12.3 机械效率 课件（共46张PPT）2023-2024学年人教版八年级物理下册

(共46张PPT)
第3节 机械效率
第十二章 简单机械
导入
生活中我们常常会遇到“效率”这个词，例如学习效率、工作效率等。
利用机械帮助我们完成某项任务，也会涉及效率问题，我们称为机械效率。
要研究机械效率，就要先研究使用机械做功的情况。
一、有用功和额外功
不使用机械直接提升物体做的功，与使用机械提升物体时做的功相同吗？
一、有用功和额外功
实验：使用动滑轮是否省功
实验步骤：
（1）如图甲，用弹簧测力计将钩码缓慢地提升一定
高度，计算拉力所做的功。
（2）如图乙，用弹簧测力计并借助一个动滑轮将同样的钩码缓慢地提升相同的高度，再次计算拉力所做的功。
一、有用功和额外功
这两次拉力所做的功一样吗？
不一样，虽然在两次实验中钩码被提升了相同的高度，但第二次拉力做的功反而要多一些；
为什么第二次拉力做的功会多一些？多做的功源于哪里？
使用动滑轮的确会省力，但拉力移动的距离增加了一倍；使用动滑轮时，不但对钩码做功，还会克服动滑轮所受的重力做功，会克服摩擦做功，要多做功，所以使用动滑轮提升重物非但不省功，还要费功。
使用任何机械都不省功，实际情况下反而费功。
一、有用功和额外功
在上面的实验中：
无论是否使用动滑轮，钩码都被提升了，克服钩码所受重力做的功是必须要做的，叫做有用功（W有）。

对有用功的理解：
为了达到目的，必须做的，对人们有用的功。
例如：用动滑轮提水上楼，克服水所受重力做的功就是有用功，W有＝Gh。
一、有用功和额外功
使用动滑轮提升钩码，不得不克服动滑轮本身所受的重力以及摩擦力等因素的影响而多做一些功，这部分功叫做额外功（W额）。

对额外功的理解：
①为了达到目的时，额外做的功。
②额外功主要有两种，克服机械自身所受的重力以及机械内部的摩擦力做的功。
例如：用动滑轮提水上楼，克服动滑轮和水桶本身所受的重力以及摩擦做的功就是
额外功。
一、有用功和额外功
有用功与额外功之和是总共做的功，叫做总功（W总）。
总功、有用功和额外功之间的关系：W总＝W有＋W额

