設(shè)計說明
“機械效率”這一節(jié)首先讓學(xué)生認(rèn)識什么是有用功、總功和額外功，然后再結(jié)合機械的特點認(rèn)識機械效率。教學(xué)中，要從學(xué)生熟知的簡單機械——滑輪入手，分析利用它提升物體時的有用功、總功和額外功，然后再講解機械效率。其中可以給學(xué)生通俗的講解有用功、總功和額外功，如有用功是指人們在利用機械時為完成某種目的而做的功，或者說是相當(dāng)于人們不用機械而直接用手所做的功；總功是指人們利用機械所做的功，或者說是人的動力F所做的功；額外功是指人們在利用機械時不想做但又不得不做的功，或者說是克服某種阻力或機械自身重力而做的功。機械效率就是有用功在總功中所占的比例，其大小永遠(yuǎn)小于1，因為額外功是不可避免的。了解了機械效率的含義后，根據(jù)機械效率的計算公式η=進行了一些簡單的練習(xí)就可以將該部分掌握得較為熟練了。
教學(xué)中要組織學(xué)生經(jīng)歷測量的全過程，如讓學(xué)生經(jīng)歷組裝實驗裝置—測量數(shù)據(jù)—得出結(jié)論的過程，既能增加學(xué)習(xí)興趣，又能增加實踐體驗。
教學(xué)目標(biāo)
1.能結(jié)合實例知道有用功、額外功、總功的含義，并理解它們之間的關(guān)系。
2.通過對實例的分析，理解機械效率，并能計算簡單的機械效率。
3.通過實驗了解滑輪組機械效率的高低與物體重力的大小有關(guān)。
教學(xué)重點難點
1.重點：能結(jié)合實例認(rèn)識什么是有用功、額外功和總功；理解機械效率的概念，會利用公式η=進行有關(guān)計算。
2.難點：會分析影響機械效率大小的因素，指出提高機械效率的方法。
教具
學(xué)生用：滑輪組一套、彈簧測力計一個、鉤碼一盒、斜面一組。
教師用：滑輪組、鉤碼、彈簧測力計、斜面。另有電化教學(xué)器材、教學(xué)光盤。
教學(xué)過程
回顧思考
1.功的計算公式：______ __。
2.省力杠桿的特點：省________費________；費力杠桿的特點：費________省________。
3.使用滑輪組時，不計摩擦和繩重，拉力F=（G+________）；繩子自由端移動的距離s=________。
導(dǎo)入新課
1.多媒體導(dǎo)入：
小明家最近買了一處新樓房，三樓。想把洗手間、廚房裝修一下，需把沙子運到三樓。假如我們用下面三種方法搬運沙子，你認(rèn)為哪一種方法最好？為什么？
同學(xué)們討論后能回答出第③種方法最好，因為第③種方法做的額外功最少。
教師：工作中，我們總是希望額外功越少越好，也就是有用功在總功中所占的比例越大越好。今天我們就來學(xué)習(xí)機械效率。板書課題。
2.實驗導(dǎo)入：
提出問題：直接提升物體做功，與使用機械提升物體做功相同嗎？
演示實驗：

通過讓學(xué)生分析、思考前后兩次拉同樣重的鉤碼到相同的高度，手做功為什么不相同？學(xué)生猜想之后揭開謎底：一個是用手直接做功，而另一個是用機械（動滑輪）做功。通過機械做功可以省力但不省功，同學(xué)們思考：為什么用機械做的功大于不用機械而直接用手做的功呢？
學(xué)了機械效率同學(xué)們就明白了。板書課題。
進行新課
探究點一 認(rèn)識有用功和額外功
通過前面的學(xué)習(xí)我們知道簡單機械在日常生活中的應(yīng)用非常廣泛，給人們的生活帶來很大的便利，可以省很大的力。那么機械的使用省不省功呢？
1.實驗：使用動滑輪提升重物是否省功
提出問題：不使用機械直接提升物體做的功，與使用機械提升物體做的功一樣嗎？
實驗1 如圖甲，用彈簧測力計將鉤碼緩慢勻速提升一定高度，讀出彈簧測力計的示數(shù)并計算出拉力所做的功。
