12-3 機(jī)械效率 教學(xué)設(shè)計(jì) 初中物理新人教版八年級(jí)下冊(cè)（2022~2023學(xué)年）

12.3機(jī)械效率年級(jí)八年級(jí)授課時(shí)間課題第3節(jié)機(jī)械效率教學(xué)目標(biāo)1.能結(jié)合實(shí)例分析什么是有用功、額外功和總功。2.能說(shuō)出機(jī)械效率的含義，知道機(jī)械效率是小于1的，能利用機(jī)械效率的公式進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算。3.通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解滑輪組機(jī)械效率的高低與物體重力的大小有關(guān)。教材分析機(jī)械效率是衡量機(jī)械性能的重要指標(biāo)，也是學(xué)習(xí)其他效率，如熱機(jī)效率的基礎(chǔ)，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。本節(jié)由“有用功和額外功”和“機(jī)械效率”兩部分構(gòu)成，其中機(jī)械效率是本節(jié)重點(diǎn)。教學(xué)中要通過(guò)實(shí)例仔細(xì)分析有用功、額外功和總功，以便學(xué)生真正認(rèn)識(shí)機(jī)械效率的含義。測(cè)量滑輪組的機(jī)械效率是本節(jié)的難點(diǎn)。教學(xué)中要組織學(xué)生經(jīng)歷測(cè)量的全過(guò)程，如讓學(xué)生經(jīng)歷組裝實(shí)驗(yàn)裝置、測(cè)量數(shù)據(jù)、得出結(jié)論的過(guò)程，既能激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，又能增加實(shí)踐體驗(yàn)?？梢宰寣W(xué)生課后收集有關(guān)機(jī)械使用歷史發(fā)展的資料，通過(guò)匯報(bào)、討論、交流等多種形式，認(rèn)識(shí)機(jī)械的使用對(duì)社會(huì)發(fā)展的作用，體現(xiàn)“注意學(xué)科滲透，關(guān)心科技發(fā)展”的課程理念。教學(xué)器材教學(xué)過(guò)程教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)導(dǎo)入新課【提出問(wèn)題】①在生活中，我們經(jīng)常聽(tīng)到與“效率”有關(guān)的一詞：學(xué)習(xí)效率、工作效率等等，你知道它們的含義嗎？生活中的“效率”有多種含義，通常理解為單位時(shí)間完成的工作量。在物理學(xué)中，有一個(gè)概念叫做“機(jī)械效率”，你知道它的含義嗎？②要把重100N的大米運(yùn)上三樓，圖中畫了三種辦法。哪種辦法最好，哪種辦法最不好？學(xué)習(xí)今天的知識(shí)你就明白了——《12.3機(jī)械效率》。學(xué)習(xí)新課一、有用功和額外功【提出問(wèn)題】不使用機(jī)械直接提升物體做的功，與使用機(jī)械提升物體做的功是否相同嗎？1.使用動(dòng)滑輪是否省功？【演示實(shí)驗(yàn)】①如圖甲所示，用彈簧測(cè)力計(jì)將鉤碼緩慢地提升一定的高度，讀出彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)并計(jì)算出拉力所做的功。②如圖乙所示，利用動(dòng)滑輪將同樣的鉤碼緩慢地提升相同的高度，讀出彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)并計(jì)算出拉力所做的功。拉力F/N20.10.21.20.20.24【分析論證】①直接用彈簧測(cè)力計(jì)提升2個(gè)鉤碼所作的功W1=F1S1=2N×0.1m=0.2J②用動(dòng)滑輪提升2個(gè)鉤碼所做的功W2=F2S2=1.2N×0.2m=0.24J實(shí)驗(yàn)結(jié)論：使用動(dòng)滑輪提升重物比直接用手提升重物并不省功。