第十二章 簡單機械
專題29.機械效率

1.物理觀念：知道有用功、額外功和總功的含義及三者的關系。在理解機械效率的基礎上，能夠提出提高機械效率的措施。
2.科學思維：能夠總結求解簡單機械效率的解題方法，會用圖像法分析研究實際問題。
3.科學探究：
（1）通過探究使用動滑輪的特點，知道使用機械就要做額外功。
（2）經(jīng)歷探究滑輪組機械效率的過程，理解機械效率的概念，并能計算簡單機械的效率。
4.讓學生學會關注生產(chǎn)、生活中各種機械的機械效率，具有用機械效率來評價機械的意識。對提高機械效率提出合理化建議。

知識點1：有用功和額外功
1.有用功：使用機械時，對人們有用的功叫有用功。也就是人們不用機械而直接用手時必須做的功。在提升物體時，W有用= Gh
2.額外功：使用機械時，對人們沒有用但不得不做的功叫額外功。
3.額外功的主要來源：①提升物體時，克服機械自重、容器重、繩重等所做的功。②克服機械的摩擦所做的功。
4.人們在使用機械做功的過程中實際所做的功叫總功，它等于有用功和額外功的之和。即：W總=W有用+W額
5.若人對機械的動力為F，則：W總= FS
知識點2. 機械效率
1.定義：機械效率是有用功與總功的比值，分析判定一個機械的機械效率高低要分析兩個因素：有用功與總功。任何機械的機械效率都小于1.
2.計算公式:η=×100％。
3.提高機械效率的途徑：盡可能增加提升物體的重力；減輕機械的自身重量；合理地減少部件間的有害摩擦。
【溫馨提醒】加深對機械效率的理解：
（1）機械效率由有用功和總功決定，它表示的是有用功占總功的比例的大小，不能反映有用功或總功的多少。
（2）機械效率總是小于1,這是因為使用任何機械都不可避免地要做額外功,所以有用功總是小于總功，機械效率通常用百分數(shù)表示。
(3)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。
(4)機械效率的高低與是否省力做功多少物體提升的高度等無關。
(5)機械效率是表征機械性能的重要指標，機械效率越高,機械的性能越好。
確定繩子自由端移動的距離s與物體升高的距離為h的對應關系s=nh
解決滑輪組計算類問題值的確定十分重要：
n是滑輪組的有效繩子纏繞段數(shù)；判定滑輪組繩子自由端的拉力F與提升重物的對應關系：F=（G物+G動）/n；繩子自由端移動的距離s與物體升高的距離為h的對應關系s=nh。確定n
具體辦法是：
1.在滑輪組的動滑輪和定滑輪之間畫一條橫線，將滑輪組分成兩部分；
2.在動滑輪部分，與動滑輪相連接的繩子的段數(shù)即為滑輪組繞線的有效段數(shù)。

