滑轮及其工作特点可知，不省力，即F=G；C、此图是滑轮组，绕在动滑轮上的绳子由3股，则F=13D、此图是滑轮组，绕在动滑轮上的绳子由2股，则F=12由以上可知：在滑轮重及摩擦不计的情况下最省力的是C．故选C【分析】根据滑轮组绳子拉力的计算，定滑轮及其工作特点和动滑轮及其工作特点对各个选项注意分析即可8.一个滑轮组经改进后提高了机械效率,用它把同一物体匀速提升同样的高度，改进后与改进前相比（）A．有用功减少，总功减少 B．有用功增加，总功增加C．有用功不变，总功不变 D．有用功不变，总功减少【答案】D【解析】【分析】根据W有=Gh比较有用功的大小，根据公式η=W【解答】同一物体的重力相等，提升相同的高度h，根据公式W有=Gh可知，有用功不变；根据公式η=W有W9.用如上图甲所示的滑轮组缓慢提升不同物体每次物体被提升的高度均为0.5m，滑轮组的机械效率与物体受到重力的关系如图乙所示，不计绳重和摩擦，下列分析正确的是(

)A.动滑轮的重力为5N

B.该滑轮组的机械效率可以达到100%

C.滑轮组的机械效率越高，拉力做功越少

D.每次提升重物时，滑轮组做的额外功为5J【答案】D【解析】A.由图乙可知，提升物重G=10N时，滑轮组的机械效率η=50%，

不计绳重和摩擦，根据滑轮组的机械效率η=W有用W总=GℎGℎ+G动ℎ=GG+G动得到：10N10.“建设美丽城市，优化市内交通”，宁波市计划建设地铁五号线。地铁的建造过程需要大型机械——盾构机。如图是地铁建设施工挖隧道的盾构机正面，下列关于工作中的盾构机说法正确的是（）A．做的功越多，机械效率越高 B．做功多的盾构机，功率大 C．延长工作时间，可提高机械效率 D．做功越快的盾构机，功率越大【解答】解：A、根据η=WB、根据P=WC、工作时间对机械效率没有影响，故C错误；D、功率是表示物体做功快慢的物理量，故D正确。故选D。11.工人要把货物搬到汽车上，如图所示，用400牛的拉力，将重为500牛的物体，在5秒内匀速拉上1米高的车内，木板长为2米。则下列说法正确的是（）A．拉力做的有用功为400焦 B．拉力做的总功为1000焦C．拉力做的额外功为200焦 D．斜面对物体的摩擦力为150牛【答案】D【解析】A．拉力做的有用功W有=Gh=500N×1m=500J故A错误；B．拉力做的总功W总=Fs=400N×2m=800J故B错误；C．拉力做的额外功为W额=W总W有=800J500J=300J故C错误；D．斜面对物体的摩擦力为故D正确。12.螺丝钉是被拧成圆柱形的斜面，螺丝钉上的螺纹就像图甲中形成的纹路，一圈圈螺纹的长相当于斜面的长度。仔细观察如图乙、丙所示的两个螺丝钉，则（）A．乙更省力 B．丙更省力C．乙、丙省力情况相同 D．乙、丙都能省功【答案】A【解析】【分析】根据功的原理可知，使用任何机械都不能省功，斜面越长越省力。

【解答】拧相同的深度时，做的功多少相同，斜面越长越省力，由图示可知乙的斜面最长，用的力最小，故A符合题意，BCD不符合题意。

故答案为：A13.质量为m的同一物体，先用滑轮组（如图甲）匀速提升，后沿斜面（如图乙）匀速拉升，两次物体提升高度均为h，两次拉力大小均为0.8mg，斜面长AB＝2h，则两次提升物体的机械效率（）A．η甲＞η乙 B．η甲＜η乙 C．η甲＝η乙 D．条件不足无法判断【解答】解：两次提升物体时，提升物体的高度相同，根据W有＝Gh可知，有用功相同；由图可知，提升物体绳子的条数为2，则自由端移动的距离s＝2h；物体在斜面通过的距离为AB＝2h，根据W总＝Fs可知，拉力做的总功相同；由η=W有W总×100%可知，两次提升物体的机械效率相等，即η故选：C。14.如图1所示，甲物体重3N，乙物体重10N，用绳绕过定滑轮相连（不计绳重与摩擦）。乙静止于水平地面上，则a绳对甲的拉力为___________N。（2）在分析b绳对乙的拉力时，小明认为是3N，小慧认为是7N。小明做了以下实验：用弹簧测力计测出某物体的重力（如图2）；然后将绳子靠着定滑轮（不计绳重与摩擦），如图3所示，弹簧测力计依次放在A、B、C、D位置时，其示数保持不变。由此可见，定滑轮的特点是_________。【答案】3

