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    人教版八年级下册第十二章 简单机械12.3 机械效率学案设计

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    这是一份人教版八年级下册第十二章 简单机械12.3 机械效率学案设计,共14页。学案主要包含了学习目标,学习重点,学习难点,自主预习,合作探究,进行实验,分析论证,想想议议等内容,欢迎下载使用。

    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。
    【学习重点】
    1. 能说出机械效率的含义,能利用机械效率的公式进行简单的计算。
    2. 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。
    【学习难点】
    测量滑轮组的机械效率。
    【自主预习】
    阅读教材,完成以下问题:
    1.使用机械提高物体比直接用手提升重物时,不能省功(选填“能”或“不能”),由于机械的自重和摩擦等影响,还要费功(选填“省”或“费”)。
    2. 提升重物时,对物体做的功是目的,是对人们有用的功叫做有用功W有用;将动滑轮和绳子也提升,同时还要克服摩擦做功,这些对人们无用但又不得不做的功叫做额外功W额;总功是人对机械所做的功,W总=W有用+W额。
    3.机械效率的概念:物理学中,将有用功与总功的比值叫做机械效率。公式:η=W有/W总;因为有用功总小于总功,所以机械效率总小于1;机械效率用百分数表示,没有单位。
    4. 提高机械效率的方法:增大物体的重力;减小动滑轮的重力;减小滑轮与绳、轴间的摩擦。(均选填“物体”或“动滑轮”)
    【合作探究】
    探究一、有用功和额外功
    【想一想】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?
    1. 使用动滑轮不省功
    【进行实验】
    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。
    做功方式
    拉力
    F/N
    拉力移动的
    距离S/m
    拉力做的
    功W/J
    直接提升
    2个钩码
    2
    0.1
    0.2
    用动滑轮提
    升2个钩码
    1.2
    0.2
    0.24


    【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=0.2J
    ②用弹簧测力计和一个动滑轮提升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。
    【评估】使用动滑轮会省一半的力,但拉力移动的距离增加了一倍,加上动滑轮的自重及摩擦等因素的影响,使用动滑轮提升重物非但不省功,还要费功。
    2. 机械的三种功
    【想一想】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?
    【分析】
    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。
    【想想议议】
    ①用水桶从井中提水的时候,所做的功哪部分是有用功,哪部分是额外功?
    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。(以上均选填“水”或“桶”)
    【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。
    探究二、机械效率
    【想想议议】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
    【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
    对大米做功W米 = Gh=100N×6m=600 J; 对桶做功W桶 = Gh=20N×6m= 120 J
    克服自重做功W人 = Gh=400N×6m= 2400 J
    总功 W = W米 + W桶 + W人= 600J+120J +2400J =3120J
    ②人用动滑轮和桶提大米做功情况
    对大米做功W米 = Gh=100N×6m=600 J; 对桶做功W桶 = Gh=20N×6m= 120 J
    对动滑轮做功W动 = Gh=10N×6m= 60 J
    总功 W = W米 + W桶 + W动= 600J+120J +60J =780J
    ③人用动滑轮与口袋提大米做功情况
    对大米做功W米 = Gh=100N×6m=600 J;对口袋做功W桶 = Gh=5N×6m= 30 J
    对动滑轮做功W动 = Gh=10N×6m= 60 J
    总功 W = W米 + W口袋+ W动= 600J+30J +60J =690J
    【进行计算】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/J
    600
    600
    600
    额外功W额/J
    2430
    180
    90
    总功W总/J
    3120
    780
    690
    W有/W总
    19.5%
    77%
    87%


