11.3 机械效率（教学课件）-【上好课】八年级物理全一册同步高效课堂（沪科版2024）

第十一章  简单机械 第三节 机械效率 八年级 全一册 义务教育物理课程标准实验教科书编写组  编著 上海科学技术出版社 说明 ppt使用高质量视频，资源比较大，本ppt约60MB. 本ppt共有58张、2段视频，可根据需要选择点播. 本ppt使用PowerPoint制作，建议使用PowerPoint播放. 视频资源 ①动画讲解——《有用功和额外功》 ②课堂总结——《机械效率》 免责追责 视频版权归原作者，如涉及版权问题，请联系删除。 ppt版权归本工作室，若遇侵权问题，将追责。 致老师、同学 第三节 机械效率 导入新课 1. 生活中我们常会强调提高效率，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。 那么，机械做功与效率有怎样的关系呢？本节我们将学习有关内容。 第三节 机械效率 导入新课 第三节 机械效率 2. 利用机械帮助我们工作，会给我们带来极大的方便。有的机械可以省力，有的机械可以省距离。 利用滑轮组提升重物，绳端拉力所做的功与滑轮组对重物所做的功相同吗？ 学习目标 1. 知道机械效率，能认识有用功和总功； 2. 知道机械效率总是小于100%，能认识提高机械效率的意义和途径。 第三节 机械效率 目录导航 有用功、 额外功和总功 作业解析 课堂总结 提升训练 机械效率 的大小 第三节 机械效率 有用功、额外功和总功 一 7 一、有用功、额外功和总功 1. 探究使用动滑轮是否省功 【提出问题】 如图所示，在使用动滑轮提升物体时，尽管省力，但需要移动更长的距离。使用滑轮提升物体做的功与不使用滑轮直接提升物体做的功相同吗？ 下面，我们来探究这个问题。 探究机械做功 一、有用功、额外功和总功 【设计实验】 参照图所示的方法进行实验。 （1）用弹簧测力计将钩码缓慢地提升一定的高度，如图（a）所示，计算拉力所做的功。 （2）用弹簧测力计和一个动滑轮将同样的钩码缓慢地提升相同的高度，如图（b）所示，再次计算拉力所做的功。 比较两次拉力所做的功相同吗？为什么？ 一、有用功、额外功和总功 【进行实验】 （1）用弹簧测力计直接将重为2N的钩码匀速提升0.1m，记下弹簧测力计的示数F1和钩码在F1方向上移动的距离s1。 （2）再借助一个动滑轮用弹簧测力计将重2N的钩码匀速提升0.1m，记下弹簧测力计的示数F2和绳子自由端在F2 方向上移动的距离s2。 一、有用功、额外功和总功 做功方式 拉力 F/N 物体升高 的高度h/m 拉力移动 的距离S/m 【数据记录】 直接用弹簧测力计 提升重为2N的钩码 用弹簧测力计和一个 动滑轮提升重2N的钩码 2 0.1 0.1 1.2 0.1 0.2 一、有用功、额外功和总功 ①直接用弹簧测力计提升重为2N的钩码做功 W1=F1s1= 2N×0.1m=0.2J ②用弹簧测力计和一个动滑轮提升2N的钩码做功 W2=F2 s2= 1.2N×0.2m=0.24J 做功方式 拉力 F/N 物体升高 的高度h/m 拉力移动 的距离s/m 拉力做的 功W/J 直接用弹簧测力计 提升重为2N的钩码 2 0.1 0.1 用弹簧测力计和一个 动滑轮提升重2N的钩码 1.2 0.1 0.2 【分析论证】 0.2 0.24 ③ W2＞W1 一、有用功、额外功和总功 【实验结论】 使用机械做功时，尽管它能给我们带来便利，但是，由于机械本身的自重以及摩擦等因素的影响，需要额外多做一些功。 做功的方式 拉力做的功W/J 直接提升重为2N的钩码 0.2 用动滑轮提升重为2N的钩码 0.24 【实验评估】 借助动滑轮所用的拉力做的功要多一些. 一、有用功、额外功和总功 （1）有用功：在图（a）所示实验中，直接用弹簧测力计提升钩码，其拉力克服钩码的重力做的功为有用功，用W有用表示。 （2）总功：在图（b）所示实验中，弹簧测力计的拉力所做的功为总功，用W总表示。 （3）额外功：在借助动滑轮匀速提升钩码过程中，拉力不仅要做有用功，还须克服滑轮的重力及摩擦力等做功，这部分功为额外功，用W额外表示。 2. 有用功、额外功和总功 一、有用功、额外功和总功 有用功、额外功和总功的关系： W总=W有用+W额 从总功中减去额外功，是对我们有用的功，即有用功。因此，动力对机械所做的功总是大于机械所做的有用功。 一、有用功、额外功和总功 （4）想想议议 用水桶从井中提水的时候，所做的功哪部分是有用功，哪部分是额外功？ 提水所做的功是有用功； 提水桶所做的功是额外功。 如果桶掉到井里，从井里捞桶的时候，捞上的桶里带了一些水，这种情况下哪部分是有用功，哪部分是额外功？ 提水桶所做的功是有用功； 提水所做的功是额外功。 一、有用功、额外功和总功 动画讲解——《有用功和额外功》 一、有用功、额外功和总功 【例题1】如图所示，物体重180N，动滑轮重10N，小明用100N的拉力（方向不变）将物体匀速提升2m，则此过程中有用功是______J，额外功是____J，总功是_____J 。 400 360 40 动滑轮提升重物所做的有用功为W有＝Gh＝180N×2m＝360J 由图知有2段绳子拉着物体，拉力端移动距离 s＝2h＝2×2m＝4m 拉力所做的总功W总＝Fs＝100N×4m＝400J 则额外功为 W额外＝W总-W有＝400J-360J＝40J 一、有用功、额外功和总功 【例题2】无人机应用广泛，现在无人机的很多钢材部件用密度更小的碳纤维替换，来减轻机身重量。如图所示，用碳纤维替换后的无人机与未替换前相比，将同一个快递包裹从地面运送到五楼，可以（ ） A．减少有用功 B．增大有用功 C．减少额外功 D．增大总功 C 将同一个快递包裹从地面运送到五楼，克服无人机自重做的是额外功，用碳纤维替换后的无人机与未替换前相比，机身减轻了重力，所以，减少了额外功；克服包裹的重力做的功是有用功，与未替换前相比没有变化，即有用功不变；总功等于有用功和额外功之和，有用功不变，额外功减少，总功减少。 故C符合题意，ABD不符合题意。故选C。 机械效率的大小 二 20 二、机械效率的大小 问题 人们希望在总功中有用功所占比例更大些，这就涉及机械效率问题。那么，什么是机械效率呢？ 二、机械效率的大小 1. 机械效率 （1）机械效率 物理学中，把有用功和总功之比叫做机械效率。 （2）计算公式：机械效率 η= ×100% （3）理解机械效率 ①物理意义：机械效率是标志机械做功性能的物理量，有用功占总功的比例越大，机械效率越高，这个机械的性能越好。 二、机械效率的大小 ②机械效率只有大小，没有单位。 ③机械效率总小于1 由于有用功总小于总功，所以机械效率总小于1。机械效率通常用百分数表示。 ④机械效率的大小与省力情况无关 机械效率的高低与机械省力多少无关，不要认为机械越省力其机械效率越高。 二、机械效率的大小 2. 一些机械（机器）的机械效率 瓦特蒸汽机的机械效率提高至6% ~ 15% 起重机的机械 效率40%~50% 皮带传动的机械 效率90%~98% 二、机械效率的大小 汽油机的机械效率 22～27% 离心式水泵的 机械效率60～80% 喷气发动机的机械效率 50～60% 一些机械（机器）的机械效率 二、机械效率的大小 想一想: 一台起重机的机械效率是60% ，它表示什么意义？ 可知： ，表示使用该起重机提升重物时，所做的有用功跟总功的比值是60% ，也可以说有用功在总功中占的比例是60%，另外的40% 是额外功。 二、机械效率的大小 3. 一些简单机械的机械效率 （1）滑轮组的机械效率 ①滑轮组竖直提升物体 如图，利用滑轮组把重力为G的物体提高h。