第5节 机械效率（教学课件）物理新教材沪科版（五四学制）八年级下册

第8章 简单机械 功和能 八年级下册•沪科版 五四•学制 3 000 多年前我们的祖先就能使用舂、桔槔等机械劳作。如今，工业机器人的应用提高了生产的精度和效率，人类发明、使用的机械遍布生活各个方面。本章我们将学习简单机械、机械功与机械能的相关知识。 通过本章内容的学习，你将了解杠杆、机械功、机械能和机械效率等基本知识，知道动能和势能的相互转化；经历探究杠杆平衡条件的过程，发展基于数据的分析论证能力；感悟机械的运用对社会生产力发展的重要作用；初步建立能量观念。 第5节 机械效率 致老师同学 视频资源 制作 ppt所用视频资源根据教学内容进行精选，均进行了 高质量编辑，故资源比较大，课件大小约70MB. 视频资源 清单 ①动画讲解—《有用功和额外功》 ②视频讲解—《机械效率的定义及表达式》 ③课堂总结—《机械效率》 第5节 机械效率 导入新课 机械工作的过程中，是否做的功越多， 能量利用的效率也越高呢？ 第5节 机械效率 随着人类文明的不断发展，各类功能不同的机械逐步代替人类完成一些繁重而复杂的工作，例如，机械手能模仿人类手部的动作用以抓取、搬运物件或操作工具。机械的大量使用也使人类对能源的需求越来越大。 使用机械的三种功 01 机械效率 02 课堂总结 04 课堂练习 05 目录 第5节 机械效率 一、使用机械的三种功 第5节 机械效率 一、使用机械的三种功 1. 研究使用机械是否省功 【想一想】生活中，许多机械都能达成省力效果。例如，使用省力杠杆可以省力，使用动滑轮也可以省力。长期以来，人们很想知道使用机械能否省功。 为了回答这个问题，我们就要测量使用机械前后的做功情况。通过比较使用机械前后所做的功来判断使用机械是否可以省功。 一、使用机械的三种功 【设计实验】参照图示的方法进行实验。 （1）用力传感器将钩码缓慢地提升0.5m，如图所示，计算不用机械所做的功。 （2）用力传感器和一个动滑轮将同样的钩码缓慢地提升相同高度，如图所示，计算使用机械所做的功。 比较使用机械所做的功与不用机械所做的功是否有差异。 （1）研究使用动滑轮是否省功 一、使用机械的三种功 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】 不用机械 提升2个钩码 使用动滑轮 提升2个钩码 2 0.5 0.5 1.2 0.5 1.0 一、使用机械的三种功 ①不用机械提升2个钩码0.5m所做的功 W1=Fh= 2N×0.5m=1.0J ②使用动滑轮提升2个钩码0.5m所做的功 W2=F2s= 1.2N×1.0m=1.2J 【分析论证】 ③ W2＞W1 【实验结论】 使用动滑轮提升重物比直接用手提升重物并不省功。 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 不用机械 提升2个钩码 使用动滑轮 提升2个钩码 2 0.5 0.5 1.2 0.5 1.0 一、使用机械的三种功 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。 【实验评估】 迄今为止，人类所有的实践表明，为了达到同一效果，使用机械所做的功都不会少于不用机械所做的功，也就是使用任何机械都不能省功。这是一个普遍的结论（功的原理），对任何机械都适用。对机械的研发和应用而言，这具有重要的指导意义。 （2）功的原理 一、使用机械的三种功 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作额外功W额外。 ①有用功 使重物上升所做的功是有用的，是必须做的功，这部分功叫做有用功W有用。 ③总功 最终拉力所做的功是有用功与额外功的总和，叫做总功W总，即 ：W总= W有+ W额 （1）实例分析 以使用动滑轮提升钩码进行分析机械的三种功。 2. 有用功、额外功和总功 一、使用机械的三种功 （2）有用功：使重物上升所做的功是有用的，是必须做的功，这部分功叫做有用功W有用。 （3）额外功：用动滑轮提升钩码时，我们还不可避免地要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，这部分功叫做额外功W额外。 （4）总功：最终拉力所做的功是有用功与额外功的总和，叫做总功W总，即 W总=W有用+W额外 一、使用机械的三种功 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、使用机械的三种功 动画讲解——《有用功和额外功》 一、使用机械的三种功 【例题1】“曲岸深潭一山叟，驻眼看钩不移手”，古往今来，无数钓鱼爱好者陶醉于这项活动之中。钓鱼时，某人不小心把水桶弄进水里，捞上桶时发现桶里带些水，在用绳子打捞水桶的过程中，下列所述中属于有用功的是（　　） A．