能改变力的方向，但不改变力的大小【解析】（1）根据图1可知，物体甲绳子向上的拉力，受到竖直向下的重力。由于甲处于静止状态，那么拉力和重力平衡，即a绳对甲的拉力F=G甲=3N（2）根据图3可知，无论测力计沿哪个方向，其示数都不变，因此定滑轮不能省力。直接拉动物体时方向向上，而使用定滑轮时拉力方向向下，即定滑轮可以改变力的方向。则定滑轮的特点为：能改变力的方向，但不改变力的大小。15.如图所示，当拉力F为5牛时，木块以0.2米/秒的速度向右做匀速直线运动。该滑轮是________（选填“定滑轮”或“动滑轮”），此时，木块受到的摩擦力为________牛，拉力F的功率是________。（滑轮重、绳重及滑轮摩擦均不计）【答案】动滑轮

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2W【解析】[1]当物体向右运动时，滑轮的轴随着物体一块向右运动，该滑轮是动滑轮。[2]滑轮重、绳重及滑轮摩擦均不计，木块受到的摩擦力f=2F=2×5N=10N[3]拉力的速度v=2v物=2×0.2m/s=0.4m/s拉力F的功率16.在探究动滑轮使用特点的实验中，各小组按照如图中所示的实验器材进行实验，每个小组的实验器材都相同，每次都匀速提起钩码，实验中不计绳重和摩擦。（1）由所学知识我们知道：使用动滑轮可以省一半的力，根据A、B两图求出他们所用动滑轮的重力为N。（2）比较B、C、D三图可知，使用动滑轮匀速提起同一重物时的拉力大小可能会不同，其拉力大小不同的原因是。（3）根据如果家里安装日光灯，你认为更合理的是。【解答】解：（1）由A、B两图实验数据可知G＝2.0N，F＝1.1N；不计绳重和摩擦，由动滑轮的特点可得：F=12（G+G则动滑轮的重力为：G动＝2F﹣G＝2×1.1N﹣2.0N＝0.2N；（2）分析B、C、D三图的实验数据可知，使用动滑轮匀速提起同一重物时，测力计与竖直方向夹角不同，拉力的大小不同，并且拉力与竖直方向夹角越大，拉力也越大；（3）根据（2）得出的结论“拉力与竖直方向夹角越大，拉力也越大”可知，图乙绳子承受的拉力大，应该选用甲图比较合理。故答案为：（1）0.2；（2）拉力与竖直方向夹角不同；（3）甲。17.如图所示，小Q同学重G人=600牛，物体重G物=1000N，动滑轮重G动=200N，他站在地面上拉绳子的一端，使物体以1m/s的速度匀速上升2m（绳重和摩擦不计）。（1）小Q在绳子上所施加的拉力；（2）小Q拉力所做的总功；（3）求小Q同学使用该机械提升重物时的最大机械效率。【答案】（1）由图可知，承担重力的绳子段数n=3，绳重和摩擦不计，则小Q在绳子上所施加的拉力：F=13（G物+G动）=1（2）绳重和摩擦不计，克服动滑轮重力做的功为额外功，

拉力做的总功：W总=（G物+G动）h=（1000N+200N）×2m=2400J；（3）小Q同学的重力为600N，为了避免绳子将人拉上去，则该同学对绳子的最大拉力为：F'=G人=600N，

根据F'=1n（G'+G动）可得，提升物体的最大重力为：G'=nF'G动=3×600N200N=1600N；

该滑轮组的最大机械效率：η【解析】（1）根据图片确定承担重力的绳子段数n，再根据F=13（G物+G动）求出人施加的拉力；

（2）绳重和摩擦不计，克服动滑轮重力做的功为额外功，根据W总=（G物+G动）h求出拉力做的总功；

（3）小Q同学的重力为600N，则该同学对绳子的最大拉力为：F'=G人=600N，根据F'=13（G'+G18.如图所示，在两个等长、等高但材质不同的甲、乙斜面上，用平行于斜面的拉力F，分别将质量为m和2m的A、B两物体从斜面底部匀速拉到顶端。此过程中，甲、乙两斜面上的拉力F所做的功分别为W甲、W乙，斜面的机械效率分别为η甲、η乙，物体在斜面上受到的摩擦力分别为f甲、f乙，则W甲W乙；η甲η乙；f甲f乙（以上三空均选填“<”“=”或“>”）。【答案】=；<；>【解析】在斜面上，拉力F做的功即总功：W总=Fs；利用W额外=W总W有可求额外功。

【解答】由题知，两斜面等长，将A、B两物体从斜面底部匀速拉到顶端，则s相等，拉力均为F，根据