考查角度1. 滑輪組機械效率實驗考查點
1.測量過程中，物體應做什么運動：勻速直線運動；
2.使用不同滑輪組提升同一物體時，影響機械效率的因素：動滑輪越重，機械效率越低；
3.改進措施：（1）增加被提升物體的重力；（2）減輕動滑輪自重；（3）減小機構間的摩擦；
4.機械效率的計算：利用機械效率的公式；
5.改變鉤碼數(shù)量，進行多次測量的目的：多次測量，消除偶然因素；
6.物體被提升的高度會影響滑輪組機械效率嗎：不會；
7.彈簧測力計的使用與讀數(shù)：正確使用與讀取讀數(shù)；
8.繩端移動的距離與物體移動距離的關系：h=ns。
9.實驗中分別記下鉤碼和彈簧測力計的起始位置的目的是：便于測量釣碼和彈簧測力計移動的距離；
10.實驗中，為什么要勻速緩慢拉動彈簧測力計：使彈簧測力計示數(shù)穩(wěn)定，便于讀出拉力大?。?br>11.同一滑輪組，改變鉤碼數(shù)量時，機械效率一樣嗎：不一樣；
12.機械效率的大小與鉤碼重有什么關系：同一滑輪組，提升的鉤碼越重，機械效率越大；
13.如果沒有刻度尺，能否測出滑輪組的機械效率：能。對于已經(jīng)組裝好的滑輪，s=nh，則機城效率η=W有/W總=Gh/FS=Gh/Fnh=G/nF。因此，只要查出繩子的段教，即可算出滑輪組的機械效率，無需測量h和s的大?。?br>14.若忽略繩重和摩擦，滑輪組的機械效率除了與提升的物重有關外，還與什么因素有關：動滑輪的重力。提升的物重一定時，動滑輪越重，機械效率越低；
例如：提高滑輪組機械效率的方法：①增大提升物體的重力.②減小動滑輪自身的重力.③使轉動軸保持良好潤滑。
15.滑輪組的機械效率有關因素：
（1）被提物體的重量，G越大，機械效率越高；
（2）滑輪自重，滑輪組如果越多，雖然省力但是無用功多，機械效率越小；
（3）繩與滑輪之間的摩擦。
【例題1】如圖所示，在“測量滑輪組機械效率”的實驗中，利用甲、乙、丙三個實驗裝置進行實驗，測得的實驗數(shù)據(jù)如下表。（鉤碼規(guī)格相同、動滑輪個數(shù)越多重力越大）
（1）在實驗中，應沿豎直方向________拉動彈簧測力計；
（2）第一次實驗中，如圖所示，彈簧測力計的示數(shù)是______N，機械效率是______（精確到0.1%）；
（3）由1、2兩次實驗數(shù)據(jù)可得出結論：___________；
（4）由_______兩次實驗數(shù)據(jù)可得出結論：使用不同滑輪組提升相同重物，動滑輪越重，機械效率越低；
（5）在第三次實驗操作的基礎上，如圖丁所示改變繩端拉力方向，測得的滑輪組機械效率將______。（選填“偏高”“偏低”或“不變”）
考查角度2. 求滑輪組機械效率相關問題
1．判斷提升物體過程中的有用功W有用=Gh；
2．判斷提升物體過程中的總功W總=Fs；
關鍵點：確定繩子自由端移動的距離s與物體升高的距離為h的對應關系s=nh。
n值確定非常重要，見易錯點說明
3．求解機械效率η=W有用W總，判定提升重物過程中的機械效率問題。
4.三種簡單機械的機械效率求解思維方法
【例題2】如圖所示，在的拉力F作用下，用滑輪組將重為的貨物勻速提升，在內貨物豎直上升了，不計繩重及滑輪上的摩擦。下列說法正確的是（ ）

A. 滑輪組做的有用功為
B. 拉力做功的功率為
C. 滑輪組的機械效率為
D. 此滑輪組提升的貨物越輕、機械效率越大

1．下列關于簡單機械在實際應用中的說法正確的是（ ）
A．指甲剪是省力省功的機械
B．定滑輪不省力，但能改變力的方向
C．滑輪組既省力，又省距離，還省功
D．斜面的機械效率可以達到100%
2.如圖所示，用完全相同的四個滑輪和兩根相同的細繩組成甲、乙兩個滑輪組，在各自的自由端施加大小分別為F1和F2的拉力，將相同的重物緩慢提升相同的高度（不計繩重和一切摩擦）．下列說法正確的是（ ）
A．拉力F1小于拉力F2
B．甲、乙兩滑輪組的機械效率相同
C．甲、乙兩滑輪組中的動滑輪都是費力機械
D．甲、乙兩滑輪組中繩子自由端移動的距離相等
3. 使用如圖所示的滑輪組勻速提升重力不同的物體時，除了動滑輪的重力導致的額外功外，其他因素導致的額外功與總功之比為一定值。已知動滑輪的重力為1.0N，繩子能夠承受的最大拉力為50N。當勻速提升重為9.0N的物體時，滑輪組的機械效率為81%，則使用該滑輪組勻速提升物體時的機械效率的最大值為（ ）