把桶中水提高做的功 B．把桶和桶中的水提高做的功 C．把桶提高做的功 D．把绳子提高做的功 【解析】有用功的定义是完成一件事情而做的功，简单理解，有用功是与你的目的直接相关的；我们的目的就是为了把水桶提上来，所以克服水桶的重力做的功为有用功。故C符合题意，ABD不符合题意。故选C。 C 二、机械效率 第5节 机械效率 二、机械效率 1. 比较机械做功的效率 想一想： 要把重100N的大米运上三楼。甲、乙两位同学用了二种方法，怎样比较哪种方法好？ 大米重100 N 动滑轮重10 N 桶重 20 N 口袋重 5 N 地面到三楼高度 6 m 桶 口袋 二、机械效率 （1）甲用动滑轮和桶提大米做功情况 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 大米重100 N 动滑轮重10 N 桶重 20 N 口袋重 5 N 二、机械效率 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 （2）乙用动滑轮和口袋提大米做功情况 大米重100 N 动滑轮重10 N 桶重 20 N 口袋重 5 N 二、机械效率 （3）计算二种情况下的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 结论 W滑轮与桶 =G总h =30N×6m =180J W滑轮与口袋 =G总h =15N×6m =90J 780J 690J 77% 87% 对大米做的 有用功 W有用=Gh =100N×6m =600J 越大， 效率越高，乙同学方法效率高。 二、机械效率 2. 机械效率 （1）机械效率 物理学中，把有用功与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，有用功在总功中所占比例越大，机械对外界输入能量的利用程度就越高，也就是机械工作的效率越高。 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机械效率的高低与省力情况无关。 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 视频讲解——《机械效率的定义及表达式》 二、机械效率 【例题2】机械手臂将G= 60N的重物匀速提升了h=0.5m（空气阻力忽略不计）。在这个过程中机械手臂一共做功W总=100J。该机械手臂提升重物的机械效率是多少？ 【解析】机械手臂匀速提升重物的拉力 F=G， 提升距离 s=h，因此，机械手臂做的有用功 W有用=Fs = Gh=60N×0.5m = 30J 因此，机械手臂的机械效率 ×100%= 30% 二、机械效率 想一想 通过计算我们发现，机械手臂的机械效率其实并不高，那么，使用机械手臂的意义是什么？ 机械手臂在工业、医疗、服务业等领域广泛使用，比如汽车制造中的装配、手术中的精密操作、危险环境中的作业等。这些场景中，机械效率可能不是唯一的关键因素，甚至不是主要考虑的因素。因为除了效率之外，还有精度、安全性、耐久性、可编程性等其他因素的重要性。 另外，机械手臂具有多功能性。例如，可以24小时工作，不会疲劳，这在生产线上非常重要。另外，机械手臂可以执行人类无法完成的任务，比如在极端温度或有毒环境中工作，这些情况下效率可能退居次要地位。 二、机械效率 3. 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% 一些机械（机器）的机械效率 二、机械效率 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 【例题3】如图所示，小黄用竖直向上大小为250牛 的拉力，通过滑轮在10秒内匀速将箱子提升6米。已知 箱子重为400牛（若不计绳重和摩擦等），求： （1）拉力的功率； （2）滑轮的机械效率为多少？ （3）若要提升该滑轮的机械效率，下列方法中可行的是（　　） A．减少箱子的重力 B．增大箱子的重力 C．换用重力更小的滑轮 D．换用重力更大的滑轮 80% BC 300W 二、机械效率 【解析】（1）由图可知，动滑轮上绳子的股数n=2，则绳子自由端移动的距离为s=nh=2×6m=12m，则拉力的功率 （2）滑轮的机械效率为 （3）AB．减小木箱所受的重力，有用功会减小，有用功在总功中所占的比例将减小，机械效率会减小；相反的，如果增大木箱所受的重力，有用功会增大，有用功在总功中所占的比例将增大，机械效率会增大，故A不符合题意，B符合题意； CD．换用质量更小的动滑轮，额外功减少，有用功在总功中所占的比例将增大，机械效率增大；相反，换用质量更大的动滑轮，额外功增加，有用功在总功中所占的比例将减小，机械效率降低，故C符合题意，D不符合题意。 