2.機(jī)械的三種功【提出問(wèn)題】在上述實(shí)驗(yàn)中，為什么使用動(dòng)滑輪提升重物非但不省功，還要費(fèi)功呢？人做的功哪些是有用的？哪些是無(wú)用的？【講解】①有用功W有用：提升鉤碼是目的，有利用價(jià)值，對(duì)鉤碼做的功是對(duì)人們有用的功叫做有用功。②額外功W額：要提升鉤碼，必須將動(dòng)滑輪和繩子也提升，同時(shí)還要克服摩擦做功。這些功是對(duì)人們無(wú)用但又不得不做的功叫做額外功。③總功W總：有用功跟額外功的總和叫總功W總=W有+W額?！咎岢鰡?wèn)題】②?如果桶掉到井里，從井里撈桶的時(shí)候，撈上的桶里帶了一些水，這種情況下哪部分是有用功，哪部分是額外功？【分析】①用水桶從井中提水的時(shí)候，提水所做的功是有用功；提桶所做的功是額外功。②?如果桶掉到井里，從井里撈桶的時(shí)候，提桶所做的功是有用功；提水所做的功是額外功?！静シ乓曨l】——《有用功和額外功》【例題1】水桶掉進(jìn)水里，打撈時(shí)桶里帶了些水，下列關(guān)于做功的說(shuō)法中正確的是（）A．對(duì)桶所做的功是有用功 B．對(duì)桶所做的功是額外功C．對(duì)水所做的功是有用功 D．對(duì)水所做的功是總功【答案】A?！窘馕觥克暗暨M(jìn)水里，我們的目的就是為了把桶提上來(lái)，所以對(duì)桶做的功為有用功；但水桶里面有一些水，又不得不對(duì)水做功，所以對(duì)水做的功為額外功；手對(duì)繩子的拉力做的功，包括對(duì)水做的功、對(duì)桶做的功和對(duì)繩子做的功為總功，故BCD錯(cuò)誤，A正確。有用功、額外功與總功的含義學(xué)習(xí)新課二、機(jī)械效率【提出問(wèn)題】要把重100N的大米運(yùn)上三樓。圖中用了三種方法，怎樣比較哪種方法好？1.比較做功的效率【組織學(xué)生分別計(jì)算出三種情況下的有用功、額外功和總功】①人走樓梯提大米做功情況克服自重做功W人=Gh=400N×6m=2400J總功W=W米+W桶+W人=600J+120J+2400J=3120J②人用動(dòng)滑輪和桶提大米做功情況對(duì)動(dòng)滑輪做功W動(dòng)=Gh=10N×6m=60J總功W=W米+W桶+W動(dòng)=600J+120J+60J=780J③人用動(dòng)滑輪與口袋提大米做功情況對(duì)動(dòng)滑輪做功W動(dòng)=Gh=10N×6m=60J總功W=W米+W口袋+W動(dòng)=600J+30J+60J=690J【提出問(wèn)題】三種情況下有用功和總功分別是多少？有用功在總功中占的百分比是多少？做功形式人走樓梯用動(dòng)滑輪和桶用動(dòng)滑輪和口袋有用功W有/J600600600額外功W額/J243018090總功W總/J3120780690W有/W總19.5%77%87%引導(dǎo)學(xué)生分別計(jì)算出三次中有用功與總功的比值，歸納出結(jié)論?！窘Y(jié)論】EQ\F(W有,W總)越大，效率越高，第三種方法效率最高。2.機(jī)械效率①物理學(xué)中，將有用功跟總功的比值叫做機(jī)械效率。η＝EQ\F(W有,W總)注：機(jī)械效率只有大小，沒(méi)有單位。由于有用功總小于總功，所以機(jī)械效率總小于1。機(jī)械效率通常用百分?jǐn)?shù)表示。機(jī)械效率是標(biāo)志機(jī)械做功性能好壞的重要指標(biāo)，機(jī)械效率越高，機(jī)械的性能越好。③一些機(jī)器的機(jī)械效率3.