【名师备课】人教版八下物理12.3《机械效率》教学设计+同步测试
文档属性
| 名称 | 【名师备课】人教版八下物理12.3《机械效率》教学设计+同步测试 |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 124.6KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版 | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2015-04-11 15:47:55 | ||
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文档简介
机械效率》教学设计
江苏丰县初级中学 杨 雷
一、教学目标
（一）知识与技能
1．能结合实例分析什么是有用功、额外功和总功。
2．明确机械效率是描述做功效率的物理量。能利用机械效率的公式进行简单的计算。
3．能设计实验，测定某种简单机械的机械效率。
（二）过程与方法
1．通过探究使用动滑轮的特点，知道使用机械就要做额外功。
2．通过实验与讨论，认识提高机械效率的主要方法。
（三）情感态度与价值观
知道提高机械效率的实际意义和方法，有合理改进机械、提高效率的意识，增强将科学服务于人类的责任感。
二、教学重难点
本节内容由“有用功和额外功”“机械效率” ( http: / / www.21cnjy.com )两部分构成，机械效率是本节教学的重点。教学中要通过实例分析有用功、额外功和总功，使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，激发学生的学习兴趣，同时增加他们的实践体验。
重点：机械效率的概念和有关计算。
难点：测量滑轮组的机械效率。
三、教学策略
以“利用动滑轮提升重物”为背景，提出问题： ( http: / / www.21cnjy.com )动力对绳子做功等于动滑轮提升重物所做的功吗？让学生猜测并设计实验来验证自己的猜想。学生经过数据分析后发现，动力对绳子做的功总是大于动滑轮提升物体做的功。进一步分析讨论，引出有用功、额外功和总功，以及它们之间的关系和效率的概念。通过理解、运用机械效率解决实际问题，认识到提高机械效率的两种方法：减小额外功和增加有用功。在讨论了怎样提高机械效率的问题之后，把效率问题延伸到学生的学习和生活中。使学生明白只有提高学习效率才能顺利完成任务。
四、教学资源准备
多媒体设备、实物投影仪、动滑轮、钩码、铁架台、弹簧测力计、刻度尺、细线等。
五、教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课（5分钟） 小明家最近买了一处新楼房， ( http: / / www.21cnjy.com )家在三楼。想把洗 ( http: / / www.21cnjy.com )手间、厨房装修一下，需把沙子运到三楼。请同学们根据需要，选择器械帮助小明家解决这个问题，看看哪个小组选的办法最好？图1如图1所示的三种方法供参考：第1种是人直接提着沙子上楼；第2种是把沙子放进桶里，人通过动滑轮把沙子拉上楼；第3种是把沙子放进质量较小的袋子里，人通过动滑轮把沙子拉上楼。 请学生发表自己的见解，提出各种方案。并对各个方案进行讨论，比较优缺点。 经过讨论明确第一种方法太不方便。第三种方法最好，因为它比第二种方法用的力小。提升相同高度做的功少。 创设真实的情景，容易激发学生兴趣，顺利进入教学。 通过讨论，为下面学习有用功与额外功做好铺垫。
新课教学（30分钟） 一、有用功和额外功结合用动滑轮提升沙子，请同学们观看提沙子过程的视频。思考：1．在把沙子从一楼运上三楼的过程中，每种方法中各对哪些物体做了功？2．无论他采取哪种方法都必须做的功是他对什么做的功？3．在几种不同的方法中他不愿做但又不得不做的功分别是什么？板书：一般来说，机械对外所做的功为有用功，机械克服自身部件的重力和摩擦力所做的功为额外功，动力对机械所做的功为总功。总功等于有用功与额外功之和。指出：前面实验中，第三种方法最好，因为第三种方法做的额外功最少，总功最少。讨论：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一样吗？（手拉绳做的功与动滑轮对沙子做的功相等吗？）怎样探究这个问题？1．设计实验方案：用手通过一只弹簧测力计拉一个动滑轮，沿竖直方向匀速缓慢提起重为G的钩码。2．为了探究上述问题需要测量的物理量是：手对绳的拉力F、手移动的距离s、钩码的重力、钩码上升的高度h。3．改变钩码的数量，重复上述测量。4．设计表格，将实验数据填入表中。次数手的拉力F/N手移动距离s/m钩码重G/N钩码上升高度h/m1 2 3 5．分析实验数据：（1）手拉绳所做的功与动滑轮拉钩码所做的功是否相等？（2）哪一个做的功多一些？（3）你认为产生这一现象的原因是什么？ 进一步思考并回答。 边实验边填表。分析实验误差，指出要使重物重一些，误差就会小一些。 （1）不相等（2）手拉绳做的功多（3）有摩擦，在提起重物时还要提起动滑轮。 进一步理解有用功和额外功。并会测量有用功和总功。
