五、机械效率（培优教学课件）物理苏科版2024九年级上册

第十一章 简单机械和功 第五节 机械效率 江苏凤凰科学技术出版社 九年级物理 上册 义务教育教科书 从吃饭用的筷子 到中国空间站使用的机械臂， 机械已进入人类生活的方方面面。 机械无论多复杂，都是由简单机械组成的。 人们在叹服于机械的神奇和人类智慧的伟大之余，不禁会问：这些机械是依据什么原理工作的呢？ 1. 说明: ppt使用高质量视频，资源比较大，本ppt约70MB. ……………………………………………………………………… 2. 视频资源：本ppt共有57张、3段视频，可根据需要选择点播. ①视频讲解——《有用功与额外功》 ②视频讲解——《斜面及其机械效率》 ③课堂总结——《机械效率》 ……………………………………………………………………… 3. 免责声明：视频版权归原作者，如涉及版权问题，请联系删除。 4. 追责声明：课件版权归本工作室，侵权必究。 致老师、同学 导入新课 想一想： 生活中我们常常会遇到“效率”这个词，例如学习效率、工作效率等，你知道它们的含义吗？ 用机械帮助我们完成某项任务，也会涉及效率问题，我们称为 “机械效率”，你知道它的物理含义吗？ 导入新课 现在将一箱书搬上三楼，小明和小华分别提供了两种方法：小明的方案是把所有的书一起搬上楼；小华的方案是先搬一部分书上楼，再搬剩下的部分。 则用这两种方案搬书的效率有什么不同?你搬的话，选用哪种方案？ 议一议 1. 通过实验探究，知道有用功、额外功和总功的概念及它们之间的关系。 2. 理解机械效率的概念，知道机械效率的计算公式，会计算简单机械的机械效率。 3. 能设计实验，测量简单机械的机械效率，知道简单机械的机械效率与哪些因素有关。 学习目标 1. 有用功、额外功和总功 2. 机械效率 3. 斜面及其应用 4. 课堂总结 5. 实践与练习 6. 综合提升训练 学习内容 一、有用功、额外功和总功 第5节 机械效率 一、有用功、额外功和总功 1. 再探动滑轮 【活动目的】探究动力拉绳所做的功与动滑轮拉钩码所做的功之间的大小关系。 【测量器材】弹簧测力计、刻度尺。 【实验步骤】 （1）如图所示，用弹簧测力计沿竖直方向匀速拉一个动滑轮，使挂在它下面重为G的钩码缓缓上升。分别测量绳受到的拉力F、绳端移动的距离s、钩码所受的重力G和钩码上升的高度h。 F h s 一、有用功、额外功和总功 （2）改变钩码的数量，重复上述步骤。 （3）将实验数据填入自己设计的表格中。 实验 次数 拉力 F/N 绳子移动 距离s/m 钩码重力 G/N 钩码上升 高度h/m 拉力做功 W拉/J 动滑轮对钩码做功W动/J 1 1.3 0.2 2.0 0.1 2 2.5 0.4 4.0 0.2 3 3.5 0.6 6.0 0.3 0.26 1.0 2.1 0.2 0.8 1.8 一、有用功、额外功和总功 【分析论证】手拉绳子所做的功和动滑轮对物体所做的功相等吗？若不相等，则哪一个大？你能找出其中的原因吗？ 结论：不相等，手拉绳子所做的功多。 原因是在提升钩码的过程中，不仅要克服钩码的重力做功，还要克服动滑轮的重力、绳的重力及摩擦力做功。 一、有用功、额外功和总功 2. 有用功、额外功和总功 （1）有用功：将钩码提升一定的高度是我们的目的，所做的功叫做有用功，记为W有用。 （2）额外功：在使用动滑轮提升钩码时，除需克服摩擦力做功外，还要克服动滑轮的重力做功，这两部分功虽然并非我们所需要的，但又不得不做，叫作额外功，记为W额外。 （3）总功：手拉绳所做的功叫作总功，记为W总。总功等于有用功与额外功之和：W总= W有+W额 ②额外功 ①有用功 ③总功 一、有用功、额外功和总功 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。 （4）想想议议 一、有用功、额外功和总功 视频欣赏——《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 【解析】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，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 【解析】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。 二、机械效率 第5节 机械效率 二、机械效率 1. 机械效率 （1）机械效率 物理学中，将有用功和总功的比叫作机械效率。 （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 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 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。 （4）计算“再探动滑轮活动”中不同情况下动滑轮的机械效率。 机械效率 = = = 实验 次数 拉力 F/N 绳子移动 距离s/m 钩码重力 G/N 钩码上升 高度h/m 拉力做功 W拉/J 动滑轮对钩码做功W动/J 1 1.3 0.2 2.0 0.1 2 2.5 0.4 4.0 0.2 3 3.5 0.6 6.0 0.3 0.26 1.0 2.1 0.2 0.8 1.8 二、机械效率 二、机械效率 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 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 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 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 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 （2）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 第一，是减小额外功。方法有：保持良好的润滑、减小滑轮的轮与轴之间的摩擦、减小动滑轮的自重等都能减小额外功，从而提高机械效率。 第二，是增加有用功。当额外功不变时，有用功越大，则机械效率越高。以滑轮组提升重物为例，当动滑轮重和摩擦不变时，提起的货物越重，机械效率越高。 4. 提高机械效率的方法 二、机械效率 总结：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. 对机械按技术规程经常保养，使之处于良好的状态. （1）被提升 物体的重力 （2）机械 自身的重力 （3）机械转动 部件间的摩擦 二、机械效率 二、机械效率 【例题3】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 【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 【分析】机械效率会降低。 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。 【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？ 二、机械效率 【例题4】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 【解析】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。所以选B. 二、机械效率 二、机械效率 【例题5】现在将一箱书搬上楼，小明和小华分别提供了两种方法：小明的方案是把所有的书一起搬上楼；小华的方案是先搬一部分书上楼，再搬剩下的部分。用这两种方案，搬书的机械效率有什么不同?你搬的话，选用哪种方案？ 小明的方案功率大，机械效率高。 【解析】①在搬书的过程中，人需要对自身做大量的额外功。设把书搬上楼做的有用功为W书，人每次搬书上楼做的额外功为W人。如果把所有书一起搬上楼，则需要做的功为W书+W人，因此机械效率 ×100% ②分两次搬书，每次上楼需要做的功为W部分书+W人，需要做的总功为 W总=（W部分书+W人）+（W部分书+W人）=W书+2W人，即需要做的总功较大。 根据公式×%100可知，把所有书一起搬上楼，机械效率较高。 三、斜面及其应用 第5节 机械效率 三、斜面及其应用 1. 斜面及其特点 欲将重物从地面移到高台上，可以在地面和高台间架一块长木板，沿斜面将重物拉到高台上，如图所示。这里的斜面就是一种省力的简单机械。 使用斜面时可以省力，但要费距离。由于物体在斜面上运动时会受到摩擦力，要做额外功，因而斜面的机械效率小于100%。 三、斜面及其应用 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。 = 有用功为提高物体所做的功： 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： 3. 斜面的应用 斜而在生产、生活中应用广泛。如图（a）所示，在一些建筑物的入口处设置了供轮椅上下的斜坡，将轮椅沿着这种斜坡推上去比直接提上去要省力，这体现了社会对残疾人的关怀。如图（b）所示，高山上的公路修得弯弯曲曲，宛如盘龙，也是利用了同样的道理。 （a）供轮椅通行的斜坡（右侧） （b）盘山公路 三、斜面及其应用 三、斜面及其应用 视频讲解——《斜面及其机械效率》 【例题6】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。 