A. 90%B. 89%C. 88%D. 87%
4.建筑工人用如圖所示的滑輪組，在4s內將重為1500N的物體沿水平方向勻速移動2m的過程中，所用的拉力大小為375N，物體受到水平地面的摩擦力為物重的0.4倍．在此過程中下列說法正確的是（ ）
A．繩子自由端沿水平方向移動了6 m
B．物體受到的拉力為750N
C．拉力F的功率為750W
D．滑輪組的機械效率為80%
5. 搬運工人為了將笨重的物體裝進汽車車廂，常使用如圖所示的裝置把物體從斜面底端勻速推上頂端，已知斜面長5m，高2m，物體重1000N，沿斜面向上的推力為500N，則下列判定不正確的是（ ）

A. 物體在斜面上運動的過程中受3個力的作用，合力為0
B. 推力所做的功是2500J
C. 斜面的機械效率為80%
D. 物體受到斜面的摩擦力為100N
6. 如圖所示，是安裝在某種塔式起重機吊臂一側的滑輪組，某次勻速起吊的物體時，上升，用時，滑輪組的機械效率是，則所做有用功是_______J，總功是______J，拉力F的功率是________W。（g?。?br>
7. 如圖所示，將重力為10N的物體沿斜面向上從底端勻速拉到頂端。若斜面長L為1m，斜面高h為0.3m，拉力F為4N，拉力的功率為2W，則此過程中，斜面的機械效率是________%，物體從斜面底端運動到斜面頂端所用的時間是_______s。

8.在“探究影響滑輪組機械效率的因素”實驗中，某實驗小組用如圖所示的同一滑輪組提升不同鉤碼的方法，分別做了甲、乙、丙3組實驗，實驗數(shù)據(jù)記錄如下
（1）在實驗操作中應該使鉤碼 （選填“快速”或“緩慢”）上升；
（2）進行第2次測量時滑輪組的機械效率約為 （保留三位有效數(shù)字）；
（3）進行第3次測量時，彈簧測力計示數(shù)為 N，滑輪組做的有用功是 J；
（4）分析實驗數(shù)據(jù)，實驗小組得出的實驗結論是：滑輪組的機械效率與 有關．
9．斜面是一種簡單機械，在生活和生產(chǎn)中使用斜面的好處是可以省力，如：______。那么斜面的省力情況與哪些因素有關呢？（使用斜面的省力情況可以通過比較沿斜面拉力F與物體重力G的比值大小來判定，比值越小，越省力）
小明做了如下猜想：
猜想1：與斜面的表面材料有關；
猜想2：與斜面的傾斜程度有關；
猜想3：與物體受到的重力大小有關。
小明為驗證上述猜想，利用如圖所示的裝置進行了實驗。實驗中所用的物塊材料及其表面粗糙程度相同，在沿斜面拉力的作用下，在斜面上做勻速直線運動。實驗中相關的記錄如表。
回答下列問題：
(1)通過對比實驗______中的數(shù)據(jù)可知，使用斜面省力的情況與斜面的表面材料有關；
(2)通過對比實驗1、5、6中的數(shù)據(jù)，得出的結論是：在其他條件相同時，______；
(3)為驗證猜想3，小明做了實驗______（填寫實驗序號），分析實驗數(shù)據(jù)后，小明認為這幾次實驗省力情況相同，依據(jù)是______。
（拓展）完成實驗后，小明沿斜面用1.8N的拉力，將重為4.5N的物體從斜面底端勻速拉到了頂端。已知斜面長1.2m、高0.3m，則斜面的機械效率是______%。（把重物直接提升0.3m所做的功作為有用功）
10．如圖所示，人的重力為850N，雙腳與地面接觸面積為250cm2，用滑輪組拉著重210N的物體沿豎直方向以0.1m/s的速度勻速向上運動了5s。人對繩子豎直向下的拉力為100N，求：
（1）物體上升的高度；（2）滑輪組的機械效率；（3）人對地面的壓強。