二、机械效率工作中，我们总是希望额外功越少越好；也就是有用功在总功中所占的比例越大越好。在物理学中，用机械效率表示有用功在总功中所占的比例。计算公式： 三者之间的关系：注意：对于实际机械，由于总是有额外功存在，η＜1。组织学生讨论：1.机械效率有单位吗？2．为什么机械效率没有大于1的？3．用小数和百分数来表达机械效率，你认为那种表达更好？通过多媒体展示例题：利用如图2所示的滑轮组，在F=80N的拉力作用下,将一个重为180N的物体匀速举高1m，绳重、摩擦不计。求：总功、有用功、额外功和滑轮组的机械效率。图2（1）组织学生分析、讨论、计算（2）展示学生解题过程（3）总结、评价如何测量滑轮组的机械效率：1．实验原理：2．器材：刻度尺、钩码、弹簧测力计、铁架台、甲、乙两个滑轮组、长约2m的细绳。3．步骤：①用弹簧测力计测量钩码所受的重力G并填入表格。②分别记下钩码和弹簧测力计的位置。③缓慢拉动弹簧测力计，使钩码升高，读出拉力F值，用刻度尺测出钩码上升的高度h和弹簧测力计移动的距离s，将这三个量填入表格。④算出有用功W有用、总功 W总功、机械效率η并填入表格。实验次数G (N)h(m)W有用（J）F (N)s (m)W总（J）η1 2 3 4 结论：1．动滑轮重一定,物重越大，机械效率高。2．物重一定，动滑轮越重，机械效率低。讨论：如何提高滑轮组的机械效率？讨论后得出：提高滑轮组的机械效率的主要方法有：尽可能地增加物重，减小动滑轮重，减轻绳重和滑轮转轴处的摩擦。 经过讨论回答：机械效率没有单位， 总小于1，用百分数表示。意在练习机械效率公式的应用、使学生加深认识有用功、额外功和总功的概念。 学生动手实验 理论联系实际，培养学生将科学知识应用于日常生活和社会实践的意识。 锻炼分析实际问题的能力。 通过交流与合作，培养学生团结合作精神。
课堂小结（5分钟） 让学生分组讨论，总结本节学到了什么知识，有哪些收获？ 学生自己归纳总结，分小组发言，教师对学生归纳发言较好的给予表扬，并指出其中的不足。 让学生有表现自我的机会，并且发现学习过程中出现的问题。
《机械效率》同步测试
江苏省丰县初级中学 刘庆贺
一、选择题
1．关于机械效率，下面说法正确的是（ ）
A．功率越大的机械，机械效率越高
B．机械效率越高的机械越省力
C．机械效率越低的机械，做的功就越少
D．由于有用功总小于总功，机械效率总小于1
答案：D
解析：功率是单位时间内做的功，表示的是 ( http: / / www.21cnjy.com )做功的快慢，机械效率是指有用功与总功的比值，两者没有必然的联系，故A说法不正确。机械效率高说明有用功与总功的比值大，与机械省不省力无关，故B说法不正确。机械效率是指有用功与总功的比值，机械效率越低，有用功与总功的比值小，不能说明做的功越少，故C说法不正确。使用任何机械，除了做有用功外，都不可避免地要做额外功，所以有用功总小于总功，机械效率是指有用功与总功的比值，所以机械效率总小于1，故D说法正确。
2．下列叙述中能够提高机械效率的是（ ）
A．增加有用功
B．减小机械间的摩擦
C．减小总功
D．使用最省力的机械
答案：B
解析：只有在总功不变的情况下，增加 ( http: / / www.21cnjy.com )有用功才会提高机械效率，只说增加有用功的说法不够严密，故A错；减小机械间的摩擦可以有效地减小额外功，是可行的办法，故B正确；在有用功不变的情况下，减小总功可以提高机械效率，但只说减小总功的说法不够严密，故C错；使用最省力的机械只能说明其省力，但不能说明其额外功的情况，有时甚至额外功会更大，故D错。
3．（2013年枣庄中考题）甲吊车比乙吊车的机械效率高，当它们分别把相同质量的物体匀速提升相同高度时，则（ ）
A．甲吊车的电动机做的有用功较多
B．乙吊车的电动机做的额外功较多
C．甲吊车的电动机做的总功较多
D．甲、乙两吊车的电动机做的总功相同
答案：B
解析：甲吊车的机械效率比乙吊车的机 ( http: / / www.21cnjy.com )械效率高，说明甲吊车所做的有用功在总功中占的比值比乙吊车大；把相同质量的物体提高相同的高度，根据公式W有用=Gh=mgh可知：两辆吊车所做的有用功相同；机械效率不同，是因为做的额外功不同，导致总功不同。
4．有一人用同一滑轮组分别将重1000N和2 ( http: / / www.21cnjy.com )000N的物体匀速提升5m，动滑轮重200N，不计绳重和摩擦，则上述两种情况中错误的说法是（ ）
A．滑轮组的机械效率不相等
B．人做的额外功相等
C．人做的总功相等
D．绳子自由端移动的距离相等
答案：C
解析：不计绳重和摩擦也就是 ( http: / / www.21cnjy.com )说只考虑动滑轮的重，克服动滑轮的重力做的功就是额外功，用同一滑轮组说明两次所用的是一个动滑轮，所以两次做的额外功是相等的，拉2000N的物体时做的有用功当然多，有用功在总功所占的比例就越大，机械效率就高。同一个滑轮组，绳子股数是相同的，物体上升的高度都是5m，所以绳子自由端移动的距离都等于物体上升高度的n倍。
5．（2013年南通中考 ( http: / / www.21cnjy.com )题）如图1所示，用手沿竖直方向匀速拉一个动滑轮，使挂在下面重为G的物体缓慢上升，动滑轮的重力不可忽略，现改变物体的重力G，则动滑轮的机械效率η与物体重力G的关系可能符合图2中的（ ）
图1
A． B． C． D．
图2
答案：B
解析：从题可知，动滑轮的重力不可忽略，则克服动滑轮的重力所做的功为额外功（绳重和摩擦产生的额外功较小，此处可不考虑）。机械效率公式可进一步推导：。
可以看出，随着物体的重力G增大，机械效 ( http: / / www.21cnjy.com )率公式中的分母越小，所以机械效率η增大。因为机械效率η与物体的重力G不是正比例函数关系，所以不可能是图A。
6．（2013年武汉中考题）如图3所示 ( http: / / www.21cnjy.com )，利用轻质滑轮组匀速拉动水平地面上重为300N的物体，拉力F的大小为30N。若物体和地面之间的摩擦力大小为45N，则A处的拉力大小和滑轮组的机械效率分别为（ ）
A．45N、50% B．45N、75% C．60N、50% D．60N、75%
图3
答案：B
解析：①物体在水平地面上做匀速运动，则此时A处绳子的拉力与物体与地面之间的摩擦力是一对平衡力，即A处的拉力大小为FA=f=45N。②本题中，拉力F所做的功为总功，克服物体摩擦力所做的功为有用功。从图可知，有2段绳子与动滑轮相连，则绳子自由端移动距离S=2S物，滑轮组的机械效率为。
