11.3 机械效率 教学设计 2026-2027学年物理沪粤版九年级上册

该初中物理教学设计聚焦机械效率核心知识，涵盖有用功、额外功、总功的概念，机械效率的定义、公式及测量方法。通过动滑轮提升重物对比实验导入，引发“使用机械是否省功”的思考，衔接功的原理，构建知识支架。 此资料以实验探究为特色，通过动滑轮省功实验和滑轮组效率测量培养科学探究能力，结合起重机、盘山公路等实例体现物理观念中的能量观念与科学思维中的模型建构。助力学生提升实验操作与问题解决能力，为教师提供清晰教学流程与分层练习资源。

第3节 机械效率 教案 课题 第3节 机械效率 年级 九年级 教材 沪粤版物理上册(2026-2027学年) 章节 第十一章 功与机械能 一、核心素养目标 1. 了解什么是有用功、额外功和总功。 2. 能说出机械效率的含义,知道机械效率是小于100%的,了解机械的机械效率。 3. 能利用机械效率的公式进行简单计算。 4. 会测量滑轮组的机械效率,且知道提高机械效率的方法。 二、教学过程 一、情境引入 【问题引入】 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。 提出问题: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? 引导学生思考:使用机械做功时,是否真的能"省功"? 【引导】从生活实际出发,引发学生思考"使用机械是否能省功" 【教师活动】创设情境,提出问题,引导学生观察思考并归纳总结。 【学生活动】观察现象,讨论分析,主动建构知识。 【设计意图】从实验出发,培养学生的观察能力和科学思维。 二、有用功与额外功 【实验:研究使用动滑轮是否省功】 实验操作: 1. 如图甲所示,用弹簧测力计将钩码缓慢地提升一定的高度,计算拉力所做的功。 2. 如图乙所示,用弹簧测力计并借助一个动滑轮将同样的钩码缓慢地提升相同的高度,计算弹簧测力计的拉力所做的功。 提出问题:这两次拉力所做的功相同吗?为什么? 【实验】通过对比实验让学生直观感受"使用机械不省功" 【实验数据分析】 实验数据: 第1次(弹簧测力计直接提升钩码):F=2N,s=0.1m,G=2N,h=0.1m,W=0.20J 第2次(通过动滑轮提升钩码):F=1.2N,s=0.2m,G=2N,h=0.1m,W=0.24J 分析:第2次拉力做的功(0.24J)大于第1次(0.20J),说明使用动滑轮反而多做功了。 【关键】两次功不同 使用机械要多做额外功,不能省功 【有用功、额外功、总功的定义】 【有用功】动滑轮对重物的拉力所做的功,等于克服物体重力所做的功,就是有用功,用W有用表示。 ——满足需要的、有价值的功。 【总功】弹簧测力计的拉力所做的功,叫作总功,用W总表示。 【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,这部分功叫作额外功,用W额外表示。 ——无利用价值却不得不做的功。 【重点】三种功的概念是本节核心基础,必须让学生理解清楚 【三种功的关系】 总功 = 有用功 + 额外功 W总 = W有用 + W额外 大量实验表明,动力对机械所做的功总是大于机械对外所做的功(有用功)。 事实上,使用任何机械都不能省功。 【核心】使用任何机械都不能省功——这是功的原理 【人们对机械的期望】 在保证所做有用功一定的情况下,人们总是希望额外功越少越好,即额外功在总功中所占的比例越小越好,也就是有用功在总功中所占的比例越大越好。 【过渡】引出"有用功占总功的比例"——即机械效率 【教师活动】创设情境,提出问题,引导学生观察思考并归纳总结。 【学生活动】观察现象,讨论分析,主动建构知识。 【设计意图】从实验出发,培养学生的观察能力和科学思维。 三、机械效率 【机械效率的定义】 【定义】有用功与总功的比值叫做机械效率。 公式: = W有用 / W总 注:机械效率一般用百分数表示,没有单位。 