11.5 机械效率--2025-2026学年初中物理九年级上册同步课堂教案与分层练习（苏科版2024新教材）

第十一章 简单机械和功 课时11.5 机械效率 1. 知道有用功、额外功、总功； 2. 理解机械效率定义、大小范围、表示方法、公式、影响因素； 3. 知道有用功、额外功、总功关系式； 4. 理解机械效率的计算及公式。 题型汇总：机械效率的概念、机械效率大小的比较和计算、滑轮组的机械效率和实验、杠杆的机械效率和实验、斜面的机械效率和实验。 · 有用功、额外功和总功 (1) 有用功：利用机械做功时，对人们有用的功。 (2) 额外功：利用机械做功时，对人没有用，但又不得不做的功。 (3) 额外功产生的主要原因：① 提升重物时，克服机械自重、容器自重等所做的功；② 克服机械的摩擦所做的功。 (4) 总功：人们在达到一定目的的过程中，实际做的功，通常可理解为动力F做的功，数值上等于有用功与额外功之和，即。 (5) 区分有用功、额外功和总功：首先要弄清楚做功的目的是什么，然后才可以确定有用功和额外功。例如在提水的过程中，对水桶做的功是额外功，无价值但不得不做，对水做的功是有用功。若水桶掉入井中，在捞桶的过程中，对桶做的功则变成了有用功了，对水做的功则变成了额外功。 · 机械效率 (1) 定义：物理学中，将有用功与总功的比值，用 η 表示 。 (2) 公式： (3) 对机械效率的理解 1) η 是一个没有单位的量，常用百分数表示。 2) 由于额外功的存在，任何实际机械的机械效率 η 都小于100%； · 几种常见简单机械的有用功、额外功、总功和机械效率 · 影响机械效率高低的因素 · 测量滑轮组的机械效率 1. 实验原理：η = × 100％ 2. 实验器材：铁架台、滑轮若干、细线、钩码若干、弹簧测力计、刻度尺。 3. 实验操作 (1) 按图把滑轮组安装好，测出钩码的重力G，将钩码挂在动滑轮的下端。 (2) 记下钩码和细线自由端对应的位置。 (3) 匀速竖直拉动细线末端，使钩码匀速上升，记下弹簧测力计的示数F，同时测出钩码上升的高度 h和细线自由端移动的距离s。将数据记录在表格中。 (4) 改变钩码重力G，重复实验。 (5) 更换不同的滑轮组，重复实验. (6) 计算机械效率，分析数据得出滑轮组的机械效率跟什么因素有关。 4. 实验表格设计 5. 实验结论 (1) 滑轮组的机械效率与物重有关。同一滑轮组，物体越重，机械效率越高。 (2) 滑轮组的机械效率与动滑轮重有关。物重相同，动滑轮越轻，机械效率越高。 注：拉力F的数据容易出现误差，主要的误差来源有拉力方向不竖直（F偏大、η偏小），没有匀速拉动（加速拉动F偏大、η偏小）。 1. 机械效率的概念 例 使用机械做功时，机械效率高的机械一定是 （　D　） A．做的有用功多 B．做的额外功少 C．做相同的功省力 D．所做的额外功与所做的有用功的比值小 变式1 关于机械效率，下列说法正确的是 （ D ） A. 越省力的的机械，机械效率越高 B. 有用功多的机械，效率越高 C. 额外功少的机械，机械效率高 D. 总功一定时，有用功多的机械的效率高 变式2 关于机械效率的下列说法中，正确的是（　D　） A．利用机械越省力，机械效率越高 B．机械做功越快，机械效率越高 C．有用功相同、总功越大机械效率越高 D．额外功相同、有用功越大的机械效率越高 变式3 下列说法正确的是 （　A　） A．功率越大的机械做功越快 B．功率越大的机械做功越多 C．机械效率越高的机械做功越快 D．机械效率越高的机械做功越多 1. 机械效率的计算 例 一台起重机在10 s内将重为3 600 N的货物匀速提高了4 m，起重机做的有用功是　　　    J。若起重机做的额外功是9 600 J， 则机械效率是　　　    ，起重机的总功率是　　　    W。 