7．如图4所示，用相同的滑轮不同的绕法提起相同的重物，摩擦力可以忽略不计，在物体匀速上升的过程中（ ）
A．甲图省力，机械效率甲图大 B．甲图省力，机械效率一样大
C．乙图省力，机械效率乙图大 D．乙图省力，机械效率一样大
图4
答案：B
解析：（1）分析左图滑轮组的结构，得出承担物重的绳子股数n=3。分析右图可知承担物重的绳子股数n=2。因摩擦力可以忽略不计，根据，所以甲图省力。（2）假设两种情况下把物体提示相同的高度，则两种情况下有用功相同，根据W总=W有用+W额外，要比较二者的机械效率，只要比较额外功即可。在摩擦力忽略不计时，额外功就等于提升动滑轮做的功。由于动滑轮和提升高度相同，所以额外功相同，故机械效率相同。
二、填空和计算题
8．如图5所示，在测定杠杆机械效率 ( http: / / www.21cnjy.com )的实验中，竖直向上匀速拉动弹簧测力计，使挂在杠杆OB下面的物块缓慢上升至虚线位置，测力计的示数F为 N，测力计上升的高度s为0．2m．物块重G为1．5N，物块上升的高度h为0．3m，则杠杆的机械效率为 %，使用该杠杆做额外功的一个原因是 。
答案：2．5 90% 使用该杠杆做额外功的一个原因是克服杠杆转动时的摩擦做功（或克服杠杆自重做功）。
解析：（1）对弹簧测力计进行读数时，需看清弹簧测力计的分度值，然后根据指针位置进行读数，弹簧测力计的分度值是0．1N，读数是：2．5N。（2）在实验中，弹簧测力计向上拉力做的功是总功，克服钩码重力做的功是有用功。因为杠杆自身有重力，提升物体的同时也要提升杠杆，即克服杠杆自重做功，就有了额外功。同时杠杆绕支点转动时也要克服摩擦力做功。
（3）使用该杠杆做额外功的一个原因是克服杠杆转动时的摩擦做功（或克服杠杆自重做功）。
9．建筑工地上，工人用如图6所示的装置将重为230N的建材从地面匀速送到6ｍ 高处，所用拉力为125N，时间为20s。求：（1）工人做的有用功；（2）工人做的总功；（3）此过程中该装置的机械效率；（4）工人做功的功率。
答案：（1）
（2）
（3）
（4）
解析：（1）工人做的有用功就是滑轮组克服 ( http: / / www.21cnjy.com )重物重力做的功；（2）工人做的总功等于所用拉力与绳端移动距离的乘积，注意绳子自由端移动的距离是物体升高距离的2倍；（3）装置的机械效率可以直接利用公式计算；（4）工人做功的功率应该是工人做的总功的功率。
10．如图7，小王站在高3m、长6m ( http: / / www.21cnjy.com )的斜面上，将重200N的木箱沿斜面匀速从底端拉上顶端，拉力大小恒为120N，所花时间是10s。求：（1）木箱沿斜面方向的运动速度。（2）小王对木箱做功的功率。（3）斜面的机械效率。
答案：（1）
（2）
（3），
解析：（1）木箱沿斜面方向的运动速度可 ( http: / / www.21cnjy.com )以直接利用速度公式计算。（2）小王对木箱做功的功率应该是总功的功率，而不是有用功。（3）先计算有用功，再计算斜面的机械效率就容易了。
11．某型号挖掘机的质量300 ( http: / / www.21cnjy.com )0kg，两履带与地面接触的总面积1．5m2。挖掘机在6s内将装满铲斗质量为0．75t的泥石送到岸边，挖掘深度h=2m。（如图8乙所示）（取g=10N/kg）求：（1）挖掘机静止在水平地面上不工作时对地面的压强多大？（2）挖掘机每挖一次泥土并水平移送到岸边，对泥土做功多少？（3）若发动机的总功率是20kw，挖泥土过程中挖掘机的机械效率多大？。
答案：
（1）
（2）
（3）
解析：（1）挖掘机静止时对地面的压力等于其重力，对地面的压强利用计算；（2）挖掘机挖土时，只有将土升高对土做功，水平移送到岸边时，因力与距离垂直不做功；（3）挖泥土过程中挖掘机的总功等于发动机的总功率与时间的乘积，再利用就可以计算机械效率。
12．某科技小组设计的提升重物的设备如图9甲所示。图中水平杆CD与竖直杆EH、DI组合成支架固定在水平地面上。小亮站在地面上通过滑轮组提升重物，滑轮组由动滑轮Q和安装在水平杆CD上的两个定滑轮组成。小亮以拉力F1匀速竖直提升物体A的过程中，物体A的速度为υ1，滑轮组的机械效率为ηA。小亮以拉力F2匀速竖直提升物体B的过程中，物体B的速度为υ2，滑轮组的机械效率为ηB。拉力F1、F2做的功随时间变化的图像分别如图9乙中①、②所示。已知：υ1=3υ2，物体A的体积为VA，物体B的体积为VB，且3VA=2VB，物体A的密度为ρA，物体B的密度为ρB，且8ρA=7ρB。（不计绳的质量，不计滑轮与轴的摩擦）
求：机械效率ηB与ηA之差。
答案：设物体A受的重力为GA，物体B受的重力为GB，动滑轮受的重力为G动。则,
所以 = （1）
由题中W－t图像可知：P1==90W P2==45W
由=，υ1=3υ2 ，解得：= （2）
由（1）、（2）解得：= （3）
由G＝ρgV ，3VA=2VB，8ρA=7ρB ，解得：= （4）
由（3）、（4）解得：
G动=GA G动=GB
ηA ====70%
ηB ===80%
ηB－ηA=80%－70%=10%
解析：试题以滑轮组的效率为载体，综合考 ( http: / / www.21cnjy.com )查了运动、力、质量、密度、重力、功、功率、机械效率等知识，试题对学生运用图像解决问题的能力进行了考查，对学生运用数学解决物理问题的能力要求较高。题目头绪较多，解题可以从这么几个角度入手。
从滑轮组中拉力与物重关系入手，在不计绳的质量，不计滑轮与轴的摩擦时，拉力．所以 =
从图像入手，由题中W－t图像可知：P1==90W ，P2==45W，
由=及υ1=3υ2，解得：= 。
从质量、密度、重力关系入手，由G＝mg=ρgV 、3VA=2VB、8ρA=7ρB 解得：=。
从滑轮组的机械效率入手：
由上面几个式子，经过数学运算，即可求出结果。
三、实验题