實驗2 如圖乙，利用動滑輪將同樣的鉤碼緩慢勻速提升相同的高度，讀出彈簧測力計的示數(shù)并計算拉力所做的功。
分析論證：比較兩個實驗中拉力所做的功的大小。結(jié)果表明，實驗2中拉力做的功多一些?？梢?，利用動滑輪提升物體與直接用手提升物體相比較，并不省功。
評估：利用動滑輪提升物體多做的功來源于哪里呢？
（使用動滑輪的確省了一半力，但拉力移動的距離增加了一倍，加上動滑輪的自重、摩擦等因素影響，使用動滑輪提升物體非但不省功，還要多做功。）
2.多媒體演示：
思考：用動滑輪提升沙子的過程。
（1）該過程中，人們的目的是什么？
（2）為了達(dá)到人們的目的所做的功怎么計算？
（3）在提升沙子的過程中，你覺得哪部分功是我們不想做的？若要計算，應(yīng)如何計算？這部分功可以不做嗎？
引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)做功的目的，利用功的計算公式進行回答。
歸納與總結(jié)：人們在利用機械做功的過程中，為了達(dá)到某種目的而做的功叫做有用功（如克服沙子的重力而做的功），不想做而又不得不做的功叫做額外功（如克服桶重、繩子重而做的功），額外功是不可避免的。
區(qū)分額外功和有用功：
實例1 用水桶從井中提水，對哪個物體做的功是有用功？對哪個物體做的功是額外功？
實例2 打撈掉到井里的水桶，撈上的桶里帶了一些水。對哪個物體做的功是有用功？對哪個物體做的功是額外功？
分析：從目的出發(fā)，要提水，故提升水做的功是有用功；此過程中對桶也做了功，提升桶做的功就是額外功。要提桶，故提升桶做的功是有用功；此過程中對桶中的水也做了功，對這些水做的功就是額外功。
教師：有用功可以理解為在使用機械的過程中，相當(dāng)于不用機械而直接用手所做的功；額外功是指克服機械自重及摩擦而做的功。有用功和額外功的計算要因機械不同而用不同的計算方法，如在用滑輪組水平拉動物體的過程中，有用功就是克服物體與水平面之間的摩擦力而做的功。
結(jié)論：以提升鉤碼為例
（1）提升鉤碼所做的功是人們必須做的且對人們有用的功，叫做有用功，用W有表示，其大小等于不用機械直接對鉤碼做的功；
（2）克服動滑輪重及摩擦等所做的功是人們不需要但又不得不做的功，叫做額外功，用W額表示；
（3）有用功與額外功的總和，叫做總功，用W總表示。W總=W有+W額。
注意：
額外功的產(chǎn)生原因：一是克服機械自重做功；二是克服摩擦做功。
例題講解：（學(xué)生先練習(xí)，若有問題，教師補充講解）
例1 在如圖所示中，s=60 cm，與之對應(yīng)的h=30 cm?，F(xiàn)用彈簧測力計進行兩次操作：
（1）沿豎直方向勻速提升小車；
（2）沿斜面方向勻速拉動小車，記錄數(shù)據(jù)如下表。
分析數(shù)據(jù)有如下一些發(fā)現(xiàn)。其中，具有較高水平的發(fā)現(xiàn)是（ ）
A.沿斜面拉動時，拉力比小車的重力小
B.彈簧測力計示數(shù)與移動距離近似成反比
C.利用斜面可以省力，但不能少做功
D.可以計算力所做的功，且兩次做功近似相等
解析：分析題表中的數(shù)據(jù)可知，A選項中的發(fā)現(xiàn)是通過測量直觀得到的，不是具有較高水平的發(fā)現(xiàn)；豎直提升小車的過程中，彈簧測力計的示數(shù)不變，與移動距離無關(guān)，沿斜面拉動小車的過程中，彈簧測力計的示數(shù)也不變，與移動距離無關(guān)，所以B選項的結(jié)論是錯誤的；利用公式W=Fs計算力所做的功，W1=F1s1=10 N×0.3 m=3 J，W2=F2s2=5.2 N×0.6 m=3.12 J，兩次做功近似相等，D選項的結(jié)論正確，C選項的結(jié)論是在D選項結(jié)論基礎(chǔ)上的延伸，故C選項是具有較高水平的發(fā)現(xiàn)。具有較高水平的發(fā)現(xiàn)是使用任何機械都不省功，這個結(jié)論叫做功的原理。