对总功的理解：
在达到目的的过程中，实际做的所有的功。

例如：用动滑轮提水上楼，人的拉力做的功就是总功， W总＝Fs。
一、有用功和额外功
小试牛刀：
1.小吕用水桶从井中提水的时候，小吕所做的有用功是 ，
额外功是 ；
取完水后，小吕不小心把桶掉到井里，从井里打捞起桶的时候，捞上的桶里带了一些水，这种情况下，小吕所做的有用功是 ，
额外功是 。
克服桶内水所受的重力做的功
克服水桶所受的重力做的功
克服水桶所受的重力做的功
克服桶内水所受的重力做的功
一、有用功和额外功
2.小吕用三种方法把沙子从一楼运到三楼，如图所示，忽略绳重以及摩擦力，根据图中数据算出三种方法所做有用功的大小均为 J，
其中一种方法做的总功最多，等于 J。
600
3120
二、机械效率
在保证所做有用功一定的情况下，额外功越少越好还是越多越好？即额外功在总功中所占的比例越少越好还是越多越好？
物理学中，将有用功跟总功的比值叫做机械效率。
公式：
二、机械效率
额外功在总功中所占的比例越少，有用功在总功中所占的比例越多，机械效率越大，机械的做功性能就越好。
机械效率是标志机械做功性能好坏的物理量。
使用任何机械都不可避免地要做额外功，有用功总是小于总功，所以机械效率总是小于1的；机械效率通常用百分数表示。
二、机械效率
（1）使用滑轮组匀速提升物体时，有用功、总功和额外功分别是哪些力做的功？
竖直滑轮组
克服物体自身重力做的功
W有=Gh
拉力做的功
W总=Fs
W额：克服动滑轮重力、绳重力以及摩擦做的功
二、机械效率
（2）使用滑轮组匀速水平拉动物体时，有用功、总功和额外功分别是哪些力做的功？
水平滑轮组
克服物体与地面间
摩擦力做的功
W有=fs物
拉力做的功
W总=Fs
W额：克服滑轮组内部的摩擦做的功
二、机械效率
（3）使用斜面匀速提升物体时，有用功、总功和额外功分别是哪些力做的功？
斜面
克服物体自身
重力做的功
W有=Gh
拉力做的功
W总=Fs
克服物体与斜面间
摩擦力做的功
W额=fs
二、机械效率
例题：起重机把质量1t的重物匀速提升了1.5m，而它的电动机所做的功是3104J，起重机的机械效率是多少？g取10N/kg。
m=1t=1103kg
起重机匀速提升重物，拉力与物体所受重力为二力平衡，F=G=mg=1103kg10N/kg=1104N
W有=Fh=1104N1.5m=1.5104J
W 总=3104J
η===0.5=50%
二、机械效率
小试牛刀：
1.为了装修新居，小吕用如图所示的滑轮组提升瓷砖，他将质量m为35kg的瓷砖缓慢匀速提升，绳子自由端移动了12m，所用拉力F为200N，整个过程中所用时间是2min。
（g取10N/kg）请求出：
（1）小吕做的有用功？
（2）小吕拉力做功的功率？
（3）滑轮组的机械效率？（保留三位小数）
（1）h=s=12m=4m
G=mg=35kg10N/kg=350N
W有=Gh=350N4m=1400J
（2）W总=Fs=200N12m=2400J
t=2min=120s
P===20W
（3）η== ≈0.583≈58.3%
二、机械效率
2.图1所示，用100N的拉力F1水平拉动重力为250N的物体A，在水平路面上匀速直线运动的距离为1m；换用滑轮组拉动物体A在同一路面匀速直线运动的距离为1m，拉力F2为40N（如图2），求出此过程中滑轮组的：
（1）有用功为多少？
（2）总功为多少？
（3）额外功为多少？
（4）机械效率为多少？（保留三位小数）
（2）s绳=3s=3×1m=3m
W总=F2s绳=40N×3m=120J
（3）W额=W总﹣W有=120J﹣100J=20J
（4）η==≈0.833≈83.3%
（1）物体A匀速直线运动处于平衡状态，拉力F1和地面对物体的摩擦力为二力平衡，
f=F1，W有=fs=100N×1m=100J
二、机械效率
3.图1中用拉力F1水平拉动重力为G的物体A在水平路面上匀速直线运动了s距离，图2改用滑轮组拉动物体A在同一水平路面匀速直线运动了s距离，绳子自由端拉力F2，此过程中滑轮组的( )
