工人通過(guò)滑輪組、定滑輪和輪軸提升豎井中的重物。工人為什么不直接提起重物，而是將這么多的簡(jiǎn)單機(jī)械進(jìn)行組合呢？
使用這些簡(jiǎn)單機(jī)械的優(yōu)勢(shì)是什么？
知識(shí)點(diǎn)1 使用任何機(jī)械都不省功
探究使用動(dòng)滑輪是否省功
人們使用杠桿、輪軸、滑輪等機(jī)械，有的可以省距離，有的可以省力。那么,使用機(jī)械能夠省功嗎
直接用手通過(guò)彈簧測(cè)力計(jì)勻速豎直提起一個(gè)重物，測(cè)算出拉力對(duì)重物做的功為W1。再用彈簧測(cè)力計(jì)通過(guò)一個(gè)動(dòng)滑輪提起這個(gè)重物，使重物勻速上升相同的高度，測(cè)算出對(duì)繩端的拉力做的功為W2。比較W1、W2的大小就可以探究使用動(dòng)滑輪是否省功。
按如圖所示的過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中保持重物緩慢勻速豎直上升，用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量拉力，記錄
將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果填入表中。
重物和繩子自由端的始、末位置。
由表中記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，W2___W1
實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明：_______________________________。
動(dòng)滑輪可以省力，但不能省功
為什么借助動(dòng)滑輪提升重物做功，拉力做的功要更多一些?
使用動(dòng)滑輪做功時(shí)，由于還要克服動(dòng)滑輪重、繩重及滑輪內(nèi)部的摩擦做功，需要額外多做一些功。
使用任何機(jī)械都不能省功
使用其他機(jī)械能省功嗎？
工人師傅把重 500 N 的貨物用繩子直接勻速提升到 2 m 高的工作臺(tái)上，動(dòng)力對(duì)貨物做的功為_(kāi)_____J。若他用如圖所示的滑輪組提升此貨物到 2 m 高的工作臺(tái)上，所用拉力為 200 N，動(dòng)力做的功為_(kāi)_____J。兩種情況對(duì)比，說(shuō)明使用機(jī)械______（選填“能或“不能”）省功。
知識(shí)點(diǎn)2 有用功、額外功和總功
目的：把重物提升一段距離
提升繩子所做的功提升動(dòng)滑輪所做的功克服摩擦力所做的功
不需要但又不得不做的功
(1)有用功(W有)：為了達(dá)到目的，必須做的功。(2)額外功(W額)：為了達(dá)到目的，并非我們所需 要但又不得不做的功。(3)總功(W總) ：實(shí)際做的所有功。
W總= W有用+ W額外
指出圖中杠桿的有用功、額外功和總功
額外功：克服杠桿自重及摩擦所做的功
W額外 = G杠桿h杠桿
甲用桶從井中提水，其中對(duì)______做的功是有用功，對(duì)______做的功是額外功。乙從井中撈水桶，桶中帶有部分水，則對(duì)______做的功是有用功，對(duì)______做的功是額外功。（均選填“水”或“桶” ）
在使用機(jī)械工作時(shí)，我們希望有用功在總功中所占的比例越大越好。它反映了機(jī)械的一種性能，物理學(xué)中表示為機(jī)械效率。
定義：有用功跟總功的比值，通常用符號(hào)η表示。
η ：機(jī)械效率W有用：有用功W總：總功
意義：機(jī)械效率是反映機(jī)械做功性能好壞的物理量，機(jī)械效率越高，這個(gè)機(jī)械的性能就越好。
反映機(jī)械做功性能的好壞
有用功W有用、總功W總
功W、完成此功所用的時(shí)間 t
機(jī)械效率和功率是兩個(gè)不同的物理量，它們之間沒(méi)有直接關(guān)系
判斷對(duì)錯(cuò)：（1）機(jī)械效率可以提高到100%。（2）機(jī)械效率高的機(jī)械，做的有用功多。（3）做功慢的機(jī)械，機(jī)械效率不一定低。（4）機(jī)械越省力，其機(jī)械效率越高。（5）有用功一定時(shí)，減少額外功能提高機(jī)械效率。
（ ）（ ）（ ）（ ）（ ）
例題 如圖所示，工人利用滑輪組將一桶沙子從地面提升到 9 m 高的樓里，桶和沙子的總質(zhì)量為 118 kg，動(dòng)滑輪的質(zhì)量為 2 kg。忽略摩擦和繩重， g取 10 N/kg。求滑輪組的機(jī)械效率。
分析： 提升桶和沙子所做的功是有用功，提升動(dòng)滑輪所做的功是額外功。根據(jù)桶和沙子的總質(zhì)量以及動(dòng)滑輪的質(zhì)量，可以求出它們所受的重力；又已知它們上升的高度，可以求出有用功和額外功，進(jìn)而可以求出總功；最后依據(jù)機(jī)械效率等于有用功與總功之比得出結(jié)果。
解：桶和沙子所受的總重力G桶沙 = m桶沙 g =118kg×10N/kg = 1180N。動(dòng)滑輪所受的重力G動(dòng) = m動(dòng)g = 2kg×10N/kg = 20N。提升過(guò)程中的有用功W有用=G桶沙h = 1180N×9m = 10620J。提升過(guò)程中的額外功W額外=G動(dòng)h = 20N×9m = 180J。拉力所做的總功W總 = W有用+W額外 = 10620J+180J = 10800J。滑輪組的機(jī)械效率