答案：C
例2 李鈴?fù)瑢W(xué)值日時用水桶提水從一樓上三樓，她做的有用功是（ ）
A.對桶所做的功B.對水所做的功
C.對水和桶所做的功D.對水、桶和人所做的功
解析：李鈴?fù)瑢W(xué)的目的是提水，所以克服水的重力所做的功是有用功，而對人和桶所做的功是額外功，故B正確。
答案：B
探究點二 認(rèn)識總功
提出問題：既然有用功是人們想做的功，額外功是人們不想做但又不得不做的功，那么人們利用機械所做的功叫什么？
引導(dǎo)學(xué)生思考在利用機械做功的過程中，還有沒有其他的功存在？
總結(jié)與歸納：人們在利用機械達(dá)到某種目的的時候，實際做的功等于有用功和額外功的總和，稱為總功，表達(dá)式為W總=W有+W額。
點撥：總功是有用功與額外功的總和，也是人們在利用機械時所做的功，或者說是動力所做的功，因此其表達(dá)式也可以寫作W總=F動s。
例題講解：（學(xué)生先練習(xí)，若有問題，教師補充講解）
例3 用一個動滑輪將重為500 N的重物提高1 m，所用的拉力為300 N，繩自由端移動2 m，則在此過程中，有用功為________，總功為________，額外功為________。
解析：提升重物所做的功是有用功，即W有=Gh=500 N×1 m=500 J；人的拉力所做的功是總功，即W總=Fs=300 N×2 m=600 J；因為W總=W有+W額，所以額外功W額=W總-W有=600 J-500 J=100 J。
答案：500 J 600 J 100 J
探究點三 機械效率
1.認(rèn)識機械效率
閱讀教材第86頁“機械效率”內(nèi)容，回答下列問題。
（1）機械效率的定義是________。
（2）機械效率的計算公式是________。
教師：正確理解機械效率，主要有以下五點。
（1）機械效率是有用功與總功之比，它只有大小，沒有單位。
（2）由于額外功總是存在的，所以有用功總小于總功，機械效率總是小于1。
（3）機械效率是表征機械做功性能好壞的物理量，機械效率越高，這個機械的性能越好。
（4）機械效率的高低與是否省力、滑輪組繩子的繞法、物體提升的高度無關(guān)。
（5）機械效率不是固定不變的。機械效率反映的是機械在一次做功的過程中有用功跟總功的比值，同一機械在不同的做功過程中，機械效率往往會不同。
2.機械效率的計算
學(xué)生練習(xí)：請同學(xué)們計算例3中動滑輪的機械效率。
解：根據(jù)機械效率的計算公式可得
η==≈83.3%。
拓展：引導(dǎo)學(xué)生進行下列推導(dǎo)：
機械效率的計算公式在不同的機械中表達(dá)方式一般不同。
（1）杠桿：η==。
（G為提升重物的重力，h為重物升高的高度，F(xiàn)為動力的大小，s為動力作用點移動的距離。）
（2）懸掛式滑輪組
①η====。
②不計繩重及摩擦?xí)r，有η===。
（G為提升重物的重力，G動為動滑輪的重力，h為重物上升的高度，s為繩子自由端移動的距離，n為承擔(dān)物重的繩子段數(shù)。）
（3）水平放置式滑輪組：η====。
（F摩表示物體與水平面之間的摩擦阻力，F(xiàn)表示動力的大小，s表示物體移動的距離，l表示動力F移動的距離，n表示承擔(dān)摩擦阻力的繩子段數(shù)。）
（4）斜面：η==。
（G為提升重物的重力，h為重物升高的高度，F(xiàn)為動力的大小，l為重物沿斜面運動的距離。）
教師：在利用各個公式計算時應(yīng)注意以下幾點。
（1）公式中的各個物理量都是針對同一個研究對象而言的，即具有公式的同一性。
（2）公式中各個物理量的單位應(yīng)該統(tǒng)一，即具有公式的統(tǒng)一性。
