11.3 机械效率（教学课件）物理沪粤版2024九年级上册

大家好，我是侯老师。今天我们精讲一下有用功、额外功和总功。因为这几个概念是用在简单机械里面，所以我们分别对杠杆、滑轮和斜面来单独分析。首先我们看杠杆，对于一个杠杆而言，什么叫做有用？有用就是你的目的是什么？像一个杠杆，如果说你为了把一个物体抬起来，你用了杠杆，那物体的重力是为G好，以物体上升的高度是H1，这个时候你的有用功就是W有应该是等于你克服这个物体做的功等于G乘以H一好，什么叫做有额外功呢？就是你把这个物体提起来，你顺便还得把杆子提起来，所以你的额外公式W额应该是等于我的感觉的重力G感乘以H杆。因为杆子它移动的高度，它跟我的物体移动高度是不一样的，因为它重心不在这里。好，最后一个什么叫做总工呢？总工就是你施加了一个力，你是将这个力做的功称之为总功。是W总它是等于拉力F乘以它移动的距离S，这是我们有用功额外功和总功的区别。好，我们再看滑轮，滑轮同样的假设物体的重力为G它上升的高度为H那绳子的拉力为F什么叫做有用？有用就是你想要把物体拉起来，而物体克服重力做功就是有用功，就是WU是等于G乘以H的。好，什么叫做额外功呢？额外功就是你把这个物体提起来，顺便还要把滑轮提起来。所以你对滑轮做的功就是额外功，打表格就应该是等于动滑轮的重力乘以一个H因为高度是一样的。好，最后一个总共就是拉力FW总是等于F乘以它移动的距离S当然了由于它是滑轮组对吧，所以我们有个关系式是S等于2H好，这是斜面，本质上没有任何区别。当然我们先忽略这个花纹，对斜面而言，假设和拉力是F同样的你的物体重力为G它上升的高度为H那么一样的，它的有用功是克服物体重力做功G乘以H，额外功这个地方额外功它就没有机械了，对吧？我们假设忽略这个滑轮，那么这个时候是斜面上肯定是有摩擦力的。所以这个时候的额外功W额应该是等于摩擦力乘以这个物体移动的长度S好，这个总功是什么呢？同样的你哪个地方施加了力，哪个地方的力做的功，就是总共拉力乘以拉力移动距离S好，我们前面说的杠杆和滑轮都有一个前提条件，就是第一忽略空气阻力，我们做F空。好，第二绝大部分题目里面都会提到一个叫做忽略绳的摩擦力，这个是要看的，这个我们要特别去看一下，这是我们有用功、额外功和总功的区别。好，我们最后再总结一下，有用功就是你把什么物体拉起来，那这个物体克服重力做功，积物乘以H有用功和额外功就是你把这个物体拿起来，顺便还要把其他某个物体带起来。外物比如说动滑轮，再比如说杠杆的自重，对吧？乘以移动的高度就是额外功。总功就是只要是你用了力，你这个拉力做的功，乘以它移动的距离就是总共。 小胖子想用实验测量一下滑轮组的机械效率，需要怎么做呢？死扣公式呗，一它等于W有除以W总有用功就是直接抬升物体所做的功，那就需要测出物体的重力和物体被抬升的距离即可。总功就是人拉绳所做的功，那就需要测出人手的拉力大小与绳子端移动的距离。思路清晰了，那就用钩码作为重物，需要弹簧测力计来测量钩码的重力和人手的拉力，需要刻度尺来测量距离，需要记录的是钩码的重力G提升的高度H人对绳子拉力F与神墩移动的距离S单位分别为牛米，牛米。那就这么拌，用弹簧测力计测量钩码所受的重力为三牛。接着将钩码挂在动滑轮的钩子上，记下钩码和弹簧测力计的位置，沿着竖直方向匀速直线，缓慢拉动弹簧测力计，使钩码升高。记得要匀速竖直拉动哦。读出此时弹簧测力计的示数为1.5牛，也就是拉了一个大小。然后用刻度尺测出钩码上升的高度H0.1米和弹簧测力计移动的距离S0.3米。将这些数据都填入表格，改变一下物体提升的高度，将数据再次计入表格，接着增加钩码的个数，重复上面的实验，把数据都计入表格。实验结束时，小胖子突发奇想，换了一个沉一些的动滑轮，重复了最后一次实验。好了，分析数据吧。既然要测量伊塔，就得有有用功和总功，所以需要计算一下，这两列相乘算出有用功，这两列相乘算出总功，最后这两列相除就可以得到机械效率了。算出数据填入。通过这两组数据，我们可以看到重物重力不变时，改变抬升高度，滑轮组的机械效率不变，这说明滑轮组机械效率与物体抬升高度无关。这组数据可以看出，同一滑轮组随着重物重力变大，滑轮组机械效率变大，这说明滑轮组机械效率与抬升重物的重力有关。使用同一滑轮组提升不同重物时，重物越重，滑轮组的机械效率越高。我们还可以通过这两组数据看到，当抬升重物不变时，动滑轮越沉，机械效率越低。这说明滑轮组机械效率与动滑轮的重力有关。好了，总结一下，滑轮组机械效率与重物抬升高度无关，与抬升物体的重力和动滑轮的重有关。其他条件不变时，重物越重机械效率越高。