一些簡(jiǎn)單機(jī)械的機(jī)械效率【引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行以下簡(jiǎn)單機(jī)械效率的推導(dǎo)計(jì)算】①杠桿W有用=Gh，W總=FS，機(jī)械效率η＝EQ\F(W有,W總)＝EQ\F(Gh,Fs)＝EQ\F(G,nF)η＝EQ\F(W有,W總)＝EQ\F(Gh,Gh+G動(dòng)h)＝EQ\F(G,G+G動(dòng))＝EQ\F(1,1+EQ\F(G動(dòng),G))η＝EQ\F(W有,W總)＝EQ\F(fs,Fs)＝EQ\F(f,nF)W有用=Gh，總功為W總=Fl額外功為克服斜面與物體之間的摩擦力做的功：W額=fl機(jī)械效率η＝EQ\F(W有,W總)＝EQ\F(Gh,Fl)＝EQ\F(Gh,Gh+fl)【學(xué)生實(shí)驗(yàn)】4.測(cè)量滑輪組的機(jī)械效率【實(shí)驗(yàn)原理】η＝EQ\F(Gh,Fs)（1）探究滑輪組的機(jī)械效率與物體重力的關(guān)系【實(shí)驗(yàn)步驟】②如圖乙，勻速豎直緩慢拉動(dòng)彈簧測(cè)力計(jì)，使鉤碼緩慢上升，讀出拉力F的值，并用刻度尺測(cè)出鉤碼上升的高度h和繩端移動(dòng)的距離s。③算出有用功W有用、總功W總、機(jī)械效率η

④改變鉤碼的數(shù)量，再做兩次上面的實(shí)驗(yàn)。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%【分析論證】發(fā)現(xiàn)三次的機(jī)械效率不同。同一滑輪組，鉤碼的重力越大，機(jī)械效率越高。實(shí)驗(yàn)結(jié)論：同一滑輪組，提升物體的重力越大，機(jī)械效率越高。（2）探究滑輪組的機(jī)械效率與動(dòng)滑輪重力的關(guān)系【實(shí)驗(yàn)步驟】①按照?qǐng)D甲安裝滑輪組，用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量動(dòng)滑輪A重力GA，分別記下鉤碼和繩端的位置。②勻速緩慢拉動(dòng)彈簧測(cè)力計(jì)，使鉤碼升高，讀出拉力F的值，用刻度尺測(cè)出鉤碼上升的高度h和繩端移動(dòng)的距離s，將測(cè)量數(shù)據(jù)填入表格。③如圖乙所示，改變動(dòng)滑輪的重力，換用動(dòng)滑輪B，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。④算出有用功W有、總功W總、機(jī)械效率η，并填入表格。η＝EQ\F(W有,W總)＝EQ\F(Gh,Fs)＝EQ\F(G,nF)【答案】B?！窘馕觥緼CD．用滑輪組豎直向上勻速提升重物時(shí)，有用功為W有用=G物h，不計(jì)繩重和摩擦，額外功為：W額=G動(dòng)h，總功為W總=W有用+W額=G物h+G動(dòng)h則滑輪組的機(jī)械效率為η＝EQ\F(W有,W總)＝EQ\F(G物h,G物h+G動(dòng)h)＝EQ\F(G物,G物+G動(dòng))＝EQ\F(1,1+EQ\F(G動(dòng),G物))由此可知，滑輪組機(jī)械效率的高低與重物上升的高度、增大繩子自由端移動(dòng)的距離和增大繩子自由端的拉力無(wú)關(guān)，故ACD不符合題意；B．由以上分析可知，減小動(dòng)滑輪的重力，可減小額外功，能提高滑輪組的機(jī)械效率，故B符合題意。圖2圖2圖3【例題3】如圖3所示，斜面與水平地面夾角為30°，某快遞員用500N的力，將重800N的貨物沿斜面勻速推上車廂，不考慮斜面形變，貨物所受摩擦力方向沿斜面向___；斜面的機(jī)械效率為_(kāi)____。不改變斜面與地面夾角和貨物質(zhì)量，采用______________的方法可以提高斜面的機(jī)械效率?！敬鸢浮可希?0%，減小接觸面的粗糙程度?！窘馕觥控浳锵鄬?duì)斜面向上運(yùn)動(dòng)，所受的斜面的摩擦力沿斜面向下。如圖所示，斜面的長(zhǎng)度為l，其高度h=0.5l，斜面的機(jī)械效率η＝EQ\F(W有,W總)＝EQ\F(Gh,Fl)＝EQ\F(G×0.5l,Fl)×100%＝EQ\F(800N×0.5,500N)×100%=80%斜面與地面夾角和貨物質(zhì)量不變，即有用功保持不變，可通過(guò)減少額外功來(lái)提高斜面的機(jī)械效率。所以可通過(guò)減小接觸面的粗糙程度來(lái)減小摩擦，來(lái)提高機(jī)械效率?！