（3）機械效率具有“可變性”，由公式η=可知，如果該機械的額外功一定，有用功越大，機械效率越大。比如，在條件允許的情況下，用一個滑輪組將一塊巨石和一塊小石頭分別提升相同的高度，前者的機械效率就大一些。因此，同一個機械的效率也并不是固定不變的。
例題講解：（學(xué)生先練習(xí)，若有問題，教師補充講解）
例4 在修建天水市體育中心的施工過程中，起重機在4 s內(nèi)將質(zhì)量為5×103 kg的鋼材沿豎直方向勻速提升了2 m，而它的電動機做的功是2×105 J。（g取10 N/kg）求：
（1）鋼材上升過程中的速度。
（2）起重機對鋼材所做的有用功。
（3）起重機的機械效率。
解析：（1）已知時間t=4 s，提升的高度s=2 m，可據(jù)v=求出速度。
（2）起重機工作時，克服被提升鋼材自重做的功是有用功，可由W有=Gh求得。
（3）電動機做的功是總功，W總=2×105 J，可由η=求出機械效率。
解：（1）鋼材上升過程中的速度：
v===0.5 m/s。
（2）鋼材的重力：
G=mg=5×103 kg×10 N/ kg=5×104 N，
起重機對鋼材所做的有用功：
W有=Gh=5×104 N×2 m=1×105 J。
（3）由題知，電動機做的總功W總=2×105 J，
則起重機的機械效率：
η===50%。
例5 一輛質(zhì)量為1.5×103 kg的汽車陷入一泥濘路段，司機師傅利用滑輪組和周圍條件，組裝成了如圖所示的拖車裝置。已知汽車通過泥濘路段需移動8 m距離，汽車在泥濘路段受到的阻力為車重的0.1，滑輪組的機械效率為80%，g取10 N/kg。在將車勻速拖離泥濘路段過程中，求：
（1）做的有用功；
（2）作用在繩子自由端的拉力。
解析：（1）已知汽車所受阻力為車重的0.1，故由公式f=0.1mg可以求得汽車所受的阻力；汽車勻速運動，牽引力F牽=f，所做有用功W有=F牽s車。
（2）由題圖可知，汽車牽引力由3段繩子承擔(dān)，故繩子自由端移動的距離s繩=3s車，總功由公式
W總=可以求得，故繩子自由端的拉力為F=。
解：（1）汽車所受的阻力f=0.1mg=0.1×1.5×103 kg×10 N/kg=1.5×103 N
將車勻速拖離過程中，由二力平衡得，牽引力F牽=f=1.5×103 N
所做的有用功
W有=F牽s車=1.5×103 N×8 m=1.2×104 J。
（2）繩子自由端移動的距離s繩=3s車=3×8 m=24 m
由η=得，W總===1.5×104 J
由W總=Fs繩得，拉力F===625 N。
探究點四 測量滑輪組的機械效率
閱讀教材第87頁“實驗”內(nèi)容，思考以下問題。
1.實驗原理
（1）用滑輪組提升重物時，有用功和總功分別是什么？
____ ____，_____ ___（W有=Gh，W總=Fs）
（2）測量滑輪組的機械效率的原理是什么？
η=_____ ___=______ __
2.實驗需要哪些測量器材？
（1）實驗需要測量哪些物理量？
____ ____、______ __、______ __、______ __（鉤碼重G、鉤碼上升的高度h、拉力F、繩端移動的距離s）
（2）應(yīng)該選擇哪些測量工具？
____ ____、_____ ___（彈簧測力計、刻度尺）
3.探究滑輪組機械效率與鉤碼重G的關(guān)系
如何探究滑輪組機械效率與鉤碼重G的關(guān)系？
（測出用同一滑輪組提升不同重力的鉤碼時的機械效率進行比較。如圖及表一，比較①②兩次實驗數(shù)據(jù)。）
表一
（說明：為了實驗的準(zhǔn)確，可根據(jù)需要增加實驗的次數(shù)。）
4.探究滑輪組機械效率與鉤碼提升高度h的關(guān)系
如何探究滑輪組機械效率與鉤碼提升高度h的關(guān)系？
（測出用同一滑輪組提升相同鉤碼至不同高度時的機械效率進行比較。如圖及表二，比較②③兩次實驗數(shù)據(jù)。）