【意义】表示机械做功时,有用功在总功中所占的比例,是机械性能的重要指标。 【特点】因为 W有用 < W总,所以 < 1。 【重点】机械效率的公式、无单位、恒小于1是最核心的三个要点 【机械效率的注意事项】 1. 用百分数表示,总小于1,无单位。 2. 物理意义:机械效率表示机械性能高低的物理量,机械效率越高,机械性能越好。 3. 机械效率和功率的区别: 机械效率指有用功占总功的比值;功率表示做功的快慢。二者没有任何内在联系性。 【辨析】机械效率≠功率,两者是完全不同的物理量,容易混淆 【常见机械的机械效率】 现在各种机械的机械效率都还不够高! 【拓展】让学生了解实际机械效率的范围,感受提高机械效率的意义 【教师活动】创设情境,提出问题,引导学生观察思考并归纳总结。 【学生活动】观察现象,讨论分析,主动建构知识。 【设计意图】从实验出发,培养学生的观察能力和科学思维。 四、例题精讲 【起重机机械效率计算】 【例题】起重机把质量为0.5 t的重物匀速提升了3 m,而它的电动机所做的功是3.4 10⁴ J,起重机的机械效率是多少?g取10 N/kg。 【解题思路】 已知:m = 0.5 t = 500 kg,h = 3 m,W总 = 3.4 10⁴ J 求: 解:W有用 = Gh = mgh = 500 kg 10 N/kg 3 m = 1.5 10⁴ J = W有用 / W总 = 1.5 10⁴ J / 3.4 10⁴ J ≈ 44.1% 【示范】规范解题步骤:已知 求 解,注意单位换算 【教师活动】引导学生分析已知条件,示范规范解题步骤,强调单位换算。 【学生活动】跟随教师思路,尝试独立解题,对照规范答案自我修正。 【设计意图】通过例题示范,培养学生规范的物理解题习惯。 五、测量滑轮组的机械效率 【实验设计】 【提出问题】如何测量滑轮组的机械效率? 【实验原理】 = W有用 / W总 = Gh / Fs 【实验器材】刻度尺、钩码、弹簧测力计、滑轮、铁架台、长约2m的细绳 【测量的物理量】 G:物体的重力 h:物体升高的高度 F:绳子自由端的拉力 s:绳子自由端移动的距离 【方法】明确实验原理和需要测量的物理量,为实验操作做准备 【实验步骤】 1. 用弹簧测力计测量钩码所受的重力G并填入表格。 2. 按照图甲安装滑轮组,分别记下钩码和绳端的位置。 3. 如图乙所示,匀速缓慢拉动弹簧测力计,使钩码升高,读出拉力F的值,用刻度尺测出钩码上升的高度h和绳端移动的距离s,将这三个量填入表格。 4. 算出有用功W有、总功W总、机械效率 并填入表格。 5. 改变钩码的数量,重复上面的实验。 【操作】匀速拉动是关键——保证弹簧测力计示数稳定,读数准确 【实验数据与结论】 实验数据: 第1次:G=0.5N,h=0.03m,W有=0.015J,F=0.3N,s=0.087m,W总=0.026J, =57.5% 第2次:G=1N,h=0.03m,W有=0.03J,F=0.4N,s=0.091m,W总=0.036J, =88.7% 第3次:G=1.5N,h=0.03m,W有=0.045J,F=0.59N,s=0.086m,W总=0.050J, =88.8% 【实验结论】用同一滑轮组提升重力不同的物体时,机械效率不同,被提升的物体越重,机械效率越高。 【结论】同一滑轮组,物重越大,机械效率越高 【测量说明】 关于测量滑轮组机械效率的几点说明: 1. 在测滑轮组的机械效率时,可以不测量s和h; 2. 若不考虑绳重和摩擦,只计动滑轮重力时,机械效率与滑轮组绕线方式无关。 【理解】不测s和h是因为在特定滑轮组中s和h有固定的倍数关系,可以约去 【影响滑轮组机械效率的因素】 1. 摩擦、绳重(轮与轴及轮与绳之间):减小摩擦可以减少额外功,提高机械效率。 2. 物重:物重增加,机械效率提高。 3. 动滑轮重:动滑轮重减小,机械效率提高。 【归纳】三个影响因素:摩擦绳重、物重、动滑轮重 【教师活动】演示实验或指导学生分组实验,强调操作规范和读数方法。 【学生活动】观察实验现象,记录数据,分析得出结论。 