1. （2019湖北荊州）湖北省第二屆園林博覽會將于2019年9月28日在荊州開幕。在某場館建設中，采用了如圖所示的裝置提升重物，當工人師傅們用1000N的拉力F向下拉繩，使重1600N的重物勻速上升了5m，此過程中克服繩重和摩擦做功500J，下列說法中正確的是（ ）
A．拉力F做功為5×103 J
B．纏繞在動滑輪上每股繩的拉力為800N
C．動滑輪重為300N
D．滑輪組的機械效率為75%
2． （2024四川達州）如圖所示，A、B兩物體疊放在水平桌面上，，，A、B均為正方體，邊長分別為20cm、10cm。在拉力的作用下，5s內，物體A、B一起向右勻速直線移動了3m。若不計滑輪和繩自重及繩與滑輪間的摩擦，下列說法錯誤的是（ ）
A. A與B之間的摩擦力為0B. A對地面的壓強為2500Pa
C. 繩子自由端移動的速度為1.2m/sD. 拉力F做功的功率為30W
3. （2024山東青島）某建筑工地上，一臺起重機10s內將重1.5×104N的物體勻速提升3m起重機吊臂上的滑輪組如圖所示，滑輪組的機械效率為75%。下列分析正確的是（ ）
A. 拉力F的大小為7.5×103NB. 有用功的大小為4.5×104J
C. 額外功的大小為1.5×104JD. 拉力F的功率為6.0×103W
4. （2024黑龍江大慶）如圖所示，在的拉力F作用下，用滑輪組將重為的貨物勻速提升，在10s內貨物豎直上升了。下列說法正確的是（ ）
A. 滑輪組做的有用功為
B. 拉力F的功率為
C. 滑輪組的機械效率為75%
D. 此滑輪組提升的貨物越輕，機械效率越大
5. （2022四川重慶）在一次實驗探究活動中，小林用如圖所示滑輪組將重為2.7N的物體勻速提升了20cm用時2s，繩子自由端彈簧測力計的示數(shù)如圖所示，則小林做的有用功為_______J，滑輪組的機械效率為_________%。
6．（2022四川德陽）如圖所示，有一斜面長L＝4m，高h＝2.5m。劉利同學用平行于斜面向上F＝150N的拉力，將200N重的物體從底端勻速拉到斜面頂端。那么劉利同學對物體做的總功為 J；物體沿斜面勻速向上運動時所受的摩擦阻力為 N。
7.（2020?湘潭）測量如圖所示滑輪組的機械效率，部分實驗數(shù)據(jù)如下表。
（1）實驗過程中，應緩慢拉動彈簧測力計，使鉤碼豎直向上做 運動。第1次實驗時，彈簧測力計示數(shù)如圖所示，為 N。
（2）第2次實驗時所做的有用功為 J，滑輪組的機械效率是 。
（3）分析1、2、3次實驗的數(shù)據(jù)可知，使用同一滑輪組提升重物時，重物重力越 （選填“大”或“小”），滑輪組的機械效率越高；分析3、4次實驗的數(shù)據(jù)可知，滑輪組的機械效率與鉤碼上升的高度 （選填“有關“或“無關”）。
（4）結合生產(chǎn)生活實際，用滑輪組提升重物時，下列選項中也可提高機械效率的是 。
A．增大繩重
B．減輕動滑輪重
C．加快物體提升的速度
8.（2023·揚州）在學習了機械效率的相關知識后，課外研究小組有同學猜想：同一個機械的機械效率是不變的。為了驗證猜想，他們用如圖所示的滑輪組進行實驗，改變鉤碼個數(shù)，用彈簧測力計沿豎直方向拉著細繩，使鉤碼勻速向上運動，測得的數(shù)據(jù)如表1。
表1
（1）分析表中的數(shù)據(jù)，他的猜想是__________（選填“正確”或“錯誤”）的；
（2）實驗小組又進行了如下的探究：改變滑輪的個數(shù)組成不同的滑輪組，仍用彈簧測力計沿豎直方向向上勻速拉動細繩，測得的數(shù)據(jù)如表2；