A.总功为F2s
B.额外功为F1s
C.机械效率为
D.额外功为3F2s－F1s
D
二、机械效率
4.如图所示，利用滑轮组装置匀速拉动水平面上的物体，已知重力为10N的物体在水平面上受到的滑动摩擦力为3N，绳子自由端移动的距离为3m，绳子自由端的拉力为2N，滑轮组装置的机械效率为 。
50%
二、机械效率
5.如图所示，斜面总长度5m、高度1.6m，小吕用400N的推力将重力为1000N的货物，沿斜面匀速向上从底端推到顶端，在此过程中，请求出：
（1）斜面的有用功为多少？
（2）斜面的总功为多少？
（3）斜面的机械效率为多少？
（4）斜面对货物的摩擦力为多少？
（1）W有=Gh=1000N1.6m=1600J
（2）W总=Fs=400N5m=2000J
（3）η===80%
（4）W额=W总-W有=2000J-1600J=400J
由W额=fs,得f===80N
二、机械效率
6.将重力G的铁块放在水平地面上，悟空用如图所示的滑轮组将铁块缓慢匀速提升，铁块被提升了6m的高度，绳子自由端的拉力F为375N，此过程中，滑轮组的机械效率是80%。
（g取10N/kg）请求出：
（1）请在图中画出该滑轮组的绕绳方式？
（2）悟空提升铁块做的总功？
（3）铁块的质量？
二、机械效率
6.将重力G的铁块放在水平地面上，悟空用如图所示的滑轮组将铁块缓慢匀速提升，铁块被提升了6m的高度，绳子自由端的拉力F为375N，此过程中，滑轮组的机械效率是80%。
（g取10N/kg）请求出：
（1）请在图中画出该滑轮组的绕绳方式？
（2）悟空提升铁块做的总功？
（3）铁块的质量？
（2）s=4h=46m=24m
W总=Fs=375N24m=9000J
（3）由η=，
得W有=η W总=80%9000J=7200J
由W有=Gh，得G===1200N
由G=mg，得m===120kg
二、机械效率
7.一座雕像不慎陷入泥泞地面，司机驾驶着质量为1.5×103kg的汽车利用如图所示的滑轮组将雕像拖出，已知整个过程中，汽车的牵引力为550N，汽车受到的阻力大小为汽车自身重力大小的倍，4s内雕像沿水平方向匀速直线运动了2m的距离，滑轮组机械效率为75%。
（g取10N/kg）请求出：
（1）将雕像从泥泞中拉出的过程中，
汽车拉绳子的拉力对滑轮组做了多少功？
（1）G=mg=1.5×103kg×10N/kg=1.5×104 N
f= G=150N
汽车匀速直线运动处于平衡状态，F牵=F+f
由F牵=F+f，得F=F牵-f=550N-150N=400N
s车=2s雕=2×2m=4m
W总=Fs车=400N×4m=1600J
二、机械效率
8.一座雕像不慎陷入泥泞地面，司机驾驶着质量为1.5×103kg的汽车利用如图所示的滑轮组将雕像拖出，已知整个过程中，汽车的牵引力为550N，汽车受到的阻力大小为汽车自身重力大小的倍，4s内雕像沿水平方向匀速直线运动了2m的距离，滑轮组机械效率为75%。
（g取10N/kg）请求出：
（2）滑轮组做的有用功为多少？
（3）汽车牵引力做功的功率为多少？
（2）由η=，
得W有=ηW总=75%1600J=1200J
（3）W=F牵s车=550N×4m=2200J
P===550W
二、机械效率
9.建筑工人要向楼上运送货物，为了省力，他在一个斜面上安装了一个滑轮组，做成如图所示的装置，斜面固定在水平面上，运送货物时，工人用400N的拉力拉绳子，使重力为900N的货物沿斜面匀速运动了6m距离，货物被提升了4m的高度，货物受到斜面的摩擦力为150N，求此过程中：
（1）该装置做的有用功为多少？
（2）该装置做的总功为多少？
（3）该装置的机械效率为多少？
（1）W有=Gh=900N4m=3600J
（2）s绳=2s物=26m=12m
W总=Fs绳=400N12m=4800J
（3）η===0.75=75%
二、机械效率
实验：测量滑轮组的机械效率（探究影响滑轮组的机械效率的因素）