表二
5.探究滑輪組機械效率與動滑輪重G動的關(guān)系
如何探究滑輪組機械效率與動滑輪重G動的關(guān)系？
（組裝動滑輪個數(shù)不同的滑輪組，分別測出用它們提升相同重力的鉤碼時的機械效率，進行比較。如上圖和右圖及表三，比較③④兩次實驗數(shù)據(jù)。）
表三
6.探究滑輪組機械效率與吊起動滑輪繩子
段數(shù)n的關(guān)系
如何探究滑輪組機械效率與吊起動滑輪繩子段數(shù)n的關(guān)系？
（用相同滑輪組裝成繩子段數(shù)不同的滑輪組，分別測出用它們提升相同重力的鉤碼時的機械效率進行比較。如上圖和右圖及表四，比較②⑤兩次實驗數(shù)據(jù)。）
表四
7.實驗結(jié)論
（1）比較①②兩次機械效率的大小，可以知道同一滑輪組的機械效率與________有關(guān)，即同一滑輪組________越大，滑輪組的機械效率越大。
（2）比較________兩次機械效率的大小，可以知道滑輪組的機械效率與鉤碼提升高度h________。
（3）比較③④兩次機械效率的大小，可以知道滑輪組的機械效率與________有關(guān)，即滑輪組________越大，滑輪組的機械效率越小。
（4）比較________兩次機械效率的大小，可以知道滑輪組的機械效率與吊起動滑輪的繩子段數(shù)n________（選填“有”或“無”）關(guān)。
8.提高機械效率的方法
盡量減小額外功，采取減輕機械本身的質(zhì)量和加潤滑油減小摩擦等方法。
當(dāng)額外功一定時，在機械承受的范圍內(nèi)增加所做的有用功（如使用滑輪組提升物體時，在繩子能承受的拉力范圍內(nèi)，盡可能增加每次提升重物的質(zhì)量），充分發(fā)揮機械的作用。
例題講解：（學(xué)生先練習(xí)，若有問題，教師補充講解）
例6 如圖所示是智慧小組“測滑輪組的機械效率”的實驗裝置。測得的實驗數(shù)據(jù)如表。
（1）實驗過程中，應(yīng)豎直向上________拉動彈簧測力計。
（2）第三次實驗中滑輪組的機械效率是________。
（3）分析表中實驗數(shù)據(jù)可知，同一滑輪組，物重________，滑輪組的機械效率越高。
（4）若在第三次實驗中，物體上升的速度為0.1 m/s，則拉力F的功率為________W。
（5）創(chuàng)新小組也利用重為1 N、2 N、4 N的物體進行了三次實驗，每次測得的機械效率均大于智慧小組的測量值，則創(chuàng)新小組測量值偏大的原因可能是________。（填字母）
A.測拉力時，彈簧測力計未調(diào)零，指針指在零刻度線下方
B.彈簧測力計每次拉動物體時均加速上升
C.所使用的動滑輪的重力小于智慧小組
解析：（1）實驗過程中，應(yīng)豎直向上勻速緩慢拉動彈簧測力計，此時拉力大小等于彈簧測力計示數(shù)。
（2）第三次實驗中滑輪組的機械效率是
η===≈74.1%。
（3）分析表中實驗數(shù)據(jù)可知，同一滑輪組，物重越大，滑輪組的機械效率越高。
（4）在第三次實驗中，F(xiàn)=1.8 N，物體上升的速度為0.1 m/s，則繩子自由端的速度v=3×0.1 m/s=0.3 m/s，則拉力F的功率P===Fv=1.8 N×0.3 m/s=0.54 W。
（5）若測拉力時，彈簧測力計未調(diào)零，指針指在零刻度線下方，測得的拉力會偏大，機械效率變小，A不符合題意；彈簧測力計每次拉動物體時均加速上升，拉力變大，機械效率變小，B不符合題意；使用的動滑輪的重力小于智慧小組，克服動滑輪做的功減小，額外功減小，機械效率變大，C符合題意。
答案：（1）勻速緩慢 （2）74.1% （3）越大 （4）0.54 （5）C