    【结论】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。
    ②计算公式: η=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
    蒸汽机6% ~ 15% 汽油机22~27% 起重机40%~50%
    3. 一些简单机械的机械效率
    【小组进行合作,推导以下简单机械的效率】
    ①杠杆
    如图所示,使用杠杆把重力为G的物体提高h,所用的动力为F,S为动力作用点移动的距离。
    则W有用 = Gh,W总 = FS,机械效率 η=W有 W总=GhFS
    杠杆的机械效率 滑轮组的机械效率
    ②滑轮组竖直提升重物
    如图所示,利用滑轮组把重力为G的物体提高h。F 为动力,s为绳子自由端移动的距离,n为承担重物的绳子股数。机械效率:η= EQ \F(W有,W总)= EQ \F(Gh,Fs)= EQ \F(G,nF)
    不计绳重、摩擦力时,机械效率:
    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))
    由公式可知:当动滑轮的重力一定时,物重越大,机械效率越高(选填“高”或“低”)。
    ③滑轮组水平拉动物体(不计滑轮及绳重)
    如图所示,使用滑轮或滑轮组用力F沿水平方向匀速拉动物体,物体与水平面的摩擦力为f, s绳为绳子自由端移动的距离,s物为物体移动的距离,n为动滑轮上的绳子股数。
    机械效率:η= EQ \F(W有,W总)= EQ \F(fs物,Fs绳)= EQ \F(f,nF)
    滑轮组的机械效率 斜面的机械效率
    ④斜面
    如图所示,用力F沿斜面把重力为G的物体提高,h为斜面的高度,l为斜面的长度,f 为物体与斜面间的摩擦力。则:有用功为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)
    4. 测量滑轮组的机械效率
    【学生实验】
    【实验原理】 η= EQ \F(Gh,Fs)
    【实验器材】定滑轮、动滑轮组成的滑轮组, 弹簧测力计,钩码和刻度尺。
    (1)探究滑轮组的机械效率与物体重力的关系
    【实验步骤】
    甲 乙
    ①按照图甲那样安装滑轮组,算出钩码的重力G,并记下钩码和绳端的位置。
    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 ,并填入表格。
    ④改变钩码的数量,再做两次上面的实验。
    实验
    次数
    钩码的
    重力G物/N
    提升
    高度h/m
    有用功
    W有/J
    拉力
    F/N
    绳端移动的
    距离s/m
    总功
    W总功/J
    机械
    效率η
    1
    1.0
    0.1
    0.10
    0.55
    0.3
    0.165
    60.6%
    2
    1.5
    0.1
    0.15
    0.70
    0.3
    0.210
    71.4%
    3
    2.0
    0.1
    0.20
    0.85
    0.3
    0.255
    78.4%

    【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。
    【分析论证】
    次数
    动滑轮的
    重力G动/N
    提升
    高度h/m
    有用功
    W有/J
    拉力
    F/N
    绳端移动
    的距离s/m
    总功
    W总/J
    机械
    效率η
    1
    0.5
    0.1
    0.3
    1.55
    0.3
    0.465
    64.5%
    2
    1.0
    0.1
    0.3
    1.90
    0.3
    0.57
    53.0%



    发现二次实验中的机械效率不同。说明不同的滑轮组提高重力相同的重物时,动滑轮的重力越大,机械效率越低。
    【实验结论】同一滑轮组,提升物体重力的越大,机械效率越高;不同滑轮组提升重力相等的物体,动滑轮重力越小,机械效率越高。
    【交流、反思与评估】
    ①实验时拉力的方向应尽量竖直向上,应在钩码匀速移动的过程中读取拉力的大小。
    ②确定绕线方式与承担重物绳子的段数n:
    与动滑轮连接的段数即为承担重物绳子的段数,如图所示,n=3,用“奇动偶定法”确定绕线方式。
    ③影响滑轮组机械效率的因素:
    物体的重力、动滑轮的重力、绳子与滑轮之间的摩擦力。与绳子的绕法、绳子段数无关(有/无)。
    ④动滑轮重力、物重相同时,所测机械效率不同的可能原因:绳子与滑轮或滑轮与轴之间的摩擦不同。
    ⑤可以省略的工具是刻度尺,省略后用下列公式计算,反而能够提高精度。
    η= EQ \F(W有,W总)= EQ \F(Gh,Fs)= EQ \F(G,nF)
    5. 提高机械效率的方法
    【阅读下表,完成空格】
    影响因素
    分析
    改进措施(提高效率)
    被提升
    物体的重力
    同一个滑轮组,被提升物体的重力越大,做的有用功越多,机械效率越大.
    在机械承受的范围内,尽可能增加被提升物体的重力.
    动滑轮自身
    的重力
    有用功不变时,减小提升动滑轮时做的额外功,可提高机械效率.
    改进滑轮结构,减轻动滑轮自身的重力.
    滑轮组自身
    部件的摩擦
    机械自身部件的摩擦力越大,机械效率越低.
    对机械进行保养,保持良好的润滑,减小摩擦.