实验设计：怎样计算有用功？怎样计算总功？需要测量哪几个量？

实验原理：η==
二、机械效率
实验步骤：
（1）用弹簧测力计测量钩码所受的重力G。
（2）安装滑轮组，分别记下钩码和绳端的位置。
（3）沿竖直方向缓慢匀速拉动弹簧测力计，使钩码升高，读出拉力F的值；用刻度尺测出钩码上升高度h和绳端移动的距离s。
（4）改变钩码的数量，重复上面的实验操作。
简化实验操作：η===；
只需要测量钩码所受的重力G和拉力F。
二、机械效率
实验步骤：
（1）用弹簧测力计测量钩码所受的重力G。
（3）沿竖直方向缓慢匀速拉动弹簧测力计，使钩码升高，读出拉力F的值；用刻度尺测出钩码上升高度h和绳端移动的距离s。
（4）改变钩码的数量，重复上面的实验操作。
实验步骤书写模板：
1.【仪器】+【具体的测量操作过程】+【测量得出的物理量】+【物理量符号】。
2. ……………… 。
3. ……………… 。
4.【改变某一因素】 ，重复1、2和3步骤。
二、机械效率
实验数据记录表：
算出有用功W有、总功W总和机械效率η并填入表格。
三次实验中测得的机械效率一样吗？分析测量结果，影响滑轮组的机械效率的因素是？
不一样；钩码所受的重力。
次数 钩码所受的重力G/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
2
3
二、机械效率
注意：同一个机械的机械效率不是固定不变的，机械效率反映的是机械在一次做功的过程中有用功和总功的比值，同一机械在不同的做功情境中，机械效率往往会不同。
还可换用不同的滑轮组，探究动滑轮重力、绳重力以及摩擦等因素对机械效率的影响。
二、机械效率
提高滑轮组的机械效率有什么方法？
（1）减小额外功，减轻机械自身的重力或减小机械内部的摩擦力；
如使用轻质的滑轮和绳子、添加润滑剂等。
（2）在机械能承受的范围内，增加所做的有用功；如增加提升物体的重力。
改进结构，使机械更合理、更轻巧；使用中按照技术规程经常保养，使机械处于良好状态。
提升机械效率可以充分地发挥机械设备的作用，对节能减排、提高经济效益有重要的意义。
二、机械效率
在该实验中，测量拉力时，弹簧测力计能否处于静止时进行读数？
为什么？
不能；因为静止时的测量会忽略了摩擦力，不符合实际情况，额外功偏小，测量的机械效率偏大，所以要沿竖直方向缓慢匀速拉动弹簧测力计。
二、机械效率
小试牛刀：1.在“探究影响滑轮组机械效率的因素”实验中，
小吕用同一滑轮组提升不同重力钩码的方法，
分别做了甲、乙、丙3组实验，实验数据记录如表：
（1）请在图中画出该实验的滑轮组绕绳方式：
（2）该实验原理是
（3）同组的小叮当发现实验过程中一边拉动一边读数时，弹簧测力计示数不稳定，她觉得可以将弹簧测力计静止测量拉力，这样就能方便弹簧测力计的读数，但小吕认为小叮当的方法会导致结果存在误差，测量的滑轮组机械效率结果将会　 　（“偏大”或“偏小”），原因是
η==
偏大
因为静止时的测量忽略了绳子与滑轮间的摩擦，不符合实际情况，额外功偏小，机械效率偏大。
二、机械效率
1.在“探究影响滑轮组机械效率的因素”实验中，小吕用同一滑轮组提升不同重力钩码的方法，分别做了甲、乙、丙3组实验，实验数据记录如表：
（4）进行第3次测量时，滑轮组的机械效率约为　 　（保留三位有效数字）。
（5）分析实验数据，可得到钩码重力与该滑轮组机械效率的关系是？
若要提高该滑轮组的机械效率，有哪些具体的方法？
次　数 钩码重力G/N 钩码上升 的高度h/cm 绳子自由端拉力F/N 弹簧测力计 移动距离s/cm 机械效率η
1 2 5 1 15 66.7%
2 4 5 1.7 15 78.4%
3 5 5 2 15 /
83.3%
其他条件相同时，钩码的重力越大，该滑轮组的机械效率越大。
换用轻质滑轮和绳子；加润滑油；增加钩码的重力。
二、机械效率
1.在“探究影响滑轮组机械效率的因素”实验中，小吕用同一滑轮组提升不同重力钩码的方法，分别做了甲、乙、丙3组实验，实验数据记录如表：
实验次数 1 2
钩码重力G/N 4 4
钩码上升高度h/m 0.1 0.1
