11.3 机械效率（教学设计）物理新教材沪粤版九年级上册

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、总功的概念区分，机械效率的定义、公式、计算及提高方法。通过回顾功和简单机械旧知，结合提水、提沙子的生活情境引出三种功，搭建学习支架，衔接前后知识。 以科学探究和科学思维为特色，通过测量滑轮组机械效率实验，引导学生分析物重、动滑轮重对效率的影响，结合视频展示常见机械效率及传感器监测技术。联系汽车发动机、风力发电机等实例培养节能意识，提升学生实验操作与数据分析能力，为教师提供结构化教学流程和丰富教学资源。

第3节 机械效率（教学设计） 年级 九年级 学科 物理 教师 课题 第3节 机械效率 教学 目标 物理观念 1.知道有用功、额外功和总功的概念，能结合实例区分这三种功。 2.理解机械效率的定义、公式及单位，知道机械效率总是小于1。 3.了解提高机械效率的途径和方法。 科学思维 1.通过分析提水、使用滑轮等实例，运用比值定义法建立机械效率的概念。 2.能利用机械效率公式进行简单计算，解决生活中的实际问题。 科学探究 1.通过“测量滑轮组的机械效率”实验，掌握测量有用功、总功的方法。 2.经历实验数据的收集、处理与分析过程，探究影响滑轮组机械效率的因素。 科学态度 与责任 1.在实验操作中养成实事求是、严谨细致的科学态度。 2.认识提高机械效率对节能减排、节约资源的重要意义，增强环保意识和社会责任感。 教材 分析 本节内容是初中物理力学部分的综合应用，也是连接“功”与“能”的重要桥梁。教材从生活中常见的机械工作场景入手，引出“有用功”、“额外功”和“总功”的概念，进而引出“机械效率”。 机械效率是一个比值概念，抽象程度较高。学生容易混淆有用功和总功，且往往误认为机械越省力，效率越高。因此，教学中需通过具体的对比实验和数据分析，打破学生的前概念误区。 本节内容由“什么是有用功、额外功和总功”、“机械效率”、“测量滑轮组的机械效率”三部分构成。其中，机械效率的概念建立及影响因素是重点，理解额外功产生的原因及为什么机械效率总小于1是难点做好实验和做好对实验数据的分析很重要。 学情分析 1. 知识储备分析：学生已经学习了功的计算、功率以及简单机械（杠杆、滑轮）的知识，具备了一定的力学基础。但对于“做功的目的性”缺乏深入思考，难以自发区分哪些功是必须的，哪些是不得不做的。 2. 思维能力分析：九年级学生具备一定的逻辑推理能力，但在处理多变量问题（如同时考虑物重、动滑轮重、摩擦）时容易混乱。对于比值定义法（如密度、速度、压强）已有接触，迁移到机械效率的学习中有一定基础，但仍需引导。 3. 学习兴趣与态度分析：学生对动手实验充满兴趣，特别是涉及滑轮组组装和测量的环节。但在实验操作规范性（如匀速拉动弹簧测力计）和数据处理的准确性上需要教师重点指导。 教学重点 有用功、额外功、总功的概念及关系。机械效率的理解、计算及提高方法。 教学难点 正确区分有用功和额外功。理解机械效率总是小于1的原因，以及影响机械效率的因素。 教学 器材 铁架台、定滑轮、动滑轮、细绳、钩码若干、弹簧测力计、刻度尺、多媒体PPT（包含视频：《起重机工作原理》、《测量滑轮组机械效率演示》等）。 教学过程 教师活动 学生活动 导入新课 【提出问题】 （1）回顾旧知：使用杠杆或滑轮提升物体时，我们是否省了功？ （引导回答：不省功，甚至多做功） （2）生活情境：如果你家住在三楼，你需要把一桶水提上去。 * 情景A：用水桶提水。 * 情景B：用口袋装沙子提上去。 * 追问：在这两个过程中，我们的目的是什么？为了达到目的，我们必须对谁做功？除此之外，我们还不得不对谁做功？ 【回答】 目的是把水（或沙子）提上去。必须对水（或沙子）做功。同时还不得不对桶（或口袋）、绳子以及克服摩擦做功。 