13．在做“测滑轮组机械效率”的实验中，小强和同学们组装了如图10所示的甲、乙两个滑轮组（每只滑轮重都相同，不计摩擦和绳重）。
（1）对于甲图所示的滑轮组，如果没有刻度尺 ( http: / / www.21cnjy.com )，只要测出钩码重G，然后竖直向上匀速拉动弹簧秤使钩码升高，从弹簧秤上读出拉力值F，即可算出该滑轮组的机械效率η= 。
（2）比较甲、乙两滑轮组的机械效率，可知η甲 η乙（选填：＞、＜或＝）。
（3）实验后小强猜想，对于同 ( http: / / www.21cnjy.com )一滑轮组（例如图乙），它的机械效率也可能不是固定的，于是他用实验进行了探究，并证明自己的猜想是正确的。你认为小强应采用的正确方法是什么？答： 。
答案：（1）η＝
（2）＞
（3）在保证滑轮个数、绳子绕法不变的前提下，改变钩码数量或提升的高度、提升的速度等因素，看滑轮组的机械效率是否改变。
解析：（1）根据η＝×100％= ，所以，没有刻度尺也能计算出机械效率。
（2）比较甲、乙两滑轮组，可看出提升的 ( http: / / www.21cnjy.com )钩码重相同，但乙的动滑轮重些，假设重物提升的高度相同，则有用功相同，而乙的额外功大些，所以乙的机械效率低。
（3）探究“同一滑轮组，它的机械效率也 ( http: / / www.21cnjy.com )可能不是固定的”这一猜想时，要注意控制变量的思想。即在保证滑轮个数、绳子绕法不变的前提下，改变钩码数量或提升的高度、提升的速度等因素，看滑轮组的机械效率是否改变。
14．小华看到工人利用斜面把货物推到车上 ( http: / / www.21cnjy.com )，联想到上物理课时老师讲过的知识，小华想探究斜面的机械效率可能与哪些因素有关？小华提出了以下的猜想：
A．斜面的机械效率可能与物体的重力有关
B．斜面的机械效率可能与斜面的倾斜程度有关
小华同学为了证实自己的猜想是否正确，于是他用同一块木板组成如图11所示的装置进行了实验探究，记录的实验数据如下表：
实验次数 斜面倾角θ 物块重量G/N 斜面高度h/m 沿斜面拉力F/N 斜面长S/m 有用功W有/J 总 功W总/J 斜面的机械效率
1 30° 5．0 0．6 4．2 1．2 3．0 5．0
2 30° 3．0 0．6 2．5 1．2 1．8 60%
3 45° 3．0 0．8 2．8 1．2 2．4 3．4 71%
（1）在实验操作过程中，应沿斜面向上____ ( http: / / www.21cnjy.com )____拉动木块；实验时要使木板的倾斜角变大，应该把木板下面的木块向_________移动（填“左”或“右”）。
（2）根据表格中数据，第①次实验斜面的机械效率为_______%，第②次实验中总功为______J。
（3）通过对比实验①、②数据，可验证 ( http: / / www.21cnjy.com )小华的猜想_________（填写字母）；通过对比实验②、③数据，可以得出的探究结论是：__________________________。
（4）除了小华的猜想以外，请你猜想斜面的机械效率还可能与______（写出一个）有关。
答案：（1）匀速 左；(2)60 ( http: / / www.21cnjy.com ) 3．0；（3）A 在其它条件相同时，斜面的倾斜程度越大，斜面的机械效率越高（或大）；或在其它条件相同时，斜面的机械效率与斜面的倾斜程度有关；（4）物体或斜面的粗糙程度。
解析：（1）必须使物体做匀速直线运动，物 ( http: / / www.21cnjy.com )体受力才是平衡力，拉力才是一个确定的数值。实验时要使木板的倾斜角变大，应该把木板下面的木块向左移动。
（2）根据机械效率的公式，容易计算第①次实验斜面的机械效率为60%，
（3）对比实验①、②，可以看出其它 ( http: / / www.21cnjy.com )条件相同，只改变了物体的重力；再看数据，发现斜面的机械效率相同。条件变了，而结果不变，说明结果与改变的条件无关，即斜面的机械效率与物体的重力无关．对比实验②、③，看出其它条件相同，只改变了斜面倾角；再看数据，发现斜面的机械效率不同，这说明结果与改变的条件有关，即斜面的机械效率与斜面倾角有关，而且斜面倾角越大，效率越高。
（4）造成使用斜面存在额外功的原因是物体与斜面间有摩擦力，接触面的粗糙程度影响摩擦力。
15．某实验小组利用图12示装置研究杠杆的机械效率，实验的主要步骤如下：
①用轻绳悬挂杠杆一端的O点作为支点，在A点用轻绳悬挂总重为G的钩码，在B点用轻绳竖直悬挂一个弹簧测力计，使杠杆保持水平；
②竖直向上拉动弹簧测力计缓慢匀速上升 ( http: / / www.21cnjy.com )(保持0点位置不变)，在此过程中弹簧测力计的读数为F，利用刻度尺分别测出A、B两点上升的高度为h1、h2
回答下列问题：
(1)杠杆机械效率的表达式为η=____________。(用已知或测量的物理量符号表示)
(2)本次实验中，若提升的钩码重一定，则影响杠杆机械效率的主要因素是：___________
(3)若只将钩码的悬挂点由A移至C，O ( http: / / www.21cnjy.com )、B位置不变，仍将钩码提升相同的高度，则杠杆的机械效率将_________(选填“变大”、“变小”或“不变”)。
答案：（1） （2）杠杆自身的重力 （3）变大
解析：（1）杠杆的机械效率：。
（2）如果没有额外功，则机械 ( http: / / www.21cnjy.com )的效率为100%。所以在有用功一定时，额外功的大小决定了机械效率大小。本题中，提升的钩码的同时，我们不得不提升杠杆，提升杠杆做的功就是额外功，因此杠杆自身的重力是影响杠杆机械效率的主要因素。
