苏科版物理九年级上册同步学案：11.5 机械效率（有答案）

五、机械效率
【新知梳理】
一、有用功、额外功、总功　
活动:再探动滑轮
(1)实验装置:如图所示.
(2)实验过程:用弹簧测力计沿竖直方向匀速拉动动滑轮,使其下面所挂钩码缓缓上升,测出绳自由端的拉力F、绳自由端移动距离s、钩码的重力G和钩码上升的高度h.改变钩码的重力和动滑轮的重力,重复上述实验步骤.
(3)实验归纳:拉力F所做的功总是　　　　(选填“大于”“等于”或“小于”)动滑轮对钩码所做的功.
(4)评估交流:拉力F实际做功总要　　　　动滑轮提升钩码所做的功,原因是要克服
　　　　和　　　　　　做功.
(5)引入概念
①在使用机械时,为了达到目的而必须对物体做的功,叫作有用功.如图上述活动中,提升钩码是我们的目的,所以对钩码做的功为有用功.
②并非我们需要,但又不得不做的功,叫作额外功.如图上述活动中,克服机械自重和摩擦做的功为额外功.
③总功等于有用功与额外功之和.如图上述活动中,动力F所做的功为总功.
[注意] 在分析有用功时,应该从“需要做功的物体”入手,有用功在数值上等于直接作用在物体上的力与物体在力的方向上移动距离的乘积.
①使用机械匀速竖直提升物体时,W有用=Gh,G为物体的重力,h为物体被提升的高度.
②使用机械水平匀速拉动物体时克服摩擦做功,W有用=fs,f为物体受到的摩擦力,s为物体水平移动的距离.
二、机械效率
机械效率:有用功与总功的　　　.用公式η=　　　　×100%表示.
[点拨] 机械效率是有用功与总功之比,它只有大小,没有单位,常用百分数来表示.由于使用机械时需要克服机械自身重力和摩擦力做功,即额外功在所难免,所以有用功总小于总功,机械效率η总小于1.
三、测量动滑轮的机械效率
1.测量原理:　 .
2.所测物理量:钩码重G、钩码被提升的高度h、拉力F、绳自由端移动的距离s.
3.实验计算:W有用=　　　　;W总=　　　　.
4.操作注意:必须　　　　竖直拉动测力计.
5.实验过程
探究目的 探究方法 探究结论
　探究机械效率与提升物重的关系 　用同一滑轮装置提升不同重力的物体上升相同的高度,测量并比较机械效率 　同一滑轮装置提升的物体越重,机械效率越　　　
　探究机械效率与动滑轮重力的关系 　用动滑轮重力不同的滑轮装置提升同一重物上升相同的高度,测量并比较机械效率 　提升同一重物,所用滑轮装置中动滑轮越重,机械效率越　　　
[点拨] 使用滑轮装置提升重物时,机械效率的高低与所提升物体的重力、动滑轮重力、滑轮摩擦有关,而与物体被提升的高度、绳子绕法等无关.测量滑轮装置的机械效率时可不测量h、s,依据机械效率推导公式η=×100%进行计算.
【应用示例】
类型一　有用功、额外功、总功、机械效率
例1 下列说法中正确的是 (　　)
A.用同一水桶从井中提水的时候,提一桶水比提半桶水的机械效率高
B.水桶掉到井里,把水桶捞上来时,对桶做的功是额外功
C.用动滑轮提升重物时,绳子自由端拉力做的功是有用功
D.使用机械过程中,额外功越少,则机械效率就越高
[易错警示] (1)为达到目的所直接需要的那部分功为有用功,为达到目的额外多做的那部分功为额外功,为完成目的动力做的功为总功.
(2)机械效率的高低表示的是有用功占总功百分比的高低,不能表示有用功、总功、额外功的多少.仅凭有用功、总功、额外功三者中某个量的多少无法判断机械效率的高低.
类型二　关于机械效率的简单计算
例2 [2019·淮安] 如图所示,工人将80 N的重物提升了3 m,所用的时间为20 s,拉力为50 N.则工人做的有用功为　　　　J,拉力的功率是　　　　W,动滑轮的机械效率是　　　　.
[方法指导] 机械效率相关计算的解题技巧
(1)机械效率相关计算的解题要领:抓住四个基本量G、h、F、s;弄清机械中力之间、距离之间、功之间的关系,尤其是距离之间的关系;熟练运用有用功、总功、机械效率的计算公式.