【引入】 在物理学中，我们将这些功进行了分类，这就是我们要学习的——机械效率。 思考并回答问题，进入情景。 学习新课 一、有用功、额外功和总功 【讲解】 以“用水桶从井里打水”为例： 有用功 ( )：我们对水做的功。这是我们的工作目的。 公式： 额外功 ( )：我们对水桶做的功，以及克服摩擦力做的功。这是我们不需要但不得不做的功。 公式： 总功 ( )：动力（手拉力）对机械所做的功，即有用功与额外功之和。 公式： 或 【提问1】 如果不小心把桶掉进井里，现在要把桶捞上来，桶里带了一些水。此时，什么是有用功？什么是额外功？ 【分析与论证】 目的是捞桶，所以对桶做的功是有用功。 对水做的功变成了额外功。 结论：有用功和额外功的区分取决于工作的目的。 【例题1】小明用动滑轮将重为100N的物体匀速提升2m，所用拉力为60N，绳端移动距离为4m。 (1) 有用功是多少？ (2) 总功是多少？ (3) 额外功是多少？ 【答案】 (1) (2) (3) 理解三种功的定义，明确判断依据是“工作目的”。 讨论并回答：目的改变，有用功和额外功随之改变。 独立完成计算，巩固三种功的计算方法。 学习新课 二、机械效率 【引入概念】 【提问】 既然使用机械时，总功总是大于有用功，那么我们如何评价一个机械的性能好坏呢？是看它做的总功多，还是看它做的有用功多？ 【师生分析】 这就好比买东西，我们关心的是“性价比”。在力学中，我们关心的是“有用功在总功中占的比例”。这个比例叫做机械效率。 1. 机械效率 ( ) (1) 定义：有用功跟总功的比值叫做机械效率。 (2) 公式： (3) 单位：机械效率没有单位，通常用百分数表示。 (4) 特点： 因为 （只要使用机械，就必然存在额外功），所以 （或 ）。 机械效率越高，表示有用功在总功中所占的比例越大，机械性能越好。 【播放视频】——《常见机械的机械效率》 展示起重机、抽水机、滑轮组的典型效率范围（通常在60%-80%左右，高性能可达90%以上，但绝不可能达到100%）。 【提问2】 有没有可能制造出机械效率为100%的机械？为什么？ 【归纳】 不可能。因为在使用任何机械时，都不可避免地要克服机械自重和摩擦力做额外功。永动机是不存在的。 2. 提高机械效率的途径 【讨论】 根据公式 ，如何提高机械效率？ 【师生共同总结】 (1) 减小额外功： 改进机械结构，使其更轻便（减小动滑轮重、绳重）。 定期保养，加润滑油，减小摩擦。 (2) 增加有用功（在额外功一定时）： 在机械允许的范围内，增加被提升物体的重力。 【例题2】关于机械效率，下列说法正确的是（ C ） A. 机械效率高的机械，做功一定快 B. 机械效率高的机械，做功一定多 C. 机械效率高的机械，有用功在总功中占的比例大 D. 做有用功多的机械，机械效率一定高 【解析】 A错，效率与功率（做功快慢）无关；B错，效率与做功多少无关；D错，还要看总功的大小。只有C正确反映了定义。 思考问题，引出机械效率的概念。 理解掌握机械效率的定义、公式、单位及物理意义。 观看视频，建立直观认识，确认 。 深入思考，理解能量守恒及额外功的不可避免性。 分组讨论，从分子分母两个角度分析提高效率的方法。 做例题2，辨析易错点，区分效率、功率、功的关系。 学习新课 三、实验探究：测量滑轮组的机械效率 1. 实验原理 需要测量的物理量：物重 、物体上升高度 、拉力 、绳端移动距离 。 2. 实验步骤 (1) 按图组装滑轮组。 (2) 用弹簧测力计测出钩码的重力 。 (3) 匀速竖直向上拉动弹簧测力计，读出拉力 ，并用刻度尺测出钩码上升的高度 和绳端移动的距离 。 (4) 改变钩码的数量，重复上述实验。 【注意事项】 必须匀速拉动，以保证测力计示数稳定且等于拉力。 读数时视线要与刻度盘垂直。 3. 数据记录与分析 【分析与论证】 (1) 比较三次实验数据，发现同一滑轮组，提升的物体越重，机械效率越高。 (2) 若换用更重的动滑轮重复实验1，机械效率会变低。 【结论】 同一滑轮组，提起的物体越重，机械效率越高。 不同滑轮组，动滑轮越重（或摩擦越大），机械效率越低。 【播放视频】——《用传感器实时监测滑轮组效率》 展示现代化实验手段，实时绘制 图像，验证结论。 【例题3】小张同学测量如图所示滑轮组的机械效率，部分实验数据如表。 实验次数 钩码重力/N 钩码上升高度/cm 拉力/N 绳端移动距离/cm 机械效率 1 1.0 5 15 55.6% 2 1.5 5 0.8 15 3 2.0 5 1.0 15 66.7% (1)实验时应该竖直向上________（选填“匀速”或“变速”）拉动弹簧测力计。 (2)第1次实验时，弹簧测力计示数如图所示，为________N。 (3)第2次实验时，滑轮组的机械效率是________。 (4)分析1、2、3次实验的数据可知，使用同一滑轮组提升重物时，重物重力越________（选填“大”或“小”），滑轮组的机械效率越高。 (5)除了结论中的方法，请再写一种提高滑轮组机械效率的方法：________________________。 【答案】(1)匀速 (2)0.6 (3)62.5% (4)大 (5)减小摩擦/减轻动滑轮质量 【详解】（1）实验时匀速拉动弹簧测力计，滑轮组受力平衡，拉力大小稳定，弹簧测力计示数等于真实拉力，测量结果准确。 （2）由图可知，该弹簧测力计分度值为，示数为。 （3）由表格数据可知，第二次实验滑轮组的机械效率 （4）分析三次数据：钩码上升高度和绳端移动距离不变时，重物重力从增大到，机械效率从升高到，所以可得出结论：使用同一滑轮组提升重物时，重物重力越大，滑轮组的机械效率越高。 （5）提高机械效率的本质是减小额外功，除增加物重外，还可以减小动滑轮重力（减少克服动滑轮重力做的额外功），或给滑轮转轴加润滑油减小摩擦（减少克服摩擦做的额外功），合理即可。 明确实验原理，设计实验表格。 分组实验，动手操作，收集数据。注意规范操作。 分析数据，得出结论：物重影响效率。 观看拓展视频，了解科技前沿。 解决实验中的实际问题。 学习新课 四、机械效率与社会发展 【阅读与讨论】 学生阅读课本相关内容，讨论： 为什么要努力提高机械效率？ 列举生活中提高机械效率的实例。 【教师归纳】 意义：提高机械效率可以节约能源，减少排放，降低生产成本，符合可持续发展理念。 实例： 汽车发动机采用轻质材料，减小自身重量。 机器轴承使用滚珠代替滑动，加润滑油。 风力发电机叶片设计优化，减少空气阻力。 【例题4】如图所示的盒装牛奶的质量为250克，小明用热水加热，使牛奶的温度由22℃升高到42℃。求： （1）牛奶升高的温度Δt； （2）牛奶吸收的热量Q吸 [c牛奶=2.5×103 焦/(千克·℃)]； （3）若不考虑热量损失，热水放出的热量全部被牛奶吸收，小明至少要用52℃的热水多少千克？[c水=4.2×103焦/(千克·℃)]（计算结果保留1位小数） 阅读课本，联系社会热点，培养节能意识和社会责任感。 课 堂 练 习 课 堂 练 习 1．下列关于机械效率的说法正确的是（     ） A．越省力的机械，机械效率越高 B．总功相等的情况下，做有用功越多的机械，机械效率越高 C．所做有用功越多的机械，机械效率越高 D．做功越快的机械，机械效率越高 【答案】B 【详解】A．机械省力与否和机械效率没有必然关系，越省力的机械额外功往往更多，机械效率反而更低，故A错误； B．根据可知，总功相等时，有用功越多，有用功占总功的比例越大，机械效率越高，故B正确； C．机械效率由有用功和总功共同决定，只说有用功多，不确定总功大小，无法判断机械效率高低，故C错误； D．功率是物体做功快慢的物理意义，功率和机械效率是完全不同的物理量，没有必然联系，故D错误。 故选B。 2．