纠}4】如圖甲是某學(xué)習(xí)小組“測(cè)量滑輪組的機(jī)械效率”的示意圖（不計(jì)繩重和摩擦）。①實(shí)驗(yàn)中，用彈簧測(cè)力計(jì)豎直向上___________拉動(dòng)繩子自由端，將重為4.8N的物體從A位置提升到A′位置，同時(shí)彈簧測(cè)力計(jì)從圖中的B位置上升到B′位置，此過(guò)程中，彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)如圖乙所示；②該滑輪組的機(jī)械效率η=______；③若在圖甲裝置的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)動(dòng)滑輪，改為圖丙所示的裝置，提升同一物體，則測(cè)得滑輪組的機(jī)械效率_______（選填“變大”、“變小”或“不變”）?！敬鸢浮緼。【解析】①實(shí)驗(yàn)中應(yīng)該用彈簧測(cè)力計(jì)豎直向上勻速直線拉動(dòng)繩子自由端，此時(shí)系統(tǒng)為平衡狀態(tài)，測(cè)力計(jì)示數(shù)等于拉力的大小。②由圖知，測(cè)力計(jì)從B位置勻速提升到B′位置，測(cè)力計(jì)上升的高度為s=30.0cm-15.0cm=15.0cm=0.15m有3段繩子拉著動(dòng)滑輪，n=3，則物體上升的高度為h=5.0cm=0.05m由圖可知，測(cè)力計(jì)的示數(shù)為2N；該滑輪組的機(jī)械效率為η＝EQ\F(W有,W總)＝EQ\F(Gh,Fs)＝EQ\F(4.8N×0.05m,2N×0.15m)×100%=80%③若在圖甲裝置的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)動(dòng)滑輪，改為圖丙所示的裝置，提升同物體，此時(shí)有用功不變，克服動(dòng)滑輪重力所做的額外功變大，總功變大，故滑輪組的機(jī)械效率會(huì)變小。計(jì)算三種情況下有用功在總功中占的百分比是多少，從而引出機(jī)械效率的概念。建立機(jī)械效率的概念，理解物理意義。了解一些機(jī)器的效率。收集證據(jù)、分析數(shù)據(jù)，歸納出機(jī)械效率與動(dòng)滑輪的重力的關(guān)系。課堂練習(xí)課堂練習(xí)1．升旗過(guò)程中，克服旗的重力做的功是_______，克服摩擦力做的功是______；人對(duì)繩子拉力做的功是_______(均選填“有用功”、“額外功”或“總功”)?！敬鸢浮坑杏霉?，額外功，總功?！窘馕觥可爝^(guò)程中，克服旗的重力做的功是有用功，克服摩擦力做的功是額外功；人對(duì)繩子拉力做的功是總功。2．關(guān)于機(jī)械效率，下列說(shuō)法中正確的是 （）A．做有用功多的機(jī)械效率一定高B．做總功多的機(jī)械效率一定高C．做額外功少的機(jī)械效率一定高D．在總功中有用功所占比例大的機(jī)械效率高【答案】D?！窘馕觥繖C(jī)械效率η＝EQ\F(W有,W總)，其大小取決于有用功與總功的比值。只看有用功或總功都無(wú)法比較大小。有用功在總功中所占比例大的機(jī)械效率高。所以選D。3.用繩子將鉤碼提升至一定的高度，如圖2所示，此過(guò)程所做的有用功是（）A．提升鉤碼所做的功B．克服摩擦力所做的功C．提高繩子所做的功D．克服動(dòng)滑輪重力所做的功【答案】A?！窘馕觥坑美K子將鉤碼提升一定的高度，此過(guò)程做的有用功是提升鉤碼所做的功。圖2圖圖2圖34.工人用如圖3所示的機(jī)械將物體勻速提升到某一高度，若物體的重力與滑輪的重力之比G物∶G滑輪=9∶1，忽略繩重與摩擦的影響，則機(jī)械效率為（）A．10%B．45%C．80%D．90%【答案】D。【解析】不計(jì)繩重與摩擦的影響，則機(jī)械效率為η＝EQ\F(W有,W總)＝EQ\F(G物h,G物h+G動(dòng)h)＝EQ\F(G物,G物+G動(dòng))＝EQ\F(9G動(dòng),9G動(dòng)+G動(dòng))=90%5.