三、课堂总结 第5节 机械效率 课堂总结（1） ①有用功：使重物上升所做的功是有用的，必须做的功. ②额外功：克服机械的自重及机械部件间的摩擦做的功. ③总功：拉力做的功是有用功与额外功的总和. 即W总=W有+W额. ①定义：有用功与总功之比叫做机械效率. ②计算公式： η= ×100%； η＜1，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. ②提高方法：减小摩擦或者使用质量更小的轻型机械. 三种功 机械效率 提高机械 效率方法 机械效率 32 课堂总结（2） 33 五、课堂练习 第5节 机械效率 课堂练习 1. 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 D 【解析】师傅不小心把水桶弄进水里，目的是为了把水桶提上来，所以对水桶做的功为有用功；但水桶里面有一些水，又不得不对水做功，所以对水做的功为额外功；手对绳子拉力做的功，包括对水做的功、对桶做的功、对绳子做的功为总功，故ABC错误；D正确。故选D。 课堂练习 2. 下列关于功、功率、机械效率的说法中正确的是（　　） A．做功多的机器机械效率一定高 B．功率大的机器做功时间一定短 C．功率越小的机器做功越慢 D．机械效率高的机器功率一定大 C 【解析】A．有用功与总功的比值叫机械效率，故机械效率与做功的多少无关，故A错误； B．功率等于功和做功时间的比值，功率大，功多少不确定，时间不确定，故B错误； C．功率反映做功的快慢，功率大则做功快，功率小，则做功慢，故C正确； D．机械效率与机械功率大小没有直接关系，机械效率高的机器功率不一定大，故D错误。故选C。 3. 如图所示，工人用相同的滑轮A、B组成滑轮组将重为400N的重物从井底匀速吊起2m，用时为8s，工人所用拉力F为250N。求： （1）滑轮_______是动滑轮（选填“A”或“B”）。 （2）滑轮A的重力。 （3）此滑轮组的机械效率。 （4）拉力F的功率。 B 课堂练习 125W 100N 80% 【解析】 （1）轴固定不动的滑轮为定滑轮，随物体一起运动的滑轮是动滑轮，由图可知，B是动滑轮。 （2）由图知，滑轮组的有效绳子段数为n=2，由 得，滑轮A的重力G动=2F-G=2×250N-400N=100N （3）绳子自由端移动的距离为s=nh=2×2m=4m 滑轮组的机械效率 （4）拉力F做的功为W总=Fs=250N×4m=1000J 则拉力F的功率为 课堂练习 4. 如图甲，A、B是两个完全相同的物体，琴琴同学分别将A、B两物体拉到斜面顶端，对物体做功情况如图乙所示，请问对物体A做的有用功是______J，对物体B做的额外功是______ J。 2 0.5 课堂练习 【解析】由图乙可知，对物体A做的总功为3J，额外功为1J，故对物体A做的有用功 W有=WA总-WA额=3J-1J=2J A、B是两个完全相同的物体，都拉到斜面顶端，故对物体B做的有用功和对物体A做的有用功相同；由图乙可知，对物体B做的总功为2.5J，故对物体B做的额外功 WB额=WB总-W有=2.5J-2J=0.5J 课堂练习 5．用滑轮组提高重物，下述几种方法中能够提高机械效率的是（　　） A．改变绳子的缠绕方法 B．增加重物提升高度 C．增加动滑轮质量 D．增加重物质量 课堂练习 【解析】A．改变绳子的缠绕方法，对重物被拉升没有影响，即对有用功没影响；对动滑轮的拉升、动滑轮转动时的摩擦也没有影响，即不影响额外功。所以改变绕绳方式不影响机械效率。故A不符合题意； B．增加重物提升高度的时候，绳端被拉升的距离也变长了，根据 可知，机械效率并不受影响。故B不符合题意； C．增加动滑轮质量，对有用功没影响，额外功增加了，所以机械效率降低了，故C不符合题意； D．增加重物的质量，即增加了重物的重力，在动滑轮、摩擦不变的情况下，即额外功不变的情况下，有用功增加了，所以机械效率就提高了。故D符合题意。故选D。 D 6．在学习简单机械知识后，我们知道利用机械工作时可以省力，那么能不能省功呢？如图，利用长为L的光滑斜面将重为G的物体匀速拉到高度h处，拉力F对物体所做的功W1= （用字母表示）；若直接将重为G的物体提升到高度h处，需要克服重力所做的功W2= （用字母表示）。实验数据表明，W1=W2，即使用机械工作时可以省力但不能 。 课堂练习 省功 FL Gh 【解析】将物体沿着斜面拉到高度h处，力的大小为F，在力的方向上通过的距离为L，故拉力F做的功为W1=FL 克服重力所做的功为重力乘以竖直方向上的距离，即W2=Gh 实验数据表明W1=W2 即FL=Gh，又L>h。故F<G 由此可知使用斜面的好处是可以省力， 但是不能省功。 课堂练习 Lavf59.27.100 Lavf59.27.100 Lavf59.27.100 $