F为动力，s为绳子自由端移动的距离，n为承担重物的绳子股数。 = 不计绳重、摩擦时： = = 由公式可知：不计绳重与摩擦，当动滑轮的重力越小、物重越大时，机械效率越高。 二、机械效率的大小 ②滑轮或滑轮组水平拉动物体（不计滑轮及绳重） 使用滑轮或滑轮组用力F沿水平方向匀速拉动物体，物体与水平面的摩擦力为f，为绳子自由端移动的距离，为物体移动的距离，n为动滑轮上的绳子股数。 = = = f摩擦力 f摩擦力 二、机械效率的大小 大量的实验表明： 滑轮组的机械效率跟物重、动滑轮重、绳重和摩擦有关； 对同一个滑轮组来说物重越大，机械效率越高； 在物重相同时，动滑轮重越小，机械效率越高； 在物重相同时，机械摩擦和绳重越小，机械效率越高。 二、机械效率的大小 （2）斜面的机械效率 如图所示，用力F沿斜面把重力为G的物体提高，h为斜面的高度，l为斜面的长度，f 为物体与斜面间的摩擦力。 = 则有用功为： 总功为拉力所做的功： 额外功为克服斜面与物体之间的摩擦力做的功： 二、机械效率的大小 （3）杠杆的机械效率 如图所示，利用杠杆把重力为G的物体提高h，F 为动力，s为动力作用点移动的距离。 则有用功为： 总功为拉力所做的功： 额外功为克服杠杆自重及摩擦力做的功 二、机械效率的大小 4. 提高机械效率的方法 影响因素 分析 改进措施（提高效率） 同一机械，被提升物体的重力越大，做的有用功越多，机械效率越大. 在机械承受的范围内，尽可能增加被提升物体的重力. 有用功不变时，减小提升机械时做的额外功，可提高机械效率. 机械自身部件的摩擦力越大，机械效率越低. 改进机械结构，使其更合理、更轻巧. 对机械按照技术规程经常保养，使机械处于良好的状态. 被提升 物体的重力 机械自身 的重力 机械转动 部件间的摩擦 二、机械效率的大小 【例题2】如图所示，工人用滑轮将 45kg 建筑材料沿竖直方向匀速提升 3m，所用的拉力为 250N。此滑轮的机械效率是多少？（g取10N/kg） 二、机械效率的大小 【分析】工人用滑轮提升建筑材料的过程中，有用功是不用滑轮直接把物体提升3m做的功；总功是拉力做的功，两者的比即为机械效率。 【解】由题意，建筑材料的质量 m= 45kg，建筑材料提升的高度 h=3m，拉力F=250N，工人用手拉起的实际绳长s=2h=6m。 滑轮做的有用功为 W有用=Gh=mgh=45kg×10N/kg×3m=1350J 拉力做的总功为 W总= Fs=250N×6m= 1500J 此滑轮的机械效率为 ×100%= 90% 二、机械效率的大小 【讨论】如果用上述滑轮匀速提起30kg的物体，那么机械效率还是90%吗？同一机械的机械效率是否会发生变化？为什么？ 【分析】机械效率降低。 动滑轮的机械效率为 = 在上式中，额外功主要为滑轮和绳子之间摩擦力产生的，几乎可以认为是不变的。而物体的重力减小，总功就减少，所以机械效率降低。 二、机械效率的大小 【例题3】如图所示，用滑轮组竖直向上匀速提升重物，不计绳重和摩擦，下列措施能提高滑轮组机械效率的是（　　） A．适当增大重物上升的高度 B．换用质量较小的动滑轮 C．增大绳子自由端移动的距离 D．增大绳子自由端的拉力 B 二、机械效率的大小 所以选B. ACD．用滑轮组竖直向上匀速提升重物时，有用功为 W有用=G物h，不计绳重和摩擦，额外功为：W额=G动h， 总功为W总=W有用+W额= G物h+ G动h 则滑轮组的机械效率为 由此可知，滑轮组机械效率的高低与重物上升的高度、增大绳子自由端移动的距离和增大绳子自由端的拉力无关，故ACD不符合题意； B．由以上分析可知，减小动滑轮的重力，可减小额外功，能提高滑轮组的机械效率，故B符合题意。 = 二、机械效率的大小 【例题4】如图所示，斜面与水平地面夹角为30°，某快递员用500N的力，将重800N的货物沿斜面匀速推上车厢，斜面的机械效率为 _____。不改变斜面与地面夹角和货物质量，采用 ______________的方法可以提高斜面的机械效率。 如图所示，斜面的长度为l，其高度h=0.5l，斜面的机械效率 ×100%= ×100%= 80% 斜面与地面夹角和货物质量不变，即有用功保持不变，可通过减少额外功来提高斜面的机械效率。所以可通过减小接触面的粗糙程度来减小摩擦，来提高机械效率。 80%  使接触面光滑  课堂总结 三 39 三、课堂总结（1） ①有用功：机械拉力克服物体的重力做的功为有用功。 ②额外功：克服机械的自重及摩擦力等因素而做的功。 ③总功：拉力（动力）所做的功，W总= W有+ W额. ①定义：有用功和总功之比叫做机械效率。 ②计算公式： η= ×100%；η＜100%，用百分数表示。 ①影响因素：机械效率跟物重、机械重、绳重和摩擦等因素有关；对同一个机械来说，物重越大，机械效率越高；在物重相同时，机械的重越小，机械效率越高；在物重相同时，机械摩擦和绳重越小，机械效率越高。 ②提高方法：减少额外功。如改进机械结构、定期保养机械等。 有用功和 额外功 机械效率 机械效率的影响因素 机械效率 三、课堂总结（2） 作业解析 四 42 1．为了提高起重机的机械效率，你有哪些建议？ 四、作业解析 为了提高起重机的机械效率，可以在确保钢丝绳与塔吊安全的情况下，增加货箱的重力；可以减小动滑轮的重力；给动滑轮转轴处加润滑油减小摩擦等。 2. 某建筑工人用大小为 600 N的拉力F，通过定滑轮将重 500N 的物体匀速提升2m。求： （1）这名建筑工人做的有用功； （2）这名建筑工人做的总功； （3）此定滑轮的机械效率。 四、作业解析 （1）建筑工人做的有用功 W有=Gh=500N×2m=1000J （2）使用定滑轮时，绳端移动的距离 s=h=2m 这名建筑工人做的总功 W总=Fs=600N×2m=1200J （3）定滑轮的机械效率 ×100%= 83.3% 3. 某人用 100N的力，沿竖直方向将杠杆动力臂的端点压下 2m，杠杆的另一端将 320N 的重物举高 0.5m，则他做的有用功是多少？杠杆的机械效率是多少？ 四、作业解析 克服重物重力做的功为有用功，故做的有用功 W有=Gh=320N×0.5m=160J 动力做的总功 W总=Fs=100N×2m=200J 杠杆的机械效率 ×100%= 80% 4. 分析汲水装置桔槔工作时，机械做有用功、额外功和总功的情况，并分析主要的能量相互转化的情况。 四、作业解析 四、作业解析 有用功是克服水的重力所做的功。 额外功包括在操作过程中不得不做但并非直接用于提水的功，如克服机械摩擦、提升水桶本身的重力还有杠杆自身的重力产生的功。 总功就是有用功与额外功的总和。 能量转化：人的生物能转化为机械能，其中一部分通过杠杆传递，转化为水的势能；另一部分在克服摩擦时转化为内能；还有一部分用于提升水桶的势能。 5.* 工人用如图所示滑轮组将重 200N的物体匀速提升 3m，工人竖直向上的拉力为 80N。求： （1）工人所做的有用功； （2）工人所做的总功； （3）此滑轮组的机械效率。 四、作业解析 （1）工人做的有用功为 W有=Gh=200N×3m=600J （2）由图可知，承担物重绳子的股数为n=3 ，绳子自由端移动的距离为 s=3×3m=9m 工人做的总功为W总=Fs=80N×9m=720J （4）滑轮组的机械效率为 ×100%= 83.3% 提升训练 五 49 五、提升训练 1．用绳子将钩码提升至一定的高度，如图所示，此过程所做的有用功是（ ） A．提升钩码所做的功　　　　　　　 B．克服摩擦力所做的功 C．提高绳子所做的功　　　　　　　 D．