如圖4所示，為使重為1500N的物體勻速運(yùn)動(dòng)到長(zhǎng)100m的斜面頂端，若斜面的高為10m。需用180N的推力，則這個(gè)斜面的機(jī)械效率是多少？【答案】20，200.【解析】W有用=Gh=1500N×10m=15000JW總=Fs=180N×100m=18000Jη＝EQ\F(W有,W總)＝EQ\F(15000J,18000J)×100%=83.3%6.如圖5所示，小明用滑輪組把質(zhì)量為54kg的重物勻速提升了1m．此過(guò)程中，繩子自由端的拉力做功為675J，繩子自由端的拉力為_(kāi)_____N，該滑輪組的機(jī)械效率為_(kāi)______。（g取10N/kg）【答案】225，80%.【解析】由圖可知，n＝3，重物勻速提升了h=1m，則繩子自由端移動(dòng)的距離s=3m，拉力做的總功W總＝Fs則拉力F＝W總/s=675J/3m＝225NW有＝Gh＝mgh＝54kg×10N/kg＝540J滑輪組的機(jī)械效率η＝EQ\F(W有,W總)＝EQ\F(540J,675J)×100%=80%圖圖4圖5圖67．工人利用如圖6所示的滑輪組將重900N的物體豎直向上勻速提升0.5m，工人所用的拉力F為600N，不計(jì)摩擦和繩重，求：①人的拉力做的功為多少J？②此滑輪組的機(jī)械效率為多少？③若用此滑輪組提升重為1500N的物體，繩上的拉力是多少N？【答案】①600J；②75%；③900N.【解析】①由圖知n＝2，拉力端移動(dòng)距離s=2h=2×0.5m=1m拉力做的總功W總＝Fs＝600N×1m＝600J.②工人做的有用功W有＝Gh＝900N×0.5m＝450J滑輪組的機(jī)械效率η=W有/W總=450J/600J×100%=75%.③由于不計(jì)摩擦和繩重，拉力F＝（G物＋G動(dòng)）/2所用動(dòng)滑輪的重G動(dòng)＝2F-G＝2×600N-900N＝300N若用此滑輪組提升1500N的重物，此時(shí)拉力F′＝(G物′＋G動(dòng))/2＝(1500N＋300N)/2＝900N.8.如圖所示，在20N的水平拉力F作用下，重200N的物體沿水平面向左做勻速直線運(yùn)動(dòng)，物體與地面間的滑動(dòng)摩擦力為48N。則：①滑輪組的機(jī)械效率為多少？②若物體的速度為0.2m/s，則拉力做功的功率是多少？【答案】①80%；②12W【解析】①由圖可知，n＝3，滑輪組的機(jī)械效率η=W有

W總②功率P＝Fv＝20N×3×0.2m/s＝12W.9.如圖用同一滑輪組分別將兩個(gè)不同的物體A和B勻速提升相同的高度，不計(jì)繩重和摩擦的影響，提升A的過(guò)程滑輪組的機(jī)械效率較大，則下列判斷正確的是（）①提升A的拉力較大②A物體比B物體輕③提升A做的有用功較多④提升A所做的額外功較少A．只有①③B．只有②④ C．只有②③D．只有①④【答案】B.【解析】②滑輪組的機(jī)械效率η=W有

因?yàn)棣茿①繩子的拉力F=因?yàn)镚A③提升物體做的有用功為W有＝Gh因?yàn)镚A④不計(jì)繩重和摩擦，額外功指的是克服動(dòng)滑輪做功，根據(jù)W額＝G動(dòng)h可知，W額A=W綜上所述，只有①③正確，所以選A。10.小明和小強(qiáng)在測(cè)“滑輪組機(jī)械效率”的實(shí)驗(yàn)中，組裝好如圖所示實(shí)驗(yàn)裝置，他們分別記下了鉤碼和彈簧測(cè)力計(jì)的位置。鉤碼重鉤碼重G/N彈簧測(cè)力計(jì)提升的高度s/m有用功W有用/J總功W總/J機(jī)械效率η10.20.10.1100%（1）實(shí)驗(yàn)時(shí)，小明________豎直向上拉動(dòng)彈簧測(cè)力計(jì)，使鉤碼升高，彈簧測(cè)力計(jì)讀數(shù)為0.5N；同時(shí)小強(qiáng)也用刻度尺測(cè)出鉤碼被提升的高度為10cm，以上測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確無(wú)誤，其他被測(cè)物理量和計(jì)算數(shù)據(jù)記錄如表；（2）小明