    【例题2】如图2所示,用滑轮组竖直向上匀速提升重物,不计绳重和摩擦,下列措施能提高滑轮组机械效率的是( )
    A.适当增大重物上升的高度
    B.换用质量较小的动滑轮
    C.增大绳子自由端移动的距离
    D.增大绳子自由端的拉力
    【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。
    【归纳整理】
    【精讲点拨】
    1. 功的原理:使用机械做的功和直接用手做的功相等;使用任何机械都不能省功。
    ①不存在既省力又省距离的机械,也就是没有省功的机械.
    ②功的原理对一切机械都适用.
    2.不同机械的机械效率:
    ①斜面:η= EQ \F(Gh,Fl) ②定滑轮: η= EQ \F(Gh,FS) = EQ \F(G,F)
    ③动滑轮:η= EQ \F(Gh,FS) = EQ \F(Gh,F2h)= EQ \F(G,2F) ④滑轮组:η= EQ \F(Gh,FS) = EQ \F(Gh,Fnh)= EQ \F(G,nF)
    3. 滑轮组的机械效率
    ①同一滑轮组,提升物体重力的越大,机械效率越高;不同滑轮组提升重力相等的物体,动滑轮重力越小,机械效率越高。
    ②提高滑轮组机械效率的方法:增加被提物体的重力;减小动滑轮的重力;减小滑轮与绳、轴间的摩擦力。
    【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3
    4. 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 1 500 N 的物体匀速运动到长 100 m 的斜面顶端,若斜面的高为 10 m。需用 180 N 的推力,则这个斜面的机械效率是多少?
    【答案】83.3%.
    【解析】W有用 = Gh = 1 500 N×10 m = 15 000 J
    W总 = Fs = 180 N×100 m = 18 000 J
    η= EQ \F(W有,W总)= EQ \F(15000 J, 18000J) ×100%=83.3%
    图4 图5 图6
    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1 m.此过程中,绳子自由端的拉力做功为675 J,绳子自由端的拉力为______N,该滑轮组的机械效率为_______。(g取10 N/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=225N
    W有=Gh=mgh=54 kg×10N/kg=540J
    滑轮组的机械效率η= EQ \F(W有,W总)= EQ \F(540 J, 675J) ×100%=80%
    7.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1 500 N的物体,绳上的拉力是多少N?
    【答案】①600J;②75%;③900 N.
    【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=600 N×1m=600 J.
    ②工人做的有用功W有=Gh=900 N×0.5 m=450 J
    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=2×600 N-900 N=300 N
    若用此滑轮组提升1500N的重物,
    此时拉力F′=(G物′+G动)/2=(1500N+300 N)/2=900 N.
    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=fLFS= f3F = 48N3×20N =80%
    ②功率 P=Fv=20N×3×0.2 m/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①③ B.只有②④C.只有②③ D.只有①④

    【答案】B.
    【解析】②滑轮组的机械效率 η=W有 W总=G物hG物h+G动h =G物G物+G动= 11+G动/G物
    因为ηA>ηB,所以GA>GB,故②错误。
    ①绳子的拉力F=12G物+G动
    因为GA>GB,所以FA>FB,故①正确。
    ③提升物体做的有用功为W有=Gh
    因为GA>GB,所以W有A>W有B,故③正确。
    ④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额B,所以④错误。
    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
    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η
    1
    0.2
    0.1
    0.1
    100%

    (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)小明和小强通过计算得出该滑轮组机械效率为100%,他们意识到出现了错误,请你帮他俩找出错误的原因:_______________________;
    (3)该滑轮组的机械效率实际为______;
    (4)在实验中,若将钩码的重增加到6N,则该滑轮组的机械效率将________(选填“变大”、“变小”或“不变”)。
    【答案】(1)匀速;(2)弹簧测力计提升的高度应为0.3m;(3)66.7%;(4)变大.
    【解析】(1)实验时需要沿竖直向上匀速拉动弹簧测力计,使物体匀速升高,处于平衡状态,此时测力计示数才等于拉力大小。
    (2)由图知,绳子的有效股数n=3,钩码上升高度h=0.1m,则弹簧测力计移动的距离应为 s=nh=3×0.1m=0.3m
    由表中实验数据可知,测力计移动的距离为0.2m,则测力计移动的距离错误,从而导致测得滑轮组的机械效率错误。
    (3)该滑轮组的机械效率为 η=W有 W总=GhFS= GnF = 1N3×0.5N =66.7%
    (4)提升的钩码重增加到6N,在提升高度不变时,由W有=Gh可知,有用功增大,额外功几乎不变,有用功在总功所占的比例增大,则该滑轮组的机械效率将变大。
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