其他条件不变时，动滑轮重越大，机械效率越低。你明白了吗？呵呵。 沪粤版 九年级上册 第十一章 功和机械能 11.3 机械效率 学习目标 1．科学观念：理解 有用功、额外功、总功 的定义，建立 “机械做功存在‘有用’与‘额外’区分” 的能量观念；掌握机械效率概念、公式，明确其物理意义（有用功在总功中的占比）； 2．科学思维：通过分析滑轮组、挖掘机的做功过程，区分有用功与额外功，推导 W总​=W有用​+W额外​，培养逻辑推理能力。解释 “机械效率为何小于 1”（因W额外​>0），突破 “比例关系” 的抽象思维障碍； 3．科学探究：设计并完成 “测量滑轮组机械效率” 的实验：明确实验原理（η的公式）、器材选择（滑轮组、弹簧测力计等）、操作要点（匀速拉动测力计）。处理实验数据，分析 物重、滑轮绕法 对机械效率的影响，提升实验探究与数据分析能力； 4．科学态度与责任：认识 “提高机械效率” 对节能、生产的重要性，联系生活（如起重机、水泵的效率差异），树立节约能源、规范操作的科学态度。 重点难点 教学重点： 1．概念辨析：清晰界定有用功、额外功、总功的内涵及关系（W总​=W有用​+W额外​）； 2．机械效率核心：理解公式的物理意义，明确 “效率是比例，与‘省力’‘做功多少’无直接关联”； 3．实验落实：掌握滑轮组机械效率的 测量方法（步骤、数据记录） 与 实验结论分析（如物重对效率的影响） 1．情境化判断：在复杂情境中（如不同机械、不同任务），准确区分有用功与额外功（例：挖掘机 “挖泥” vs “克服自身重力、 摩擦”）； 2．概念误解突破：纠正 “省力的机械效率一定高”“做功多效率就高” 等错误认知，理解 效率是 “比例” 而非 “绝对值”。深入解释 “机械效率为何恒小于 1”（从能量损耗的本质分析，如摩擦、机械自重）。 3．实验操作细节：掌握 “匀速直线拉动弹簧测力计” 的操作逻辑（保证拉力等于动力，避免数据误差）。分析实验中 “绕法、物重” 对效率的影响，建立 “控制变量法” 的应用思维。 教学难点： 同学们，假设学校要把三楼的一批图书搬到五楼，有两种方案：一是大家直接搬，二是用滑轮组吊运。直接搬时，对图书做的功是我们想要的，可克服自身重力的功是额外的；用滑轮组，提升图书的功有用，克服滑轮摩擦、自重的功额外。这些 “有用”“额外” 的功，和机械效率啥关系？今天一起探究 。 情景引入 01 02 CONTENTS 有用功与额外功 机械效率 探究新知 PART ONE 有用功与额外功 观察思考 滑轮组做功时，“把重物提升” 是我们想要的效果，还是 “克服滑轮摩擦”？ 挖掘机做功时，“搬运泥土” 是目的，还是 “克服自身重力和摩擦”？ 机械做功的 “功” 与 “耗” 阅读思考 有用功、额外功、总功 2、额外功 要提升钩码，必须将动滑轮和绳子也提升，同时还要克服摩擦做功。这些功是对人们无用但又不得不做的功叫做额外功。 1、有用功 提升钩码是目的，有利用价值，对钩码做的功是对人们有用的功叫做有用功。 3、总功 人做的功为总功 W总=Fs 以使用动滑轮提升钩码进行分析 总功：有用功与额外功之和。W总= W有+ W额 拓展提高 不同机械中有用功、额外功、总功的表达 有用功 额外功 总功 W有=Gh W有=W总-W额 W额=G动h W额=W总-W有 W总=Fs W总=W有+W额 W有=fs W有=W总-W额 W额=W总-W有 W总=Fs W总=W有+W额 W有=Gh W有=W总-W额 W额=fs W额=W总-W有 W总=Fs W总=W有+W额 PART TWO 机械效率 机械效率的概念 阅读思考 在使用机械工作时，有用功在总功中所占份额越多越好。它反映了机械的一种性能，物理学中表示为机械效率。 1、机械效率：有用功跟总功的比值。 2、表达式： η = W有 W总 3、机械效率通常用百分数表示。总小于1。 机械效率的概念 阅读思考 有用功与总功的比值叫做机械效率。 3、η一般用百分数表示，没有单位 2、公式： η读作“eta” 1、机械效率： 机械效率的概念 4、公式推导： 5、理解： 实验探究 —— 测量滑轮组的机械效率 实验目的：探究滑轮组机械效率与 物重、绕法 的关系。 实验器材：滑轮组、钩码、弹簧测力计、刻度尺、铁架台。 实验原理： 关键测量点： 拉力 F：匀速拉动弹簧测力计时的示数（为什么要匀速？） 距离关系：绳子段数 n 决定 s=nh（如何确定 n？） 实验步骤（分步解析） 1．组装滑轮组：尝试两种绕法（图 11-3-2 的 a 和 b）。 