答：滑輪組的機(jī)械效率為 98.3%。
1. 使用滑輪組提升重物時(shí)，影響其機(jī)械效率的因素有哪些？
被提升物體的重力、動(dòng)滑輪的重力、繩重及摩擦等。
2. 如圖為某公司的一幅廣告宣傳畫(huà)，一個(gè)巨大的滑輪提起一個(gè)小皮箱，宣傳文字寫著“事無(wú)大小，必盡全力”。請(qǐng)你分析滑輪組機(jī)械效率與物重的定性關(guān)系，并結(jié)合這個(gè)關(guān)系談一談你對(duì)這幅廣告宣傳畫(huà)中觀點(diǎn)的看法。
2.用滑輪組將重物提升相同高度，物重增大，則有用功增多，而克服動(dòng)滑輪重、繩重做的額外功不變，克服摩擦做的額外功與有用功等比例增加，故滑輪組的機(jī)械效率提高，即機(jī)械效率隨物重的增大而提高。
宣傳畫(huà)中動(dòng)滑輪很重，手提箱較輕，滑輪組的機(jī)械效率很低，這將導(dǎo)致工作成效與投入不成比例，得不償失。
建筑工地上，起重機(jī)吊臂上的滑輪組如圖所示。在勻速吊起重為 4.8×103 N 的物體時(shí)，物體 4 s 內(nèi)上升了 6 m，在此過(guò)程中，拉力 F 為 2×103 N。則滑輪組的機(jī)械效率為_(kāi)_____，拉力 F 的功率為_(kāi)_______W。
生產(chǎn)生活中，人們利用多種方式提高機(jī)械效率，但都不能使其達(dá)到100%，如起重機(jī)的機(jī)械效率一般為 40%~50%，皮帶傳動(dòng)的機(jī)械效率一般為 90%~98%。
如圖所示的斜面中，理想情況下（即不考慮斜面的摩擦），力F與重物的重力G滿足：Fl=Gh，則沿斜面向上的力 。 由此可知，在斜面高度一定時(shí)，斜面越長(zhǎng)越省力，即斜面的傾斜角度越小越省力。
指出圖中斜面的有用功、額外功和總功
額外功：克服斜面與物體之間的摩擦所做的功
如圖所示，在斜面上，用與斜面平行的拉力將質(zhì)量為 2 kg 的物塊由斜面底端勻速拉到頂端，拉力大小為 8 N，斜面長(zhǎng) 1.2 m、高 0.3 m，斜面的機(jī)械效率為_(kāi)______，斜面間的摩擦力為_(kāi)____N。（g 取 10 N/kg）
查閱資料，了解人類使用機(jī)械的歷史，寫一份調(diào)查報(bào)告或制作一期壁報(bào)，并與同學(xué)交流。
1. 建筑工地上，起重機(jī)幾分鐘內(nèi)就能把所需的磚送到樓頂，如果人直接用滑輪組來(lái)提升則需要幾小時(shí)。對(duì)于這一過(guò)程，下列說(shuō)法正確的是（ ）起重機(jī)的功率大，機(jī)械效率高起重機(jī)的機(jī)械效率高，做功慢起重機(jī)的功率大，機(jī)械效率不一定高起重機(jī)的機(jī)械效率高，做功多
2. 關(guān)于一臺(tái)機(jī)械做功，下列說(shuō)法正確的是（ ）機(jī)械做的額外功越少，機(jī)械效率就越高機(jī)械做的有用功越多，機(jī)械效率就越高機(jī)械做的總功越多，機(jī)械效率就越高機(jī)械做的有用功在總功中占的比例越大，機(jī)械效率就越高
3. 小明家新建的房子準(zhǔn)備裝修。為了把水泥從地面送上樓，他在樓上安裝了一個(gè)滑輪組。每個(gè)滑輪的質(zhì)量約為 4 kg，他每次將一袋 50 kg 的水泥提升 4 m，已知克服繩重和摩擦所做的額外功為 250 J，g 取 10 N/kg。求：（1）每次提升水泥做的有用功。（2）該滑輪組的機(jī)械效率。
解：（1）每次提升水泥做的有用功W有用 = G水泥h =mgh= 50 kg×10 N/kg×4 m = 2×103 J（2）克服動(dòng)滑輪重做的額外功 W額外 = G動(dòng)h+W繩、f = 4 kg×10 N/kg×4 m+250 J = 410 J
4. 用 1000 N 的力通過(guò)滑輪組把 4750 N 的重物豎直提升起來(lái)。如果提升過(guò)程中滑輪組的機(jī)械效率為 95%，則：（1）這個(gè)滑輪組最少由幾個(gè)滑輪組成？請(qǐng)根據(jù)計(jì)算，在虛線框中畫(huà)出相應(yīng)的滑輪組。（2）小紅通過(guò)計(jì)算判定，這個(gè)滑輪組的動(dòng)滑輪所受的重力一定為 250 N，你同意她的看法嗎？說(shuō)明你的理由。
即動(dòng)滑輪上承擔(dān)物重的繩子有5段，則這個(gè)滑輪最少由4個(gè)滑輪組成，且繩子起始端應(yīng)連在動(dòng)滑輪上，如圖所示。
解：（2）不同意小紅的看法。
克服動(dòng)滑輪的重力做的功只是額外功的一部分，則實(shí)際上動(dòng)滑輪的重力要小于250N。

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第五節(jié) 探究使用機(jī)械是否省功

版本： 北師大版（2024）

年級(jí)： 八年級(jí)下冊(cè)（2024）

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