绳端拉力F/N 1.8 1.6
绳端移动距离s/m 0.3 0.4
机械效率η 74.1% 62.5%
（6）小吕继续做实验进行探究，除了与钩码重力有关之外，滑轮组的机械效率还会与什么因素有关系？通过第1次实验和第2次实验的数据分析可得出结论：使用不同的滑轮组提升相同的重物时，动滑轮的个数越多（各个动滑轮质量相同），滑轮组的机械效率　 　（选填“越高”、“不变”或“越低”），原因是：
越低
动滑轮的个数越多，需要做的额外功越多，当有用功相同时，机械效率越低。
二、机械效率
2.小吕用图中的动滑轮匀速拉动水平地面上的物体A，测出物体A移动的距离s、绳子端拉力F
和物体A的重力G；
以上条件能否求出此时滑轮的机械效率η ；
如果能，写出机械效率η的表达式 （用题目中已知的物理量符号表示）；
如果条件不足，写出还需补充的物理量的测量实验操作步骤：
，
并写出机械效率η的表达式 （用题目中已知的物理量符号表示）。
不能
用弹簧测力计在地面上水平匀速直线拉动物体A，读出拉力F1
η=
3.小吕在“探究斜面的机械效率可能与哪些因素有关？”的实验中提出了以下的猜想：
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。
为了验证自己的猜想是否正确，他用同一套器材组成如图所示的装置进行了实验探究，
记录的实验数据如表：
（1）该实验原理是　 ，根据表格中数据，第1次实验中斜面的机械效率为　 　，第2次实验中总功为　 　J。
实验 次数 斜面倾角θ 物体重力 G/N 斜面高度 h/m 沿斜面拉力F/N 斜面长度 S/m 有用功 W有/J 总　功 W总/J 机械效率
η
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%
η==
60%
3
3.小吕在“探究斜面的机械效率可能与哪些因素有关？”的实验中提出了以下的猜想：
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。
为了验证自己的猜想是否正确，他用同一套器材组成如图所示的装置进行了实验探究，
记录的实验数据如表：
（2）通过对比实验1、2数据，可验证小吕的猜想　 　（选填“A”或“B”）；通过对比实验2、3数据，可以得出的实验结论为
实验 次数 斜面倾角θ 物体重力 G/N 斜面高度 h/m 沿斜面拉力F/N 斜面长度 S/m 有用功 W有/J 总　功 W总/J 机械效率
η
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%
A
其它条件相同时，斜面倾斜程度越大，斜面机械效率越高。
3.小吕在“探究斜面的机械效率可能与哪些因素有关？”的实验中提出了以下的猜想：
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。
为了验证自己的猜想是否正确，他用同一套器材组成如图所示的装置进行了实验探究，
记录的实验数据如表：
（3）请你设计出“探究斜面的机械效率与斜面粗糙程度的关系”实验的数据记录表。
次数 斜面倾角θ 斜面粗糙程度 物体重力G/N 提升高度h/m 有用功W有/J 沿斜面拉力F/N 物体沿斜面移动距离s/m 总功W总/J 机械效率η
1 30° 玻璃
2 30° 木板
3 30° 棉布
二、机械效率
拓展实验：测量斜面的机械效率

请你设计实验，并写出实验原理、实验步骤和实验数据记录表。

（1）实验原理：
η==
二、机械效率
（2）实验步骤：
①用弹簧测力计测量木块所受的重力G。
②使用斜面，用弹簧测力计沿着平行于斜面方向，缓慢匀速直线拉动木块至斜面顶端，读出拉力F的值。
③用刻度尺测量出木块上升高度h和木块沿斜面方向移动的距离s。
二、机械效率
实验数据记录表的设计模板：
（3）实验数据记录表：
次数（3-6） 需要测量的物理量+物理量符号/单位 … … …
1
2
3
…
木块所受的重力G/N 提升高度h/m 有用功W有/J 拉力F/N 木块移动的距离s/m 总功W总/J 机械效率η
总结