（3）由题意知，将钩码提升相同的高度，做的有用功不变。O、B位置不变，只将钩码的悬挂点由A移至C，将使拉力变大，同时拉力上升的距离将变小（由于C比A离支点O远，所以将钩码提升相同的高度，拉力上升的高度将变小），这样无法判断总功的变化，因而无法判断杠杆机械效率的变化。我们换一种思路：总功等于有用功与额外功之和，有用功不变，只要判断额外功的变化即可。题目中告诉我们，O、B位置不变，由于C比A离支点O远，所以将钩码提升相同的高度，杠杆重心升高的高度将变小，即额外功变小，由公式可知，在一定时，Ｗ额外越小，机械效率越大。
江苏丰县初级中学 杨 雷
一、教学目标
（一）知识与技能
1．能结合实例分析什么是有用功、额外功和总功。
2．明确机械效率是描述做功效率的物理量。能利用机械效率的公式进行简单的计算。
3．能设计实验，测定某种简单机械的机械效率。
（二）过程与方法
1．通过探究使用动滑轮的特点，知道使用机械就要做额外功。
2．通过实验与讨论，认识提高机械效率的主要方法。
（三）情感态度与价值观
知道提高机械效率的实际意义和方法，有合理改进机械、提高效率的意识，增强将科学服务于人类的责任感。
二、教学重难点
本节内容由“有用功和额外功”“机械效率” ( http: / / www.21cnjy.com )两部分构成，机械效率是本节教学的重点。教学中要通过实例分析有用功、额外功和总功，使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，激发学生的学习兴趣，同时增加他们的实践体验。
重点：机械效率的概念和有关计算。
难点：测量滑轮组的机械效率。
三、教学策略
以“利用动滑轮提升重物”为背景，提出问题： ( http: / / www.21cnjy.com )动力对绳子做功等于动滑轮提升重物所做的功吗？让学生猜测并设计实验来验证自己的猜想。学生经过数据分析后发现，动力对绳子做的功总是大于动滑轮提升物体做的功。进一步分析讨论，引出有用功、额外功和总功，以及它们之间的关系和效率的概念。通过理解、运用机械效率解决实际问题，认识到提高机械效率的两种方法：减小额外功和增加有用功。在讨论了怎样提高机械效率的问题之后，把效率问题延伸到学生的学习和生活中。使学生明白只有提高学习效率才能顺利完成任务。
四、教学资源准备
多媒体设备、实物投影仪、动滑轮、钩码、铁架台、弹簧测力计、刻度尺、细线等。
五、教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课（5分钟） 小明家最近买了一处新楼房， ( http: / / www.21cnjy.com )家在三楼。想把洗 ( http: / / www.21cnjy.com )手间、厨房装修一下，需把沙子运到三楼。请同学们根据需要，选择器械帮助小明家解决这个问题，看看哪个小组选的办法最好？图1如图1所示的三种方法供参考：第1种是人直接提着沙子上楼；第2种是把沙子放进桶里，人通过动滑轮把沙子拉上楼；第3种是把沙子放进质量较小的袋子里，人通过动滑轮把沙子拉上楼。 请学生发表自己的见解，提出各种方案。并对各个方案进行讨论，比较优缺点。 经过讨论明确第一种方法太不方便。第三种方法最好，因为它比第二种方法用的力小。提升相同高度做的功少。 创设真实的情景，容易激发学生兴趣，顺利进入教学。 通过讨论，为下面学习有用功与额外功做好铺垫。
新课教学（30分钟） 一、有用功和额外功结合用动滑轮提升沙子，请同学们观看提沙子过程的视频。思考：1．在把沙子从一楼运上三楼的过程中，每种方法中各对哪些物体做了功？2．无论他采取哪种方法都必须做的功是他对什么做的功？3．在几种不同的方法中他不愿做但又不得不做的功分别是什么？板书：一般来说，机械对外所做的功为有用功，机械克服自身部件的重力和摩擦力所做的功为额外功，动力对机械所做的功为总功。总功等于有用功与额外功之和。指出：前面实验中，第三种方法最好，因为第三种方法做的额外功最少，总功最少。讨论：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一样吗？（手拉绳做的功与动滑轮对沙子做的功相等吗？）怎样探究这个问题？1．设计实验方案：用手通过一只弹簧测力计拉一个动滑轮，沿竖直方向匀速缓慢提起重为G的钩码。2．为了探究上述问题需要测量的物理量是：手对绳的拉力F、手移动的距离s、钩码的重力、钩码上升的高度h。3．改变钩码的数量，重复上述测量。4．设计表格，将实验数据填入表中。次数手的拉力F/N手移动距离s/m钩码重G/N钩码上升高度h/m1 2 3 5．分析实验数据：（1）手拉绳所做的功与动滑轮拉钩码所做的功是否相等？（2）哪一个做的功多一些？（3）你认为产生这一现象的原因是什么？ 进一步思考并回答。 边实验边填表。分析实验误差，指出要使重物重一些，误差就会小一些。 （1）不相等（2）手拉绳做的功多（3）有摩擦，在提起重物时还要提起动滑轮。 进一步理解有用功和额外功。并会测量有用功和总功。
二、机械效率工作中，我们总是希望额外功越少越好；也就是有用功在总功中所占的比例越大越好。在物理学中，用机械效率表示有用功在总功中所占的比例。计算公式： 三者之间的关系：注意：对于实际机械，由于总是有额外功存在，η＜1。组织学生讨论：1.机械效率有单位吗？2．为什么机械效率没有大于1的？3．用小数和百分数来表达机械效率，你认为那种表达更好？通过多媒体展示例题：利用如图2所示的滑轮组，在F=80N的拉力作用下,将一个重为180N的物体匀速举高1m，绳重、摩擦不计。求：总功、有用功、额外功和滑轮组的机械效率。图2（1）组织学生分析、讨论、计算（2）展示学生解题过程（3）总结、评价如何测量滑轮组的机械效率：1．实验原理：2．器材：刻度尺、钩码、弹簧测力计、铁架台、甲、乙两个滑轮组、长约2m的细绳。3．步骤：①用弹簧测力计测量钩码所受的重力G并填入表格。②分别记下钩码和弹簧测力计的位置。③缓慢拉动弹簧测力计，使钩码升高，读出拉力F值，用刻度尺测出钩码上升的高度h和弹簧测力计移动的距离s，将这三个量填入表格。④算出有用功W有用、总功 W总功、机械效率η并填入表格。实验次数G (N)h(m)W有用（J）F (N)s (m)W总（J）η1 2 3 4 结论：1．动滑轮重一定,物重越大，机械效率高。2．物重一定，动滑轮越重，机械效率低。讨论：如何提高滑轮组的机械效率？讨论后得出：提高滑轮组的机械效率的主要方法有：尽可能地增加物重，减小动滑轮重，减轻绳重和滑轮转轴处的摩擦。 经过讨论回答：机械效率没有单位， 总小于1，用百分数表示。意在练习机械效率公式的应用、使学生加深认识有用功、额外功和总功的概念。 学生动手实验 理论联系实际，培养学生将科学知识应用于日常生活和社会实践的意识。 锻炼分析实际问题的能力。 通过交流与合作，培养学生团结合作精神。