【设计意图】通过实验探究加深对机械效率的理解,培养科学探究能力。 六、如何提高机械效率 【提高机械效率的方法】 1. 改进机械的结构,使它更合理,更轻巧。 例如:动滑轮太重,使得滑轮组机械效率很低,换用较轻滑轮就可提高其机械效率。 2. 减小机械间的摩擦力。 例如:加强机械运动部位的润滑。 3. 增大物体的重量。 在额外功不变的情况下增大有用功。 【应用】三种方法对应三个影响因素,从"减额外功"和"增有用功"两个角度提高机械效率 【教师活动】引导学生从"减少额外功"和"增大有用功"两个角度思考提高机械效率的方法。 【学生活动】结合影响因素归纳提高方法,联系生活实际举例。 【设计意图】培养学生从物理原理出发解决实际问题的思维。 七、课堂练习 【练习1:机械效率与功率的比较】 【题目】如图,甲、乙两人用不同的装置,在相同时间内把质量相等的货物匀速提升到同一平台,不计绳重及滑轮的摩擦。下列说法正确的是( ) A. 甲做的有用功多 B. 乙做的总功多 C. 甲做总功的功率大 D. 乙所用装置的机械效率小 【答案】C 【辨析】有用功相同(同一货物同一高度),总功和功率需根据装置分析 【练习2:滑轮组综合计算】 【题目】如图所示,物体重180 N,动滑轮重10N,小明用100 N的拉力(方向不变)将物体匀速提升2 m,用了10 s,则此过程中: 有用功是_J,额外功是_J,拉力的功率是_W,滑轮组的机械效率是_%。 【答案】360;40;40;90 【解析】W有 = Gh = 180N 2m = 360J;W总 = Fs = 100N 4m = 400J(s=2h=4m);W额外 = W总 - W有 = 400J - 360J = 40J;P = W总/t = 400J/10s = 40W; = W有/W总 = 360/400 = 90%。 【综合】综合考查有用功、额外功、总功、功率、机械效率的计算 【练习3:盘山公路的机械效率】 【题目】很多名山风景区为了方便游客到达都把上山的公路修成如图所示的盘山公路,这样设计的优点是_;某次一辆质量为5t的旅游车以120kW的恒定功率沿着盘山公路向上行驶5min到达了目的地。已知该过程中旅游车上升的高度为300m,则该盘山公路的机械效率为_。(结果保留百分号前1位小数) 【答案】省力;41.7% 【解析】盘山公路本质是斜面,优点是省力。 W总 = Pt = 120000W 300s = 3.6 10⁷J W有 = Gh = mgh = 5000kg 10N/kg 300m = 1.5 10⁷J = W有/W总 = 1.5 10⁷/3.6 10⁷ ≈ 41.7% 【应用】盘山公路=斜面模型,将实际问题转化为机械效率计算 【练习4:斜面机械效率实验】 【题目】如图是小龙"测量斜面机械效率"的实验装置。斜面粗糙程度相同。先用平行斜面向上的恒定拉力F将重6N的物体以1m/s的速度匀速拉到斜面顶端,测得斜面的机械效率为75%。则下列说法正确的是( ) A. 拉力做功为3J B. 物体受到摩擦力为1.5N C. 在匀速拉动过程中,物体的机械能不变 D. 若以2m/s的速度匀速拉动物体,斜面机械效率仍为75% 【答案】D 【解析】斜面机械效率与匀速拉动的速度无关,只与斜面的粗糙程度和倾角有关,因此以不同速度匀速拉动时机械效率不变。 【拓展】斜面机械效率与速度无关,但与斜面粗糙程度和倾角有关 【教师活动】引导学生审题、分析条件,组织讨论,点评答案。 【学生活动】独立思考或小组讨论,运用所学知识分析解答。 【设计意图】通过分层练习巩固核心概念,提升知识运用能力。 三、板书设计 第3节 机械效率 一、有用功、额外功、总功 W总 = W有用 + W额外 使用任何机械都不能省功 二、机械效率 = W有用 / W总(无单位,<1) 三、测量滑轮组的机械效率 原理: = Gh / Fs 结论:同一滑轮组,物重越大, 越高 四、提高机械效率的方法 减小摩擦、减小动滑轮重、增大物重 学科网(北京)股份有限公司 $