例7 在探究“影響滑輪組機械效率高低的因素”時，同學(xué)們提出了下列猜想
（1）滑輪組機械效率高低可能與動滑輪重有關(guān)；
（2）滑輪組機械效率高低可能與被提升的物重有關(guān)；
（3）滑輪組機械效率高低可能與物體提升高度有關(guān)；
（4）滑輪組機械效率高低可能與承重繩子股數(shù)有關(guān)。
小明同學(xué)設(shè)計了如圖12-3-25所示的兩個滑輪組，進行對比實驗來驗證提出的猜想，則該實驗驗證的猜想是________。
A.（1）B.（2）C.（3）D.（4）
解析：比較兩滑輪組可知，承擔(dān)繩子的股數(shù)相同，滑輪組繞線方式相同，滑輪個數(shù)相同，提升高度也可以相同，而兩個滑輪組提升物體的重力不同，結(jié)合控制變量法的思想，所以該實驗裝置探究的是滑輪組的機械效率與被提升物體重力的關(guān)系，即驗證的是猜想（2），故選B。
答案：B
課堂小結(jié)
本節(jié)課我們主要學(xué)習(xí)了：
1.有用功、額外功、總功的概念及計算；
2.機械效率的含義及計算；
3.測量滑輪組的機械效率。
為了檢驗一下學(xué)習(xí)效果，下面請同學(xué)們完成“當(dāng)堂達(dá)標(biāo)”測試題。
布置作業(yè)
教材第88頁“動手動腦學(xué)物理”第1至4題。
板書設(shè)計
G/ N
h/m
W直/J
F/ N
s/m
W機/J
2
0.1
0.2
1.2
0.2
0.24
彈簧測力計示數(shù)/N
移動距離/cm
豎直提升
10
30
沿斜面拉動
5.2
60
實驗 序號
鉤碼重 G/N
鉤碼提升高度h/m
拉力F/ N
繩自由端移動的距離s/m
有用功W有/J
總功W總/J
機械
效率 η
①
2
0.1
②
3
0.1
實驗 序號
鉤碼重 G/N
鉤碼提升高度h/m
拉力 F/N
繩自由端移動的距離s/m
有用功W有/J
總功 W總/J
機械 效率 η
③
3
0.2
實驗 序號
鉤碼重G/N
鉤碼提升高度h/m
拉力F/N
繩自由端移動的距離s/m
有用功W有/J
總功W總/J
機械
效率 η
④
3
0.2
實驗 序號
鉤碼重G/ N
鉤碼提升高度h/m
拉力F/ N
繩自由端移動的距離s/m
有用功W有/J
總功W總/J
機械
效率 η
⑤
3
0.1
實驗次數(shù)
物重G/N
物體上升
高度h/m
拉力F/N
繩端移動距離s/m
機械效率η
1
1
0.1
0.6
0.3
55.6%
2
2
0.1
1.0
0.3
66.7%
3
4
0.1
1.8
0.3
一、三個名詞
（1）有用功：利用機械工作時，對人們有用的功叫做有用功，用W有表示。
（2）額外功：利用機械工作時，并非人們需要但又不得不做的功叫做額外功，用W額表示。
（3）總功：有用功與額外功的總和叫做總功，用W總表示，W總=W有+W額。
二、機械效率
（1）概念：物理學(xué)中，將有用功跟總功的比值叫做機械效率。
（2）公式：η=。
（3）注意：對于實際機械，總是有額外功存在，η

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人教版八年級下冊12.3 機械效率教學(xué)設(shè)計
初中物理人教版八年級下冊12.3 機械效率教案

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2020-2021學(xué)年12.3 機械效率教案

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初中物理人教版八年級下冊電子課本 舊教材

12.3 機械效率

版本： 人教版

年級： 八年級下冊

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