课堂小结（5分钟） 让学生分组讨论，总结本节学到了什么知识，有哪些收获？ 学生自己归纳总结，分小组发言，教师对学生归纳发言较好的给予表扬，并指出其中的不足。 让学生有表现自我的机会，并且发现学习过程中出现的问题。
《机械效率》同步测试
江苏省丰县初级中学 刘庆贺
一、选择题
1．关于机械效率，下面说法正确的是（ ）
A．功率越大的机械，机械效率越高
B．机械效率越高的机械越省力
C．机械效率越低的机械，做的功就越少
D．由于有用功总小于总功，机械效率总小于1
答案：D
解析：功率是单位时间内做的功，表示的是 ( http: / / www.21cnjy.com )做功的快慢，机械效率是指有用功与总功的比值，两者没有必然的联系，故A说法不正确。机械效率高说明有用功与总功的比值大，与机械省不省力无关，故B说法不正确。机械效率是指有用功与总功的比值，机械效率越低，有用功与总功的比值小，不能说明做的功越少，故C说法不正确。使用任何机械，除了做有用功外，都不可避免地要做额外功，所以有用功总小于总功，机械效率是指有用功与总功的比值，所以机械效率总小于1，故D说法正确。
2．下列叙述中能够提高机械效率的是（ ）
A．增加有用功
B．减小机械间的摩擦
C．减小总功
D．使用最省力的机械
答案：B
解析：只有在总功不变的情况下，增加 ( http: / / www.21cnjy.com )有用功才会提高机械效率，只说增加有用功的说法不够严密，故A错；减小机械间的摩擦可以有效地减小额外功，是可行的办法，故B正确；在有用功不变的情况下，减小总功可以提高机械效率，但只说减小总功的说法不够严密，故C错；使用最省力的机械只能说明其省力，但不能说明其额外功的情况，有时甚至额外功会更大，故D错。
3．（2013年枣庄中考题）甲吊车比乙吊车的机械效率高，当它们分别把相同质量的物体匀速提升相同高度时，则（ ）
A．甲吊车的电动机做的有用功较多
B．乙吊车的电动机做的额外功较多
C．甲吊车的电动机做的总功较多
D．甲、乙两吊车的电动机做的总功相同
答案：B
解析：甲吊车的机械效率比乙吊车的机 ( http: / / www.21cnjy.com )械效率高，说明甲吊车所做的有用功在总功中占的比值比乙吊车大；把相同质量的物体提高相同的高度，根据公式W有用=Gh=mgh可知：两辆吊车所做的有用功相同；机械效率不同，是因为做的额外功不同，导致总功不同。
4．有一人用同一滑轮组分别将重1000N和2 ( http: / / www.21cnjy.com )000N的物体匀速提升5m，动滑轮重200N，不计绳重和摩擦，则上述两种情况中错误的说法是（ ）
A．滑轮组的机械效率不相等
B．人做的额外功相等
C．人做的总功相等
D．绳子自由端移动的距离相等
答案：C
解析：不计绳重和摩擦也就是 ( http: / / www.21cnjy.com )说只考虑动滑轮的重，克服动滑轮的重力做的功就是额外功，用同一滑轮组说明两次所用的是一个动滑轮，所以两次做的额外功是相等的，拉2000N的物体时做的有用功当然多，有用功在总功所占的比例就越大，机械效率就高。同一个滑轮组，绳子股数是相同的，物体上升的高度都是5m，所以绳子自由端移动的距离都等于物体上升高度的n倍。
5．（2013年南通中考 ( http: / / www.21cnjy.com )题）如图1所示，用手沿竖直方向匀速拉一个动滑轮，使挂在下面重为G的物体缓慢上升，动滑轮的重力不可忽略，现改变物体的重力G，则动滑轮的机械效率η与物体重力G的关系可能符合图2中的（ ）
图1
A． B． C． D．
图2
答案：B
解析：从题可知，动滑轮的重力不可忽略，则克服动滑轮的重力所做的功为额外功（绳重和摩擦产生的额外功较小，此处可不考虑）。机械效率公式可进一步推导：。
可以看出，随着物体的重力G增大，机械效 ( http: / / www.21cnjy.com )率公式中的分母越小，所以机械效率η增大。因为机械效率η与物体的重力G不是正比例函数关系，所以不可能是图A。
6．（2013年武汉中考题）如图3所示 ( http: / / www.21cnjy.com )，利用轻质滑轮组匀速拉动水平地面上重为300N的物体，拉力F的大小为30N。若物体和地面之间的摩擦力大小为45N，则A处的拉力大小和滑轮组的机械效率分别为（ ）
A．45N、50% B．45N、75% C．60N、50% D．60N、75%
图3
答案：B
解析：①物体在水平地面上做匀速运动，则此时A处绳子的拉力与物体与地面之间的摩擦力是一对平衡力，即A处的拉力大小为FA=f=45N。②本题中，拉力F所做的功为总功，克服物体摩擦力所做的功为有用功。从图可知，有2段绳子与动滑轮相连，则绳子自由端移动距离S=2S物，滑轮组的机械效率为。
7．如图4所示，用相同的滑轮不同的绕法提起相同的重物，摩擦力可以忽略不计，在物体匀速上升的过程中（ ）
A．甲图省力，机械效率甲图大 B．甲图省力，机械效率一样大
C．乙图省力，机械效率乙图大 D．乙图省力，机械效率一样大
图4
答案：B