如图所示的滑轮组，用40N的拉力F将重为60N的物体竖直匀速提起，绳子自由端在10s内移动了5m（不计绳重和摩擦）。下列说法正确的是（　　） A．动滑轮的重力为60N B．提升物体所做的有用功为400J C．绳端拉力的功率为40W D．滑轮组提升物体的机械效率为75% 【答案】D 【详解】A．由图可知，承担物重的绳子段数。不计绳重和摩擦，根据，可得动滑轮重力，故A错误； B．物体上升的高度 提升物体所做的有用功，故B错误； C．绳端拉力做的总功 绳端拉力的功率，故C错误； D．滑轮组的机械效率，故D正确。 故选D。 3．如图，工人利用动滑轮提升重物。下列说法正确的是（　　） A．使用动滑轮可以省距离 B．此过程中拉力做的功为有用功 C．被提升的重物越重，该装置的机械效率越高 D．重物被提升越高，该装置的机械效率越高 【答案】C 【详解】A．动滑轮的实质是动力臂为阻力臂2倍的杠杆，特点是省力费距离，不能省距离，故A错误； B．拉力做的功包括两部分：提升重物的功（有用功）和克服动滑轮重力、摩擦的功（额外功），因此拉力做的功是总功，不是有用功，故B错误； C．机械效率公式为​ 当动滑轮重不变时，被提升的重物越重（G越大），机械效率η越高，故C正确； D．由上面的公式可知，机械效率与重物被提升的高度h无关，因为h在分子分母中会约去。因此提升高度不影响机械效率，故D错误。 故选C。 4．某同学测量滑轮组的机械效率，如图所示，正确实验后，测出的数据如下表： 物理量 实验1 实验2 钩码所受总重力G/N 5 5 钩码上升的高度h/m 0.1 0.1 绳端拉力F/N 2.0 1.8 绳端移动的距离s/m 0.3 0.4 机械效率η 83.3% 69.4% (1)通过分析表中数据可知，实验2获得的数据是使用________（选填“甲”或“乙”）图所示装置获得的。 (2)对比实验1和实验2的数据，可以得出不同滑轮组提升相同重物时，________。 【答案】(1)乙 (2)动滑轮越重，滑轮组的机械效率越低 【详解】（1）通过分析表中数据可知，实验2中绳端移动的距离是钩码上升的高度的4倍，说明有效绳子段数为4段，所以是使用乙图所示装置获得的。 （2）两实验中钩码所受总重力相同，上升的高度相同，实验2中动滑轮个数较多，动滑轮的重力较大，且实验2中滑轮组的机械效率较小，可得：不同滑轮组提升相同重物时，动滑轮越重，滑轮组的机械效率越低。 5．小丽家阳台上有一种升降晾衣架，如图，它是由4个定滑轮和2个动滑轮及横梁组成，拉动绳子的末端可以使晾衣架升降，假设在升降过程中衣架横梁始终保持水平。晾晒衣物时，若将重70N的衣物匀速提起0.8m，小丽需要用20N的拉力拉动绳子。求： (1)晾衣架提升衣服做了多少有用功？ (2)小丽做了多少总功？ (3)晾衣架的机械效率是多少？ 【答案】(1) 56J (2) 64J (3) 87.5% 【详解】（1）由题意和图可知，承担物重的绳子段数 提升衣服做的功为有用功 （2）绳子自由端移动的距离 拉力做的功为总功 （3）滑轮组机械效率公式为 即晾衣架的机械效率是87.5%。 板 书 设 计 第3节 机械效率 一、三种功 有用功 (W有用)：对工作目的有价值的功。 W有用 = Gh 额外功 (W额外)：无价值但不得不做的功（克服自重、摩擦）。 总功 (W总)：动力做的功。 W总 = W有用 + W额外 = Fs 二、机械效率 (η) 定义：有用功跟总功的比值。 公式：η = (W有用 / W总) × 100% 特点：η < 1 (因为 W额外 > 0) 三、提高机械效率的方法 减小额外功：减轻机械自重、减小摩擦。 增大有用功：在允许范围内增加物重。 课 堂 小 结 第3节 机械效率 作 业 教学反思 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $