第4节 简单机械 第3课时（培优教学课件）科学浙教版九年级上册

第三章 能量的转化与守恒 九年级上册•浙教版 第4节 简单机械（第3课时） 在学习过程中，与学习效率，在机械工作中存在机械效率。 在生活中，我们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? 导入新课 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。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 想一想 做作业0.5h 打瞌睡2h 玩游戏2h 为什么小科同学学习成绩不好呢？ 以下是小科同学半天的学习情况 学习目标 1. 分析什么是有用功、额外功和总功 2. 理解机械效率的概念、计算公式 3. 计算简单机械的机械效率 4. 课堂总结 5. 练习与应用 6. 提升训练 简单机械 重点难点 重点 1. 知道有用功、总功和额外功，了解机械效率是衡量机械性能的重要指标。 2. 结合分析具体实例和实验结果，让学生知道机械效率总是小于100%的原因，发展学生的分析综合、归纳推理能力。 3. 通过实际测量滑轮组的机械效率，让学生经历收集和分析实验数据的过程，培养学生的科学探究能力 难点 通过理论结合实验的分析过程，让学生有合理改进机械、提高效率的意识，关注科学•技术•社会•环境方面的问题，认识到提高机械效率的重要性。 1. 有用功+额外功=总功 2. 机械效率 3. 简单机械的机械效率计算 4. 课堂总结 5. 练习与应用 6. 提升训练 学习内容 简单机械 一、有用功+额外功=总功 第4节 简单机械 一、有用功+额外功=总功 1. 研究使用动滑轮是否省功 【提出问题】利用动滑轮提升重物，绳端拉力所做的功与动滑轮对重物所做的功相同吗？ 【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，如图甲所示，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，如图乙所示，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=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F和钩码在F方向上移动的距离s1。 （2）用弹簧测力计和一个动滑轮将重2N的钩码匀速提升0.1m，记下弹簧测力计的示数F' 和绳子自由端在F' 方向上移动的距离s2。 一、有用功+额外功=总功 视频欣赏——动滑轮做功 一、有用功+额外功=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2个钩码 用弹簧测力计和一个 动滑轮提升2个钩码 2 0.1 0.1 1.2 0.1 0.2 一、有用功+额外功=总功 ①直接用弹簧测力计提升2个钩码所做的功 W1=Fh= 2N×0.1m=0.2J ②用弹簧测力计和一个动滑轮提升2个钩码所做的功 W2=F’ s= 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2个钩码 2 0.1 0.1 用弹簧测力计和一个 动滑轮提升2个钩码 1.2 0.1 0.2 【分析论证】 0.2 0.24 ③ W2＞ W1 一、有用功+额外功=总功 【实验结论】 使用动滑轮会省一半的力，但拉力移动的距离增加了一倍，加上动滑轮的自重及摩擦等因素的影响，使用动滑轮提升重物非但不省功，还要多做功。 做功的方式 拉力做的功W/J 直接提升2个钩码 用动滑轮提升2个钩码 0.2 0.24 【实验评估】 使用动滑轮提升重物比直接用手提升重物并不省功。 一、有用功+额外功=总功 如果将动滑轮换成费力杠杆提升重物是否省功呢？ W2 O W1 F杠 G F拉 一、有用功+额外功=总功 视频欣赏——杠杆做功 一、有用功+额外功=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 拉力做功W/J 直接用弹簧测力计 提升2个钩码 2 0.1 0.1 用费力杠杆提升2个钩码 5 0.1 0.05 0.2 0.25 W1＜W2 ①直接用弹簧测力计提升2个钩码所作的功： W1=F1s1= 2N×0.1m=0.2J ①用费力杠杆提升2个钩码，所做的功： 　　　 　W2=F2s2= 5N×0.05m=0.25J 一、有用功+额外功=总功 实验结论： 使用任何机械均不省功 直接提升物体所做的功小于使用机械提升物体所做的功（大量实验表明）。 一、有用功+额外功=总功 2. 有用功、额外功和总功 将钩码提升一定的高度是我们的工作目的，动滑轮对钩码的拉力所做的功。 有用功 额外功 我们必须做的功 实现目的而做的功 克服动滑轮本身所受的重力以及摩擦力等因素的影响而多做一些功。 （W有） （W额） 克服机械自身的重力和摩擦等而做的功。 对人们没有用但又不得不做的功 总功 （W总） 有用功与额外功之和是总共做的功 W总=W有用+W额外 一、有用功+额外功=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=总功 （1）在用动滑轮提升重物的过程中，有哪些额外功？你希望额外功大一些还是小一些？ 额外功包括克服动滑轮重力做的功、克服摩擦力所做的功、克服绳子重力所做的功。额外功并不是我们需要的功，因此额外功越小越好。 思考与讨论 一、有用功+额外功=总功 （2）请从功是能量转化的量度的角度，对有用功、额外功和总功进行分析。怎样描述机械工作时能量的利用率？ 有用功在总功中所占的比例就是机械工作时能量的利用率。 一、有用功+额外功=总功 视频欣赏——《有用功和额外功》 二、机械效率 第4节 简单机械 二、机械效率 想一想 要把重100N的大米运上三楼。图中用了三种方法，怎样比较哪种方法好？ 大米重100 N 人体重400 N 动滑轮重10 N 桶重 20 N 口袋重 5 N 地面到三楼高 6 m 甲 乙 丙 二、机械效率 （2）人用动滑轮和桶提大米做功情况 大米重100 N 人体重400 N 动滑轮重10 N 桶重 20 N 口袋重 5 N 地面到三楼高 6 m W总= W米 + W桶 + W动 =600J+120J +60J =780J 对桶做功 对动滑轮做功 W桶 = Gh=20N×6m= 120 J W动 = Gh=10N×6m= 60 J W米 = Gh=100N×6m=600 J 对大米做功 总功 二、机械效率 （3）人用动滑轮和口袋提大米做功情况 大米重100 N 人体重400 N 动滑轮重10 N 桶重 20 N 口袋重 5 N 地面到三楼高 6 m W总= W米 + W口袋 + W动 =600J+30J +60J =690J 对口袋做功 对动滑轮做功 W口袋 = Gh=5N×6m= 30 J W动 = Gh=10N×6m= 60 J W米 = Gh=100N×6m=600 J 对大米做功 总功 二、机械效率 （4）计算三种情况下的W有、W额、W总及 做功形式 有用功W有 额外功W额 总功W总 W有/W总 结论 W人与桶=G总h =420N×6m =2520J W滑轮与桶=G总h =30N×6m =180J W滑轮与口袋=G总h =15N×6m =90J 3120J 780J 690J 19.2% 76.9% 86.9% 对大米做的 功为有用功 W有用=W大米 =Gh =100N×6m =600J 越大， 效率越高，第3种方法效率最高 二、机械效率 （1）机械效率 物理学中，将有用功跟总功的比值叫做机械效率。 （2）计算公式：机械效率 η= （3）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。 注：机械效率只有大小，没有单位。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。 二、机械效率 【实验探究】影响滑轮组的机械效率的主要因素 实验猜想： G F η W有 W总 W额 W有 G动h 克服摩擦和绳重所做的功 Th Th 机械效率η与钩码重G、动滑轮重G动、钩码上升高度h、等因素有关。 二、机械效率 ①探究滑轮组机械效率与物体上升的高度是否有关 实验过程： 结论 ：滑轮组机械效率与物体上升的高度无关。 钩码所受的重力G/N 提升高度h/m 有用功 W有/J 拉力F/N 绳端移动的距离s/m 总功W总/J 机械效率η 一定一动 4 0.05 0.2 1.7 0.15 0.255 一定一动 4 0.1 0.4 1.7 0.3 0.51 78.4% 78.4% 保持滑轮组和物重不变，改变物体上升高度 控制变量法 【视频欣赏】 二、机械效率 ②探探究滑轮组机械效率是否与提升的物重有关 结论 ：滑轮组机械效率与物提升的物重有关，物重越大，机械效率越高。 钩码所受的重力G/N 提升高度h/m 有用功 W有/J 拉力F/N 绳端移动的距离s/m 总功W总/J 机械效率η 一定一动 4 0.05 0.2 1.7 0.15 0.255 一定一动 6 0.05 0.3 2.4 0.15 0.36 78.4% 83.3% 保持滑轮组不变和提升高度，只改变物重 控制变量法 【视频欣赏】 二、机械效率 ③探究滑轮组机械效率是否与动滑轮的重有关 动滑轮重G动/N 钩码所受的重力G/N 提升高度h/m 有用功 W有/J 拉力F/N 绳端移动的距离s/m 总功W总/J 机械效率η 0.3 4 0.05 0.2 1.7 0.15 0.255 1.2 4 0.05 0.2 1.9 0.15 0.285 78.4% 70.2% 保持提升的物重不变和提升高度不变，只改变只改变动滑轮重 控制变量法 【视频欣赏】 结论 ：滑轮组机械效率与动滑轮的重有关，动滑轮越重，机械效率越低。 二、机械效率 ①同一装置的机械效率，与被提升的物重有关，物体重力越大，机械效率越高； ②机械效率还与机械装置本身有关，与其结构、自身的重力以及润滑程度都有关系。 G F 归纳总结： 二、机械效率 （4）一些机械（机器）的机械效率 纽科门蒸汽机最初的机械效率约1% 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% 二、机械效率 汽油机 22～27% 离心式水泵 60～80% 喷气发动机 50～60% （4）一些机械（机器）的机械效率 二、机械效率 机械功率与机械效率有什么区别？ 机械效率与功率间没有必然的联系。功率是表示做功快慢的物理量，而机械效率则表示机械对总功的利用率。功率大的机器，效率不一定高。比如内燃机车功率高达数万瓦特，但效率却只有30%~40%，而电动玩具车功率只有几瓦特，但效率却可达80%。 思考与讨论 三、简单机械的机械效率计算 第4节 简单机械 三、简单机械的机械效率计算 （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：当动滑轮的重力一定时，物重越大，机械效率越高。 三、简单机械的机械效率计算 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 三、简单机械的机械效率计算 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。 三、简单机械的机械效率计算 （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 三、简单机械的机械效率计算 （3）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： 三、简单机械的机械效率计算 怎样求出斜面和物体之间的摩擦力呢？ 思考与讨论 三、简单机械的机械效率计算 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 三、简单机械的机械效率计算 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 四、课堂总结 第4节 简单机械 四、课堂总结 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力等因素而做的功。 ③总功：有用功与额外功之和：W总= W有+ W额。 ①定义：有用功跟总功的比值叫做机械效率。 ②计算公式：机械效率 η= ； η＜1，用百分数表示。 ①影响因素：与被提升的物重有关，物重增大，机械效率升高；还与机械装置本身的结构、轻巧程度以及润滑程度都有关系。 ②提高方法：减少动滑轮重，增加被提升的物重，减少绳重，减少摩擦阻力可以提高滑轮组的机械效率。 有用功和 额外功 机械效率 滑轮组的 机械效率 机械效率 四、课堂总结 课堂总结——机械效率 五、练习与应用 第4节 简单机械 五、练习与应用 1、有没有机械效率为100%的机械?为什么?举例说明，通过什么途径可以提高机械效率。 没有。因为使用机械做功时，必然要克服机械受到的重力、摩擦等做额外功，即有用功一定小于总功，机械效率一定小于100%。 使用滑轮组提升重物时，尽量使用轻质的动滑轮和绳子，尽量减小滑轮和轴间的摩擦，增大重物的质量，这样可以减小额外功，增大有用功，提高机械效率。 五、练习与应用 2、用一个动滑轮在5s内将一重为200N的物体向上匀速提起3m，拉力为150N。这个动滑轮的机械效率是多少？拉力的功率是多少？ W有=Gh W总=FS = = 66.7% = =180W 五、练习与应用 3、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。 六、提升训练 第4节 简单机械 六、提升训练 1、关于机械效率，下列说法正确的是（ ） A．做功越多机械效率越高 B．有用功越多的机械效率越高 C．额外功越少的机械效率越高 D．有用功占总功的比值越大，机械效率越高 D 六、提升训练 2、用滑轮组进行“一瓶水提升一个人”的活动，如图，水瓶匀速直线下降10m，使人匀速升高0.5m，水瓶对绳a的拉力F1＝30N，绳b对人的拉力F2＝480N。此过程（　D　） A. 有用功为300J B. F1做的功等于F2做的功 C. F1做的功小于F2做的功 D. 滑轮组的机械效率为80％ D 六、提升训练 3、如图所示，用相同的滑轮组不同的绕法提起相同的重物，绳重、摩擦忽略不计，在物体匀速上升的过程中（ ） A．甲图省力，机械效率甲图大 B．甲图省力，机械效率一样大 C．