解析：（1）分析左图滑轮组的结构，得出承担物重的绳子股数n=3。分析右图可知承担物重的绳子股数n=2。因摩擦力可以忽略不计，根据，所以甲图省力。（2）假设两种情况下把物体提示相同的高度，则两种情况下有用功相同，根据W总=W有用+W额外，要比较二者的机械效率，只要比较额外功即可。在摩擦力忽略不计时，额外功就等于提升动滑轮做的功。由于动滑轮和提升高度相同，所以额外功相同，故机械效率相同。
二、填空和计算题
8．如图5所示，在测定杠杆机械效率 ( http: / / www.21cnjy.com )的实验中，竖直向上匀速拉动弹簧测力计，使挂在杠杆OB下面的物块缓慢上升至虚线位置，测力计的示数F为 N，测力计上升的高度s为0．2m．物块重G为1．5N，物块上升的高度h为0．3m，则杠杆的机械效率为 %，使用该杠杆做额外功的一个原因是 。
答案：2．5 90% 使用该杠杆做额外功的一个原因是克服杠杆转动时的摩擦做功（或克服杠杆自重做功）。
解析：（1）对弹簧测力计进行读数时，需看清弹簧测力计的分度值，然后根据指针位置进行读数，弹簧测力计的分度值是0．1N，读数是：2．5N。（2）在实验中，弹簧测力计向上拉力做的功是总功，克服钩码重力做的功是有用功。因为杠杆自身有重力，提升物体的同时也要提升杠杆，即克服杠杆自重做功，就有了额外功。同时杠杆绕支点转动时也要克服摩擦力做功。
（3）使用该杠杆做额外功的一个原因是克服杠杆转动时的摩擦做功（或克服杠杆自重做功）。
9．建筑工地上，工人用如图6所示的装置将重为230N的建材从地面匀速送到6ｍ 高处，所用拉力为125N，时间为20s。求：（1）工人做的有用功；（2）工人做的总功；（3）此过程中该装置的机械效率；（4）工人做功的功率。
答案：（1）
（2）
（3）
（4）
解析：（1）工人做的有用功就是滑轮组克服 ( http: / / www.21cnjy.com )重物重力做的功；（2）工人做的总功等于所用拉力与绳端移动距离的乘积，注意绳子自由端移动的距离是物体升高距离的2倍；（3）装置的机械效率可以直接利用公式计算；（4）工人做功的功率应该是工人做的总功的功率。
10．如图7，小王站在高3m、长6m ( http: / / www.21cnjy.com )的斜面上，将重200N的木箱沿斜面匀速从底端拉上顶端，拉力大小恒为120N，所花时间是10s。求：（1）木箱沿斜面方向的运动速度。（2）小王对木箱做功的功率。（3）斜面的机械效率。
答案：（1）
（2）
（3），
解析：（1）木箱沿斜面方向的运动速度可 ( http: / / www.21cnjy.com )以直接利用速度公式计算。（2）小王对木箱做功的功率应该是总功的功率，而不是有用功。（3）先计算有用功，再计算斜面的机械效率就容易了。
11．某型号挖掘机的质量300 ( http: / / www.21cnjy.com )0kg，两履带与地面接触的总面积1．5m2。挖掘机在6s内将装满铲斗质量为0．75t的泥石送到岸边，挖掘深度h=2m。（如图8乙所示）（取g=10N/kg）求：（1）挖掘机静止在水平地面上不工作时对地面的压强多大？（2）挖掘机每挖一次泥土并水平移送到岸边，对泥土做功多少？（3）若发动机的总功率是20kw，挖泥土过程中挖掘机的机械效率多大？。
答案：
（1）
（2）
（3）
解析：（1）挖掘机静止时对地面的压力等于其重力，对地面的压强利用计算；（2）挖掘机挖土时，只有将土升高对土做功，水平移送到岸边时，因力与距离垂直不做功；（3）挖泥土过程中挖掘机的总功等于发动机的总功率与时间的乘积，再利用就可以计算机械效率。
12．某科技小组设计的提升重物的设备如图9甲所示。图中水平杆CD与竖直杆EH、DI组合成支架固定在水平地面上。小亮站在地面上通过滑轮组提升重物，滑轮组由动滑轮Q和安装在水平杆CD上的两个定滑轮组成。小亮以拉力F1匀速竖直提升物体A的过程中，物体A的速度为υ1，滑轮组的机械效率为ηA。小亮以拉力F2匀速竖直提升物体B的过程中，物体B的速度为υ2，滑轮组的机械效率为ηB。拉力F1、F2做的功随时间变化的图像分别如图9乙中①、②所示。已知：υ1=3υ2，物体A的体积为VA，物体B的体积为VB，且3VA=2VB，物体A的密度为ρA，物体B的密度为ρB，且8ρA=7ρB。（不计绳的质量，不计滑轮与轴的摩擦）
求：机械效率ηB与ηA之差。
答案：设物体A受的重力为GA，物体B受的重力为GB，动滑轮受的重力为G动。则,
所以 = （1）
由题中W－t图像可知：P1==90W P2==45W
由=，υ1=3υ2 ，解得：= （2）
由（1）、（2）解得：= （3）
由G＝ρgV ，3VA=2VB，8ρA=7ρB ，解得：= （4）
由（3）、（4）解得：
G动=GA G动=GB
ηA ====70%
ηB ===80%
ηB－ηA=80%－70%=10%
解析：试题以滑轮组的效率为载体，综合考 ( http: / / www.21cnjy.com )查了运动、力、质量、密度、重力、功、功率、机械效率等知识，试题对学生运用图像解决问题的能力进行了考查，对学生运用数学解决物理问题的能力要求较高。题目头绪较多，解题可以从这么几个角度入手。
从滑轮组中拉力与物重关系入手，在不计绳的质量，不计滑轮与轴的摩擦时，拉力．所以 =
从图像入手，由题中W－t图像可知：P1==90W ，P2==45W，
由=及υ1=3υ2，解得：= 。
从质量、密度、重力关系入手，由G＝mg=ρgV 、3VA=2VB、8ρA=7ρB 解得：=。
从滑轮组的机械效率入手：
由上面几个式子，经过数学运算，即可求出结果。
三、实验题
13．在做“测滑轮组机械效率”的实验中，小强和同学们组装了如图10所示的甲、乙两个滑轮组（每只滑轮重都相同，不计摩擦和绳重）。
（1）对于甲图所示的滑轮组，如果没有刻度尺 ( http: / / www.21cnjy.com )，只要测出钩码重G，然后竖直向上匀速拉动弹簧秤使钩码升高，从弹簧秤上读出拉力值F，即可算出该滑轮组的机械效率η= 。
（2）比较甲、乙两滑轮组的机械效率，可知η甲 η乙（选填：＞、＜或＝）。