80%  使接触面光滑  【解析】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，则有用功不变，可通过减少额外功来提高斜面的机械效率。即采用接触面光滑的方法来减小摩擦，提高机械效率。 三、斜面及其应用 三、课堂总结 第4节 功率 课堂总结（1） ①有用功：提升重物时，将重物提升一定高度所做的功。 ②额外功：克服机械的自重和摩擦等因素而做的功。 ③总功：人拉绳所做的功。W总= W有+ W额。 ①定义：有用功与总功的比叫作机械效率。 ②公式：机械效率 η= ； η＜1，用百分数表示。 ①影响因素：物重、机械自身重、部件间的摩擦。 ②提高方法：增加物重、减小机械重、减小摩擦。 ①特点：省力、费距离；机械效率小于1。 ②应用：盘山公路、斜坡等。 有用功额外功与总功 机械效率 提高机械 效率 机械效率 斜面与应用 课堂总结（2） 五、实践与练习 第5节 机械效率 实践与练习 1. 某人用定滑轮将质量为20kg的物体匀速提升2m，所用的拉力为220N。求此过程中人做的有用功、总功和定滑轮的机械效率（g取10N/kg）。 ×100% = 91% 已知：m=20kg，F=220N，h=2m. 求： W有用、W总、. 解： G=mg=20kg ×10N/kg=200N s=h=2m. W有用=Gh=200N×2m=400J. W总=Fs=220N×2m=440J 实践与练习 已知：m=18kg，h=50cm=0.5m， η=90%. 求： W总 解： G=mg=18kg ×10N/kg=180N W有用=Gh=180N ×0.5m=90J =100J 2. 用某杠杆将质量为18kg的物体匀速提升50cm，若此时杠杆的机械效率为90%，则提升该物体需要做的总功是多少（g取10N/kg）? 实践与练习 3. 如图所示是塔式起重机上的一种滑轮组。已知在匀速吊起600kg的物体时，滑轮组的机械效率是80%，使物体上升5m，所做的有用功是多少?所做的总功是多少?（ g取10N/kg ） 已知：m=600kg，=80%，h=5m. 求： W有用、W总. 解： ① G=mg=600kg×10N/kg=6000N W有用=Gh=6000N×5m=3×104J = 3.75×104J 六、综合提升训练 第5节 机械效率 综合提升训练 【解析】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。故选A。 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　 综合提升训练 2．下列办法中，能提高如图滑轮组机械效率的是（　 ） A．增大摩擦 B．增大定滑轮重力 C．增大动滑轮重力 D．增大被提升物体重力 D A．增大摩擦，会增大额外功在总功所占比值，使机械效率降低，故A不符合题意； B．增大定滑轮重力，不会改变额外功和有用功，即机械效率不变，故B不符合题意； C．增大动滑轮重力，会增大额外功在总功所占比值，使机械效率降低，故C不符合题意； D．增大被提升物体重力，增大有用功在总功所占比值，使机械效率增大，故D符合题意。 所以选D. 【解析】 综合提升训练 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 【解析】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。 故选D. 综合提升训练 综合提升训练 【解析】拉力做的总功为 W总=FL=200 N×50 m=1 000 J 有用功为W有用= Gh=400N×2m= 800J = = 80% 4. 如图所示的斜面高为h=2m，长为L=5m，现用平行于斜面的拉力F=200N，将一个G=400N的重物从斜面底端匀速拉到斜面顶端，拉力做的总功是______ ，斜面的机械效率是______ 。 1000J 80% 综合提升训练 5. 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 【解析】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。 综合提升训练 综合提升训练 6．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？ 【解析】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%. 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＝2×600 N-900 N＝300 N 若用此滑轮组提升1500N的重物， 此时拉力F′＝(G物′＋G动)/2＝(1500N＋300 N)/2＝900 N. 综合提升训练 Lavf59.27.100 Lavf59.27.100 Lavf59.27.100 $$