2．测量物理量： 钩码重力 G（弹簧测力计测静止钩码）； 拉力 F（匀速拉动钩码时，弹簧测力计示数）； 钩码上升高度 h、绳子自由端移动距离 s（刻度尺测量）。 3．计算：W有用​=Gh，W总​=Fs，η=(​W有用/W总​​)×100%。 4．重复实验：改变钩码数量、换绕法，记录数据。 实验数据记录 实验讨论 讨论 1：同一滑轮组提升不同重物，机械效率是否相同？ 额外功（滑轮摩擦、动滑轮自重）相对稳定，物重增加→有用功增大→机械效率 η提升。 讨论2： 不同绕线方式提升相同重物，机械效率是否相同？ 绕线方式改变→绳子股数变化→拉力 F改变，额外功（如摩擦损耗）差异→机械效率 η可能改变。 ①用同一滑轮组，提升不同的物体，所提升的物体越重，机械效率越高； ②用不同的滑轮组，提升相同的物体，动滑轮个数越多，机械效率越低。 注意： ①测量过程中应匀速拉动弹簧测力计 ②多次实验是使实验结论具有普遍性 实验结论: 提高机械效率的方法 ①增大有用功在总功中占的比例，即增加物重可提高机械效率 ②减少额外功在总功中占的比例，即减小摩擦阻力或减小动滑轮的自重 由实验数据和公式 改进机械结构，使其更合理、更轻巧 按照技术规程操作，定时保养，使机械始终处于良好的运转状 忽略绳重和摩擦 课堂小结 布置作业 1．用相同的滑轮和绳子分别组成如图所示的甲、乙两个滑轮组，相同时间把相同的重物匀速提升相同的高度。若不计绳重及摩擦，下列说法正确的是（　　） A．绳子受的拉力F1和F2大小相等 B．滑轮组的机械效率相同 C．拉力对滑轮组所做的功不相等 D．拉力对滑轮组所做的功的功率不相等 【答案】B 【答案】D 2．清晨，清河河畔聚集了很多钓鱼爱好者，若某位师傅不小心把水桶弄进水里，捞上桶时发现桶里带些水。在打捞水桶的过程中，下列关于做功的说法中正确的是（　　） A．对水所做的功是有用功 B．对桶所做的功是总功 C．对水所做的功是总功 D．对桶所做的功是有用功 3．如图所示，将一个重3N的物体匀速拉到斜面顶端，人沿斜面向上的拉力为2N，物体沿斜面移动的距离为0.8m，上升的高度为0.4m，则物体重力做功为______J，分析数据可知利用斜面______（能/不能）省功，斜面的机械效率是______。 【答案】1.2 不能 75% 4．在建筑工地上，小明同学利用如图所示的装置，用25N的拉力使重为300N的物体A沿着水平地面匀速运动，A在运动时受到地面的摩擦力为其所受重力的0.2倍，不计绳重及滑轮组的摩擦，则动滑轮所受重力______N，该装置的机械效率为______，若增加物体A的重力，仍使物体A匀速运动，则该装置的机械效率将______（选填“增大”、“减小”或“不变”）。 【答案】 15N 80% 增大 感谢观看 THANK YOU FOR WATCHING Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Lavf58.13.102 $$今天为大家示范的实验室使用动滑轮是否省功？起重机上的动滑轮在吊起物体时会随着物体一起运动。动滑轮不改变力的方向，但更为省力。那么使用动滑轮是否省功呢？本次实验我们将通过以下几个环节来进行。一、用弹簧测力计将钩码提升一定的高度，计算拉力所做的功。2、用弹簧测力计并借助一个动滑轮，将相同质量的钩码提升相同的高度，计算拉力所做的功。在实验中，我们需要用到以下实验器材，弹簧测力计、滑轮、弓马、坐标纸、白板、细线。这是一个弹簧测力计，使用前要将其调0。现在我们将两个钩码挂在弹簧测力计上，记录下弹簧测力计的示数为0.98牛。再将弹簧测力计放置在坐标纸前，对钩码的初始位置做标记。接着将弹簧测力计缓慢的提升五格，在对钩码移动后的位置做标记。测出钩码的移动距离为0.05米，并根据功的公式计算出拉力对勾码做的功W1为0.049焦。我们将细线的一端固定在白板上。另一端固定在弹簧测力计上。并在细线上放置一个动滑轮。在动滑轮上挂两个钩码。让弹簧测力计保持垂直，在弹簧测力计稳定后，记录下弹簧测力计的示数为0.6牛。接着在坐标纸上对钩码和弹簧测力计的初始位置分别做标记。再将弹簧测力计缓慢的提升，时隔分别对钩码和弹簧测力计移动后的位置做标记。弹簧测力计移动的距离为0.1米，并根据功的公式计算出拉力做的功W2为0.06焦。在该实验中用弹簧测力计提升重物和用动滑轮提升重物相比，使用动滑轮之后，拉力减小，弹簧测力计移动的距离增大，拉力所做的功也增大了。由实验可知，使用动滑轮能起到省力的作用，但不能省功。