答　14 400　60%　2 400 变式1 如图是某商场的自动扶梯。扶梯的部分几何尺寸如图所示，质量为50 kg的小华站在该扶梯上从商场一楼到二楼。已知扶梯以1 m/s的速度匀速上行。则扶梯对他做的功是　         J，对他做功的功率是　　　    W。如果站在扶梯上的人数增多，扶梯的效率将　　　    (填“变大”、“变小”或“不变”)。(g取10 N/kg) 答　1 500　300　变大 变式2 小华和妈妈去超市购物，她们将17 kg物品放在小推车中推行，小推车在某段时间内速度v随时间t变化的关系图像如图所示。已知小推车重130 N，所受阻力是总重的0.15。(g取10 N/kg)   (1)在0~10 s内，水平推力　　    (大于/小于/等于)阻力，阻力大小为　　    N。 (2)10~20 s内水平推力做了多少功? (3)10~20 s内水平推力的功率多大? 答　(1)大于　45　(2)360 J　(3)36 W 1. 滑轮（组）的机械效率 例 如图所示，工人师傅用动滑轮将箱子吊到阳台上，箱子重为500 N，动滑轮重为10 N。在工人师傅竖直向上的拉力F作用下，箱子匀速上升了2 m，不计绳重和摩擦，则在此过程中 (　C　) A.F=250 N B.F=510 N C.绳自由端被收起的长度为4 m D.装置的机械效率η=100% 变式1 如图所示，小明用一个滑轮组匀速提升重为200 N的物体，物体在4 s内上升2 m的过程中，小明所用的拉力为125 N。此过程中，小明做的额外功是　　　    J，拉力的功率是    　　    W，滑轮组的机械效率是　　　    。 答　100　125　80% 变式2 用如图装置，在20 s内将80 N的水桶提升3 m，拉力为50 N，则拉力的功率为　　　    W，该装置的机械效率是　　　    %。若不计绳重和摩擦，则动滑轮的重力为　　        N。 答　15　80　20 变式3 如图所示的滑轮组把一个重为30 N的物体沿竖直方向匀速提升0.6 m，拉力为12 N，不计绳重与摩擦，下列说法正确的是 (　B　) A.拉力做功为7.2 J B.滑轮组机械效率是 83.3% C.动滑轮重是18 N D.绳子自由端移动距离是 0.2 m 变式4 如图是塔式起重机上的滑轮组，在1 min内将1.8×104 N的重物匀速提高2 m的过程中，作用在绳端的拉力F为8×103 N。若以动滑轮为参照物，重物是　　　    (选填“运动”或“静止”)的，则拉力F做功的功率是　　　    W，该滑轮组的机械效率是　　　    。若提升2×104 N重物时该滑轮组机械效率会　　　     (选填“变大”“变小”或“不变”) 答　静止　8×102　75%　变大 变式5 工人用如图甲所示的滑轮组运送货物上楼，滑轮组的机械效率随货物重力变化的图象如图乙，机械中摩擦力及绳重忽略不计。从图象可知影响滑轮组机械效率的因素之一是　　　　，动滑轮重　　　　N。货物重270 N时工人向下拉绳子的拉力是　　　　N。  答：物重　30　100 变式6 工人用如图甲所示的滑轮组运送建材上楼，每次运送量不定。滑轮组的机械效率随建材重量变化的图像如图乙所示，滑轮和钢绳的摩擦力及绳重忽略不计，g取10 N/kg。 (1)若某次运送建材的质量为40 kg，则建材受到的重力是多少? (2)当滑轮组的机械效率为90%时，运送建材的重力是多大? 答　(1)400 N　(2)450 N 1. 杠杆的机械效率 例 如图所示，一根均匀的细木棒OC，OA=OC，B为OC的中点。在C点施力将挂在A点的重为180 N的物体匀速提升0.2 m，木棒的机械效率为90%。这里的木棒是一种简单机械，称为　　　    ，提升该物体做的有用功是　　　    J，木棒重为　　　    N(不计摩擦)。 