（3）实验后小强猜想，对于同 ( http: / / www.21cnjy.com )一滑轮组（例如图乙），它的机械效率也可能不是固定的，于是他用实验进行了探究，并证明自己的猜想是正确的。你认为小强应采用的正确方法是什么？答： 。
答案：（1）η＝
（2）＞
（3）在保证滑轮个数、绳子绕法不变的前提下，改变钩码数量或提升的高度、提升的速度等因素，看滑轮组的机械效率是否改变。
解析：（1）根据η＝×100％= ，所以，没有刻度尺也能计算出机械效率。
（2）比较甲、乙两滑轮组，可看出提升的 ( http: / / www.21cnjy.com )钩码重相同，但乙的动滑轮重些，假设重物提升的高度相同，则有用功相同，而乙的额外功大些，所以乙的机械效率低。
（3）探究“同一滑轮组，它的机械效率也 ( http: / / www.21cnjy.com )可能不是固定的”这一猜想时，要注意控制变量的思想。即在保证滑轮个数、绳子绕法不变的前提下，改变钩码数量或提升的高度、提升的速度等因素，看滑轮组的机械效率是否改变。
14．小华看到工人利用斜面把货物推到车上 ( http: / / www.21cnjy.com )，联想到上物理课时老师讲过的知识，小华想探究斜面的机械效率可能与哪些因素有关？小华提出了以下的猜想：
A．斜面的机械效率可能与物体的重力有关
B．斜面的机械效率可能与斜面的倾斜程度有关
小华同学为了证实自己的猜想是否正确，于是他用同一块木板组成如图11所示的装置进行了实验探究，记录的实验数据如下表：
实验次数 斜面倾角θ 物块重量G/N 斜面高度h/m 沿斜面拉力F/N 斜面长S/m 有用功W有/J 总 功W总/J 斜面的机械效率
1 30° 5．0 0．6 4．2 1．2 3．0 5．0
2 30° 3．0 0．6 2．5 1．2 1．8 60%
3 45° 3．0 0．8 2．8 1．2 2．4 3．4 71%
（1）在实验操作过程中，应沿斜面向上____ ( http: / / www.21cnjy.com )____拉动木块；实验时要使木板的倾斜角变大，应该把木板下面的木块向_________移动（填“左”或“右”）。
（2）根据表格中数据，第①次实验斜面的机械效率为_______%，第②次实验中总功为______J。
（3）通过对比实验①、②数据，可验证 ( http: / / www.21cnjy.com )小华的猜想_________（填写字母）；通过对比实验②、③数据，可以得出的探究结论是：__________________________。
（4）除了小华的猜想以外，请你猜想斜面的机械效率还可能与______（写出一个）有关。
答案：（1）匀速 左；(2)60 ( http: / / www.21cnjy.com ) 3．0；（3）A 在其它条件相同时，斜面的倾斜程度越大，斜面的机械效率越高（或大）；或在其它条件相同时，斜面的机械效率与斜面的倾斜程度有关；（4）物体或斜面的粗糙程度。
解析：（1）必须使物体做匀速直线运动，物 ( http: / / www.21cnjy.com )体受力才是平衡力，拉力才是一个确定的数值。实验时要使木板的倾斜角变大，应该把木板下面的木块向左移动。
（2）根据机械效率的公式，容易计算第①次实验斜面的机械效率为60%，
（3）对比实验①、②，可以看出其它 ( http: / / www.21cnjy.com )条件相同，只改变了物体的重力；再看数据，发现斜面的机械效率相同。条件变了，而结果不变，说明结果与改变的条件无关，即斜面的机械效率与物体的重力无关．对比实验②、③，看出其它条件相同，只改变了斜面倾角；再看数据，发现斜面的机械效率不同，这说明结果与改变的条件有关，即斜面的机械效率与斜面倾角有关，而且斜面倾角越大，效率越高。
（4）造成使用斜面存在额外功的原因是物体与斜面间有摩擦力，接触面的粗糙程度影响摩擦力。
15．某实验小组利用图12示装置研究杠杆的机械效率，实验的主要步骤如下：
①用轻绳悬挂杠杆一端的O点作为支点，在A点用轻绳悬挂总重为G的钩码，在B点用轻绳竖直悬挂一个弹簧测力计，使杠杆保持水平；
②竖直向上拉动弹簧测力计缓慢匀速上升 ( http: / / www.21cnjy.com )(保持0点位置不变)，在此过程中弹簧测力计的读数为F，利用刻度尺分别测出A、B两点上升的高度为h1、h2
回答下列问题：
(1)杠杆机械效率的表达式为η=____________。(用已知或测量的物理量符号表示)
(2)本次实验中，若提升的钩码重一定，则影响杠杆机械效率的主要因素是：___________
(3)若只将钩码的悬挂点由A移至C，O ( http: / / www.21cnjy.com )、B位置不变，仍将钩码提升相同的高度，则杠杆的机械效率将_________(选填“变大”、“变小”或“不变”)。
答案：（1） （2）杠杆自身的重力 （3）变大
解析：（1）杠杆的机械效率：。
（2）如果没有额外功，则机械 ( http: / / www.21cnjy.com )的效率为100%。所以在有用功一定时，额外功的大小决定了机械效率大小。本题中，提升的钩码的同时，我们不得不提升杠杆，提升杠杆做的功就是额外功，因此杠杆自身的重力是影响杠杆机械效率的主要因素。
（3）由题意知，将钩码提升相同的高度，做的有用功不变。O、B位置不变，只将钩码的悬挂点由A移至C，将使拉力变大，同时拉力上升的距离将变小（由于C比A离支点O远，所以将钩码提升相同的高度，拉力上升的高度将变小），这样无法判断总功的变化，因而无法判断杠杆机械效率的变化。我们换一种思路：总功等于有用功与额外功之和，有用功不变，只要判断额外功的变化即可。题目中告诉我们，O、B位置不变，由于C比A离支点O远，所以将钩码提升相同的高度，杠杆重心升高的高度将变小，即额外功变小，由公式可知，在一定时，Ｗ额外越小，机械效率越大。