克服动滑轮重力所做的功 A　 用绳子将钩码提升至一定的高度，此过程所做的有用功是提升钩码所做的功。 所以选A。 五、提升训练 2．一台起重机将重3600N的货物提高4m，起重机做的有用功是多少?如果额外功是9600J，总功是多少？机械效率是多少？起重机所做的额外功是由哪些因素引起的？ W有=Gh=360N ×4m=14400J W总=W有+ W额 = 14400J + 9600J =24000J = 60% 起重机所做的额外功是由动滑轮、起重臂和钢丝绳所受的重力以及摩擦引起的。 五、提升训练 3. 实验时，小芳用图所示的滑轮组，将重为8N的物体匀速提升0.5m。已知动滑轮的重为2N，不计绳重和摩擦，则（　　） A．拉力F为4N B．有用功为5J C．绳子自由端移动距离为1.5m D．该滑轮组的机械效率为80% D 五、提升训练 所以选D. A．由图中可知，动滑轮上有两股绳子承重，故可得绳子自由端的拉力为 ；故A不符合题意； B．由题意可知，物体上升的高度为0.5m，故由W=Fs可得，所做的有用功为W有＝Gh＝8 N×0.5 m＝4J；故B不符合题意； C．因动滑轮上有两股绳子承重，故绳子自由端的移动距离为 s=2h=2×0.5m=1m；故C不符合题意； D．由题意可知，所做的总功为W总=Fs=5N×1m=5J 故该滑轮组的机械效率为 η=W有/W总=4J/5J×100%=80%. 故D符合题意。 五、提升训练 4. 如图用同一滑轮组分别将两个不同的物体A和B匀速提升相同的高度，不计绳重和摩擦的影响，提升A的过程滑轮组的机械效率较大，则下列判断正确的是（ ） ①A物体比B物体轻； ②提升A的拉力较大； ③提升A所做的额外功较少；④提升A做的有用功较多 A．只有①③ B．只有②④ C．只有②③ D．只有①④ B 五、提升训练 由题知，提起两物体所用的滑轮组相同，将物体提升相同的高度，不计绳重和摩擦，克服动滑轮重力所做的功是额外功，由W额=G动h知，提升A和B所做额外功相同，不计绳重与摩擦的影响，滑轮组的机械效率： 因为额外功相同，提升A物体时滑轮组的机械效率较大，所以提升A物体所做的有用功较大，由于提升物体高度一样，所以A物体较重，提升A物体用的拉力较大，故ACD错误，B正确．所以选B。 五、提升训练 5．工人利用如图所示的滑轮组将重900N的物体竖直向上匀速提升0.5m，工人所用的拉力F为600N，(不计摩擦和绳重)，求： ①人的拉力做的功为多少J？ ②此滑轮组的机械效率为多少？ ③若用此滑轮组提升重为1 500 N的物体，绳上的拉力是多少N？ 600 J 75% 900 N 五、提升训练 ③由于不计摩擦和绳重，拉力F＝（G物＋G动）/2 所用动滑轮的重G动＝2F-G＝2×600N-900N＝300N 若用此滑轮组提升1500N的重物， 此时拉力F′＝(G物′＋G动)/2＝(1500N＋300N)/2＝900N. ①由图知n＝2，拉力端移动距离s=2h=2×0.5m=1m 拉力做的总功W总＝Fs＝600 N×1m＝600 J. ②工人做的有用功W有＝Gh＝900 N×0.5 m＝450 J 滑轮组的机械效率η=W有/W总=450J/600J×100%=75%. 六、提升训练 6．如图所示的小型起重机，某次吊起重力为6×103N的物体，电动机的功率为2×103W，用时20s，使物体上升了5m。则通过动滑轮（    ） A．做的有用功为6×104J B．拉力为4×103N C．做的总功为2×104J D．机械效率为66.7% B 六、提升训练 A. 做的有用功为W有=Gh=6×103N×5m=3×104J；故A不符合题意； B. 拉力为 ，故B符合题意； C．做的总功为 故C不符合题意； D．机械效率为 = 75% 故选B。 Lavf59.27.100 Lavf59.27.100 $$