答　杠杆　36　10 变式1 小明在探究利用杠杆做功的实践活动中，所用的杠杆是一根质量分布均匀、重为5 N的硬棒，他将棒的一端固定，把重15 N的物体挂在棒的中点，然后用手缓慢竖直向上提起棒的另一端，如图所示，若把物体提升了10 cm，则小明作用在杠杆上的拉力是　　　    N，此过程中杠杆的机械效率是　　　    。保持拉力方向不变，让重物继续匀速上升，则拉力大小将　　　    (选填“变大”“变小”或“不变”)。 拓展：若拉力方向始终与杆垂直，杠杆从如图下方位置提升到虚线位置，拉力的大小将　　 　    。 答　10　75%　不变 先变大后变小 变式2 如图，使用杠杆提升重物，拉力F竖直向下，重物匀速缓慢上升，相关数据如表： 物重G/N 拉力F/N 时间t/s A端上升的竖直距离h/m B端下降的竖直距离s/m 200 500 0.5 0.4 0.2 (1)拉力所做的功； (2)拉力做功的功率； (3)此过程中，该杠杆的机械效率。 答　(1)100 J　(2)200 W　(3)80% 变式3 小红和爸爸散步时，看见小区内的一种健身器械坐拉器，如图甲所示，为了对它进行研究，小红简化了它的结构，画出了它的模型图，如图乙所示。她发现坐在坐拉器座椅上的人，用力向下拉动手柄A时，操作杆AB会绕着转轴O转动，连杆BD拉动杆OC绕转轴O转动，将座椅向上抬起 (g取10 N/kg)。   (1)小红让爸爸静止坐在坐拉器的座椅上，小红竖直向下拉动手柄，将爸爸抬起，经过测量，手柄竖直向下移动30 cm，座椅竖直升高9 cm，用时5 s。 ①小红利用坐拉器抬起爸爸时，以下说法正确的是　　  。 A.可以省功 B.一定费力 C.爸爸越重，坐拉器的机械效率越高 D.爸爸被抬得越高，坐拉器的机械效率越高 ②若爸爸的质量为60 kg，利用坐拉器抬起爸爸的机械效率为90%，则小红抬起爸爸所做功的功率为多少? (2)小红想通过图乙的模型，估算自己坐在坐拉器上抬起自己的拉力。图乙中OA∶OB=6∶1， O'C∶O'D=2∶1，此时AB杆处于水平位置，BD杆垂直于杆AB和O'C，BD杆对AB和OC杆的拉力均沿着BD，且大小相等。若手臂对手柄A的拉力方向和人的重力方向视作同一直线，物体间相互作用力的大小相等、方向相反，忽略坐拉器的自重、转动时的摩擦和座椅的尺度，若小红的质量为40 kg，则此时小红让自己保持图乙的状态，需要对手柄A施加竖直向下的拉力为多大? 答　(1)①C　②12 W　(2)100 N 1. 斜面的机械效率 例 如图所示，用平行于斜面的拉力F，将重为2N的物体沿斜面从底端匀速拉至顶端。若不考虑物体与斜面间的摩擦，则拉力F为 N；若斜面的机械效率为80%，则此时拉力F为 N。 答：（1）1；（2）1.25。 变式1 生活中我们看到的残疾人专用通道、盘山公路等都可以看成是斜面，斜面是一种　　　    (省力/费力)机械；如图所示，将物体从长4 m、高1 m的斜面底部匀速推上斜面顶端，已知沿斜面所用的推力是300 N，斜面的机械效率是75%，则推力做的总功是　　　    J，物体的重力是　　　    N，物体与斜面间的摩擦力大小是　　　    N，若仅使倾角θ逐渐增大，此斜面的机械效率将逐渐　　　    (增大/不变/减小)。 答　省力　1 200　900　75　增大 变式2 如图所示，斜面长s=10 m，高h=4 m。用沿斜面方向的推力F，将一个重为150 N的物体由斜面底端A匀速推到顶端B。运动过程中物体克服摩擦力做了200 J的功，则物体运动过程中克服物体的重力做的功W=　　　     J，斜面的机械效率η=　　　    ，推力F=　　　     N。 答　600　75%　80 1. 机械效率的大小比较 例 如图所示，同一滑轮采用甲、乙两种连接方式匀速提升重为100 N的物体，已知滑轮重20 N(绳重及滑轮和轴处的摩擦忽略不计)。则 (　C　)   A.手的拉力：F甲>F乙； 机械效率：η甲<η乙 B.手的拉力：F甲=F乙； 机械效率：η甲=η乙 C.手的拉力：F甲>F乙； 机械效率：η甲>η乙 D.手的拉力：F甲<F乙； 机械效率：η甲<η乙 变式1 用如图所示的滑轮组甲和乙提升重物，不计绳重和摩擦，下列说法正确的是 (　D　)   A.若钩码重力和提升高度相同，则滑轮组的机械效率相同 B.若滑轮重力和绳端拉力相同，则滑轮组的机械效率相同 C.若钩码重力和绳端拉力相同，则滑轮组甲的机械效率高 D.若滑轮重力和绳端拉力相同，则滑轮组甲的机械效率高 变式2 如图，用同一滑轮组分别将物体A和物体B匀速提升相同的高度。与提升B相比，提升A的过程滑轮组的机械效率较大。若不计绳重与摩擦的影响，则提升A的过程 (    D　)   A.额外功较小　   B.额外功较大 C.总功较小　    D.总功较大 变式3 在不计摩擦和绳子质量的情况下，分别使用定滑轮、动滑轮、滑轮组（两个定滑轮和两个动滑轮）匀速提升同一物体到同一高度处，其机械效率分别为η定、η动、η组，则下列选项正确的是 （　A　） A．η组＜η动＜η定 B．η定＜η动＜η组 C．η动＜η定＜η组 D．η定＜η组＜η动 1. 滑轮（组）机械效率的测量实验 例 在“探究影响滑轮组机械效率的因素”实验中，某实验小组用如图所示的同一滑轮组提升不同钩码，分别做了甲、乙、丙3组实验，实验数据记录如下表： 实验次数 钩码重 /N 钩码上升 的距离/cm 弹簧测力计 的示数/N 弹簧测力计上升的距离/cm 机械效率 第1次 2 5 1 15 66.7% 第2次 4 5 1.7 15 第3次 6 5 15 83.3% (1)在实验操作中，应该使钩码　　　    (选填“快速”或“缓慢”)上升。 (2)进行第2次实验时滑轮组的机械效率约为　　　    (保留三位有效数字)。 (3)进行第3次实验时，弹簧测力计示数为　　　    N，滑轮组做的有用功是　　　    J。 (4)分析实验数据，实验小组得出的实验结论是：滑轮组的机械效率与　　　　    有关。 答　(1)缓慢　(2)78.4%　(3)2.4　0.3　(4)物重 变式1 在“探究影响滑轮组机械效率的因素”的实验中，小明用同一滑轮组进行了三次实验，实验数据如表： 序号 动滑轮重 G动/N 物重 G/N 物体上升的 高度h/m 绳端受到的 拉力F/N 绳端移动 的距离s/m 滑轮组的 机械效率η/% 1 0.5 1 0.1 0.6 0.3 55.6 2 0.5 2 0.1 1.0 0.3 66.7 3 0.5 4 0.1 0.3 (1)根据表格中的数据，在图甲中画出滑轮组的绕绳方法。 (2)实验中，沿竖直方向匀速拉动弹簧测力计，使物体缓缓上升，在测量绳端所受的拉力时，弹簧测力计应　    　　    (选填“保持静止”或“匀速上升”)。 (3)第三次实验时，测力计示数如图乙所示，此时绳端受到的拉力为          N，滑轮组的机械效率为          %。 (4)根据表格中的数据分析可知： ①随着物重的增大，额外功　     (选填“变小”“不变”或“变大”)， 原因是　    ；②要提高同一滑轮组机械效率，可以采取　     的措施。 答：(2)匀速上升　(3)1.8　74.1　(4)①变大　克服摩擦做功更多　②增加提起的物重 变式2 在“测量滑轮组的机械效率”实验中，小丽用如图所示的同一滑轮组提升不同钩码的方法，分别做了甲、乙、丙3次实验，实验数据记录如表： 实验次数 钩码所受的重力G/N 提升高度h/m 拉力F/N 绳端移动的距离s/m 机械效率η 1 2 0.05 1.0 0.15 66.7% 2 4 0.05 1.7 0.15 78.4% 3 6 0.05 ① 0.15 ② (1)实验中要竖直向上　　　    拉动弹簧测力计，使钩码升高。 (2)表格中编号①处数据应为　　　    ，编号②处数据应为　　　    。 (3)分析以上实验数据可以得出如下结论：同一滑轮组的机械效率主要与　　　　　　　    　　    有关。 (4)若将此滑轮组换一种绕绳方法，不计摩擦及绳重，提升相同的物体时，滑轮组的机械效率    　　   (选填“变大”“变小”或“不变”)。 答　(1)匀速　(2)2.4　83.3%　(3)提起物体受到的重力　(4)不变 1. 斜面机械效率的测量实验 及其影响因素 例 如图所示是某一科学小组探究“斜面的机械效率”实验装置及实验数据记录表： （1）沿斜面拉动木块时，为使测力计的示数稳定，应尽量使木块做　　　　　运动；表格中空缺一项数据为　　　　　。 （2）比较表中“物块重”和“　　　　　”两栏对应的数据，可知斜面是一种　　　　（选填“省力”或“费力”）的简单机械。 （3）本实验研究了　　 　　对斜面机械效率的影响，其影响规律是　　　　　　　　　　　　　　　。 （4）表中数据中，斜面最陡时，物块受到斜面的摩擦力是　　　　N。 答：1）匀速直线；20%；2）沿斜面拉力；省力；3）斜面的倾斜程度；在物体重力与斜面长度不变时，斜面倾斜程度越大，斜面机械效率越高；4）3N。 变式1 小明用图甲所示装置探究“斜面的机械效率”。实验前他有如下猜想： A．斜面的机械效率可能与物体所受的摩擦力有关。 B．斜面的机械效率可能与斜面的倾斜程度有关。 （1）实验中，沿斜面拉动物体时，应使其做 运动。 （2）下表是小明探究过程中记录的两次对比实验数据。 次数 物体 物重G/N 拉升高度h/cm 拉力F/N 拉动距离s/cm 机械效率η/% 1 木块 6 8 1.20 80 50 2 小车 6 10 0.75 100 ①第2次实验时斜面的机械效率为 %。 ②进行这两次对比实验是为了研究斜面机械效率与 的关系。 ③第1次实验中，木块所受摩擦力为 N。 （3）小明利用该实验装置进一步研究发现，将长50cm的木板搭成倾角不同的斜面，用弹簧测力计把5N的物块从斜面底端拉至顶端的过程中，额外功W额外随斜面的水平长度L（木板在水平面上的正投影长度）的变化关系图象如图乙所示。 ①由图象可知：W额外与L成 比。 ②当斜面的水平长度L=0.4m时，拉力做的总功为 J。 ③若将木板平放在水平桌面上，水平匀速拉动木板上的物块时，弹簧测力计的示数为 N。 答：（1）匀速；（2）①80%；②粗糙程度；③0.6；（3）①正；②2.3；③2。 1. 杠杆机械效率的测量实验 例 某实验小组利用图示装置研究杠杆的机械效率，实验的主要步骤如下： ①用轻绳悬挂杠杆一端的O点作为支点，在A点用轻绳悬挂总重为G的钩码，在B点用轻绳竖直悬挂一个弹簧测力计，使杠杆保持水平；　 ②竖直向上拉动弹簧测力计缓慢匀速上升（保持O点位置不变），在此过程中弹簧测力计的读数为F，利用刻度尺分别测出A、B两点上升的高度为h1、h2。 回答下列问题： （1）杠杆机械效率的表达式为η= 。（用已知或测量物理量符号表示） （2）本次实验中，若提升的钩码重一定，则影响杠杆机械效率的主要因素是： 。 （3）若只将钩码的悬挂点由A移至C，O、B位置不变，仍将钩码提升相同的高度，则杠杆的机械效率将 （选填“变大”、“变小”或“不变”）。 （4）若弹簧测力计拉力方向一直垂直于OB杆向上拉动，则测力计示数 （选填“变大”、“变小”或“不变”） （5）如果将钩码悬挂点由A点移动C点，作用在B点的拉力方向始终竖直向上，从水平位置把杠杆提起，则测力计示数相比钩码在A点时 （选填“变大”、“变小”或“不变”） 答：（1）Gh1/Fh2×100%；（2）杠杆的自重；（3）变大；（4）变小。（5）变大。 第 1 页 共 11 页 学科网（北京）股份有限公司 $$