乙图省力，机械效率乙图大 D．乙图省力，机械效率一样大 D 六、提升训练 4、如图所示，为了把两件相同的货物搬运到平板货车上，工人用相同材质的木板搭建了AB、CD两个斜面（AB＜CD，且B、D等高），用沿斜面向上的力将其中一件货物从斜面AB的底端匀速推到顶端，另一件货物以同样的速度沿斜面CD推上顶端。下列说法正确的是（ ） A．沿斜面AB推动更省力 B．沿斜面CD推动更省功 C．无论利用哪个斜面，工人克服货物重力做功一定相同 D．无论利用哪个斜面，工人克服货物重力做功的功率一定相同 C 六、提升训练 5、如图，为了提升重物，我们选用了粗细均匀重为G的杠杆，不计杠杆支点处的摩擦，先后把同一个重物挂在A、B两处，每次用力让重物上升同样的高度，下列说法正确的是（ ） A．重物在A处人做的有用功多 B．重物在B处人做的有用功多 C．重物在A处杠杆的机械效率高 D．重物在B处杠杆的机械效率高 D 六、提升训练 6、如图所示，工人用平行于斜面向上的500N的推力将重为800N的物体 匀速推上高为1.5m的车厢，所用的斜面长是3m。斜面的机械效率 为 ，斜面对物体的摩擦力是 ⁠。 80％　 100N　 六、提升训练 7、如图所示，当重为10N的重物G静止时，弹簧测力 计a的读数是6N。请回答下列问题：（不计绳重及摩擦） （1） 弹簧测力计b的读数是 ⁠。 （2） 2s内将重物匀速拉升10cm，拉力的功率为 W。 6N　 0.6　 （3） 若重物G增大为12N，仍将其匀速拉升10cm，则该装置的机械效率会 （填“变大”“变小”或“不变”）。 变大　 六、提升训练 8、用如图甲所示的实验装置测杠杆的机械效率，实验时，竖直向上匀速 拉动弹簧测力计，使挂在杠杆下面的钩码缓缓上升。 六、提升训练 （1） 实验中，将杠杆拉至图甲中虚线位置，测力计的示数如图乙所 示，钩码总重G为1N，钩码上升高度h为0.1m，弹簧测力计移动距离s为 0.3m，则杠杆的机械效率约为 （结果精确到0.1％），请写出使用该杠杆做额外功的一个原因： ⁠⁠。 66.7％　 要克服杠杆的自重做功（合理即可） 六、提升训练 （2） 钩码从图甲中的A点改挂在B点后，拉力作用点及拉力方向都不 变，此时把相同的钩码匀速提升相同的高度，则所测机械效率将 ⁠ （填“变大”“变小”或“不变”）。 变 大　 六、提升训练 9、小李在测定某滑轮组的机械效率时，得到下表中的两组数据： （1）完成表格中空格。 （2）该实验采用的实验装置图是如图中的______（选填“甲”或“乙”）。 序号 物重/N  提升高度/m  绳端拉力/N  绳端移动距离/m  机械效率 1 3 1 1.5 4 50% 2 8 1 2.5 4 80% 甲 摩擦力和细线重力 六、提升训练 （4）为了减小测量误差，小李认为滑轮组的机械效率应取两次测量的平均值，你认为是________（选填“正确”或“错误”）的，原因是_________________________ ______________________________________________。 错误 滑轮组的机械效率随物重 改变而改变，不符合多次测量求平均值的条件 六、提升训练 10、斜面是一种简单机械，在生活和生产中使用斜面可以省力，那么斜面省力情况与哪些因素有关呢？（使用斜面的省力情况可以通过比较沿斜面拉力F与物体重力G的比值大小来判定，比值越小，越省力） 小明做了如下猜想： 猜想1：与斜面的表面材料有关； 猜想2：与斜面的倾斜程度有关； 猜想3：与物体受到的重力大小有关。 小明为验证上述猜想，利用如图所示的装置进行了 实验。实验中物体在斜面上做匀速直线运动，相关 的记录如表。 六、提升训练 （1）物体从斜面底端沿斜面匀速拉到顶端过程中，倾斜角度越大，机械效率_________（选填“越高”“越低”或“不变”）。 （2）通过对比实验1、5、6中的数据，得出的结论是_________________________ _______________________________________________。 （3）小明通过实验验证猜想3是错误的，他的依据是_________________________ _______________________________________________。 实验序号 1 2 3 4 5 6 斜面倾角 θ θ θ θ θ1（θ1＞θ）  θ2（θ2＞θ1） 斜面的表面材料 木板 毛巾 木板 木板 木板 木板 物块重G/N 2.0 2.0 4.0 6.0 2.0 2.0 沿斜面拉力F/N 1.35 1.52 2.70 4.05 1.52 1.70 越高 斜面的表面材料相同的情 况下，斜面的倾斜程度越小，提升物体越省力 比较实验1、3、4中的数据 ，沿斜面的拉力F与物体的重力G的比值相等 Lavf59.27.100 Lavf57.83.100 $$