表2
分析數(shù)據(jù)可知：物重相同，動滑輪個數(shù)越多越省力，但機械效率越__________。進一步分析還發(fā)現(xiàn)，當滑輪組越來越省力時，它的額外功越來越大，甚至會出現(xiàn)額外功__________有用功的情況，所以設計一個機械模型時，既要考慮省力，還要考慮__________；
（3）根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，如果增加動滑輪個數(shù)繼續(xù)實驗，將會出現(xiàn)的困難是__________，你的改進方法是__________。
9. （2019湖北荊州）為了發(fā)展文化旅游事業(yè)，荊州市正在興建華強方特文化主題園，建成后將通過最新的VR技術展示包括楚文化和三國文化在內的五千年華夏文明。園區(qū)建設中需把重1200N的木箱A搬到高h＝2m，長L＝10m的斜面頂端。如圖所示，工人站在斜面頂端，沿斜面向上用時50s將木箱A勻速直線從斜面底端拉到斜面頂端，已知拉力F的功率為80W．求：
（1）拉力F的大??；
（2）該斜面的機械效率是多少；
（3）木箱A在斜面上勻速直線運動時受到的摩擦力是多大。
10. （2022青海省）某建筑工人用300N的拉力，在25s內將重力為800N的水泥利用滑輪組勻速提高4m，如圖所示。若不計摩擦和繩重，請你完成下列計算：
（1）動滑輪的重力；
（2）工人做功的功率；
（3）該裝置的機械效率。
11. （2024蘇州）某起重機的滑輪組結構示意如圖所示，其最大載重為5t。起重機將3600kg的鋼板勻速提升到10m高的橋墩上，滑輪組的機械效率為80%。不計鋼絲繩的重力和摩擦，g取。求
（1）克服鋼板重力做的功；
（2）鋼絲繩的拉力F；
（3）滑輪組滿載時的機械效率（保留一位小數(shù)）。
實驗次數(shù)
鉤碼重力G/N
提升高度h/m
繩端拉力F/N
繩端移動距離s/m
機械效率η
1
4
0.1
0.3
2
8
0.1
3.2
0.3
83.3%
3
8
0.1
2.0
0.5
80.0%
實驗序號
1
2
3
4
5
6
斜面傾角
θ
θ
θ
θ
θ1（θ1＞θ）
θ2（θ2＞θ1）
斜面的表面材料
木板
毛巾
木板
木板
木板
木板
物塊重G/N
2.0
2.0
4.0
6.0
2.0
2.0
沿斜面拉力F/N
1.35
1.52
2.70
4.05
1.52
1.70
實驗次數(shù)
鉤碼重力G/N
鉤碼上升高度h/cm
拉力F/N
繩端移動距離s/cm
機械效率η
1
1.0
5
15
55.6%
2
1.5
5
0.8
15
3
2.0
5
1.0
15
66.7%
4
2.0
10
1.0
30
66.7%
實驗次數(shù)
鉤碼重
鉤碼上升的高度
繩端拉力
繩端移動距離
有用功
總功
機械效率
1
2
0.1
1.0
0.3
0.2
0.30
66.7
2
3
0.1
1.4
0.3
0.3
0.42
71.4
3
5
0.1
2.2
0.3
0.5
0.66
75.8
實驗次數(shù)
動滑輪個數(shù)
鉤碼重
繩端拉力
鉤碼上升的高度
繩端移動距離
有用功
總功
機械效率
4
1
6
3.6
0.2
0.4
1.2
1.44
83.3
5
2
6
2.4
0.2
0.8
1.2
1.92
62.5
6
3
6
2.2
0.2
1.2
1.2
2.64
45.5

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