(2)机械效率公式的推导:用滑轮组匀速竖直提升物体时,η=×100%=×100%=×100%=×100%;用滑轮组匀速水平拉动物体时,η=×100%=×100%=×100%=×100%.利用这两个推导公式计算机械效率可以省略功的计算.
(3)用滑轮组提升物体,当不计绳重和摩擦时,求解动滑轮的重力有两种方法.①从功的角度求解:当不计绳重和摩擦时,额外功仅为克服动滑轮重力做的功,即W额外=G动h,G动=.②从力的角度求解:同一根绳子上的拉力处处相等,由力的平衡关系式nF=G物+G动可知,G动=nF-G物.
类型三　测量滑轮装置的机械效率
例3 如图所示为测量某滑轮组机械效率的实验装置.
实验序号 物重G/N 物体上升高度h/m 绳端拉力F/N 绳端移动距离s/m 机械效率η
1 4 0.1 1.8 0.3 74%
2 8 0.1 3.1 0.3 86%
3 8 0.1 2.5 0.4
(1)实验时沿竖直方向匀速缓慢拉动弹簧测力计,并用　　　　测出物体上升的高度.分析表中数据可知,实验2是用图　　　　装置做的实验.
(2)实验3中的机械效率η=　　　　;通过比较　　　　(填实验序号)两次实验数据得出结论:使用同一滑轮组提升物体时,物重越大,滑轮组的机械效率越高.
(3)通过比较2、3两次实验数据可得出结论: 　.
(4)实验过程中边拉动边读数,弹簧测力计的示数不稳定,有同学认为应静止时读数.你认为他的想法　　　　(选填“正确”或“不正确”),因为他没有考虑　　　　对滑轮组机械效率的影响.
[实验点拨] (1)实验过程中要注意匀速竖直向上拉动测力计,在运动中读数.(2)实验中距离h、s的测量需要使用刻度尺,通过记录物体和测力计各自的初始位置和终点位置来进行测量.(3)由于实验中s与h的比值是固定的,比值大小等于提升物体和动滑轮的绳子段数n,实验中不测量距离,也能测出机械效率,即η=×100%=×100%.(4)探究影响滑轮组机械效率的因素需要应用控制变量法.滑轮组机械效率的高低与提升的物重、动滑轮重、绳重、摩擦等有关,与滑轮组的绕绳方式、物体移动的距离等无关.同一机械装置的效率不是固定的.
【课堂小结】　
答案
五、 机械效率
【新知梳理】
一、(3)大于　
(4)大于　摩擦　机械自重
二、比值　
三、1.η=×100%　3.Gh　Fs　
4.匀速　
5.高　低
【应用示例】
例1　A　 用同一水桶从井中提水的时候,所做的额外功基本相同,提一桶水比提半桶水,克服水的重力做的有用功多,所以机械效率高.捞桶时,克服桶重做的功为有用功.用动滑轮提升物体时,绳子自由端的拉力为动力,做的功是总功.当有用功或总功多少不清楚时,不能得出“额外功越少,机械效率越高”的结论.
例2　240　15　80%
(1)工人做的有用功:W有用=Gh=80 N×3 m=240 J.
(2)绳自由端移动的距离:s=2h=2×3 m=6 m,
工人做的总功:W总=Fs=50 N×6 m=300 J,
拉力的功率:P===15 W.
(3)动滑轮的机械效率:
η=×100%=×100%=80%.
例3　(1)刻度尺　乙　(2)80%　1、2
(3)使用不同滑轮组提升相同的物体,动滑轮越重,滑轮组的机械效率越低
(4)不正确　摩擦力
(1)实验时沿竖直方向匀速缓慢拉动弹簧测力计,根据η=×100%=×100%可知,应用刻度尺测出物体上升的高度h;分析表中数据,实验2中绳子的有效段数:n===3,物体的重力为8 N,故实验2是用图乙装置做的实验.(2)实验3中的机械效率:η=×100%=×100%=×100%=80%;根据n=知,实验1中绳子的有效段数为3,故1、2实验是用同一滑轮组做的,通过比较1、2两次实验数据得出结论:使用同一滑轮组提升重物时,物重越大,滑轮组的机械效率越高.(3)根据n=可知,实验3中绳子的有效段数为4,2、3两次实验中,提升物体的重力相同,但实验3中动滑轮重力比实验2中大,通过比较2、3两次实验数据可得出结论:使用不同滑轮组提升相同的重物,动滑轮越重,滑轮组的机械效率越低.(4)实验中若静止时读数,则没有测量出机械之间的摩擦力,会对滑轮组的机械效率产生影响,实验结果不准确.