11.5 机械效率（教学设计）物理新教材苏科版九年级上册

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、总功的关系及机械效率的概念与计算。通过复习动滑轮是否省功的问题导入，结合“再探动滑轮”实验验证猜想，衔接前序简单机械和功的知识。 此资料以实验探究为核心，学生通过测量、计算分析数据，经历机械效率概念建构过程，培养科学思维与探究能力。结合斜面在无障碍斜坡等生活应用，体现物理与社会联系，落实科学态度与责任。丰富例题与练习助学生突破难点，提升教师教学效率。

11.5 机械效率（教学设计） 年级 九年级 学科 物理 教师 课题 11.5 机械效率 教学 目标 物理观念 知道有用功、额外功和总功的含义及三者的关系；理解机械效率的概念，知道机械效率总小于100%；知道斜面也是一种简单机械。 科学思维 会用η＝W有用/W总×100%计算机械效率；能分析影响机械效率的因素并提出提高机械效率的方法；经历从“额外功”到“机械效率”的建构过程，体会用比值定义物理量的方法。 科学探究 经历“活动11.4 再探动滑轮”的实验过程，会测量拉力、绳端移动距离、物重和物体上升高度，能计算并比较手拉绳做的功与动滑轮对钩码做的功，归纳出总功大于有用功的原因。 科学态度 与责任 通过了解斜面在生产、生活中的应用（无障碍斜坡、盘山公路），感受物理与社会的联系和人文关怀；养成实事求是的科学态度。 教材 分析 本节是苏科版九年级上册第十一章《简单机械和功》的第五节，也是本章的收尾。它把前面学过的简单机械与功、功率整合起来，是对使用机械“省力却不省功”的深化认识。教科书从“用动滑轮把木料拉上三楼时，手拉绳做的功与动滑轮对木料做的功相等吗”这一真实问题出发，通过“活动11.4 再探动滑轮”的定量测量，让学生发现总功大于有用功，进而建立有用功、额外功、总功和机械效率的概念，逻辑严密。学生容易把机械效率与功率混淆，也容易误认为“省力的机械效率就高”，所以这一概念的教学需要通过实例反复辨析。 本节内容由“活动11.4 再探动滑轮”“机械效率”两部分构成，并在“生活·物理·社会”栏目中介绍了斜面。有用功、额外功、总功的辨别和机械效率的计算是这节课的重点，机械效率概念的建立和影响因素的分析是这节课的难点。 学情分析 1. 知识储备分析：学生已学过杠杆、滑轮、功和功率，会用W＝Fs计算功，具备本节实验探究和定量分析的基础。 2. 思维能力分析：学生能够进行简单的测量和计算，但要从数据中发现“总功大于有用功”并解释原因，需要教师引导；辨别有用功和额外功时，学生常因不清楚“目的是什么”而出错。 3. 学习兴趣与态度分析：学生对动手实验兴趣较高，但对“效率”这一比值概念的物理意义理解不深，容易与功率混淆，需要通过对比强化。 教学重点 有用功、额外功、总功的辨别；机械效率的概念和计算。 教学难点 机械效率概念的建立；影响机械效率的因素及提高机械效率的方法。 教学 器材 动滑轮、铁架台、钩码、弹簧测力计、刻度尺、细绳；长木板（斜面）、小车等。 多媒体ppt，包含视频：《再探动滑轮》《生活中的斜面》等。 教学过程 教师活动 学生活动 导入新课 【复习提问】使用动滑轮可以省一半的力，那么使用动滑轮能不能省功呢？ 【提出问题】用动滑轮把木料拉上三楼时，手拉绳做的功与动滑轮对木料做的功相等吗？ 【猜想】有的同学认为相等（省力但费距离，功不变）；有的同学认为手拉绳做的功更多（还要提起动滑轮本身、克服摩擦）。 【引入】究竟哪种猜想正确？让我们通过实验来验证。 回顾动滑轮的特点，思考并猜想，进入情景。 学习新课 一、活动11.4 再探动滑轮 1. 实验方案 【做一做】（1）如图11-39所示，用弹簧测力计沿竖直方向匀速拉绳的一端，使挂在动滑轮下面的钩码缓缓上升。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。 （2）改变钩码的数量，重复上述步骤。（3）将实验数据填入表格中。 实验序号 钩码重力G/N 上升高度h/m 拉力F/N 绳端距离s/m 机械效率η ① ② ③ （4）分别计算手拉绳做的功（W＝Fs）和动滑轮对钩码做的功（W＝Gh）。比较两者的大小，你有什么发现？请说明其中的原因。 2. 分析与结论 【发现】手拉绳做的功总是大于动滑轮对钩码做的功。 【原因】使用动滑轮提升重物时，除了要把钩码提升一定的高度，还要克服动滑轮和绳所受的重力做功，此外还要克服摩擦力做功。 【例题1】如图所示，在“测量滑轮组机械效率”的实验中，利用图中甲、乙、丙三个实验装置进行实验，测得的实验数据如表。（钩码规格相同、动滑轮个数越多重力越大） 实验次数 钩码重力G/N 提升高度 绳端拉力 绳端移动距离 机械效率 1 4 0.1 1.8 0.3 74.1% 2 8 0.1 3.2 0.3 83.3% 3 8 0.1 2.0 　 (1)在实验中，应沿竖直方向___________拉动弹簧测力计。如果在绳子静止时读数，会导致拉力测量值偏___________（选填“大”或“小”）。 (2)小华利用图丙装置进行了序号3的实验测量，由于粗心漏记了绳端移动距离s，这个数据应该是___________m，由此可以计算出本次机械效率是___________。 (3)小华通过乙丙两次实验数据可得出结论：使用不同滑轮组提升相同重物，动滑轮越重，机械效率越低；小强认为以上存在不当之处，理由是____________________________________________。 【答案】(1)；匀速；小 (2) 0.5 80% (3)没有控制滑轮组承担物重绳子段数相同 【详解】（1）实验中要沿竖直方向匀速拉动弹簧测力计，弹簧测力计示数不变，便于读数；如果装置静止，则摩擦力无法体现出来，读数会偏小。 （2）图丙滑轮组绳子股数n=5，则绳端移动距离s=5h=0.5m 本次机械效率η=Gh/Fs×100%=(8N×0.1m)/(2.0N×0.5m)×100%=80% （3）探究滑轮组的机械效率跟动滑轮的重力的关系时，由控制变量法可知，需要控制滑轮组段数相同，乙丙两次实验虽然改变了动滑轮的重力，但没有控制滑轮组承担物重绳子段数相同。 进行学生实验：用动滑轮匀速提升钩码，测量F、s、G、h并记录。 计算W＝Fs和W＝Gh并比较大小，发现手拉绳做的功较多。 分析原因：还要克服动滑轮和绳的重力以及摩擦做功。 做例题1，掌握再探动滑轮实验的操作要点与数据分析。 学习新课 二、机械效率 1. 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，对钩码所做的功叫作有用功，记为W有用。计算式：W有用＝Gh。 （2）额外功：使用动滑轮提升重物时，除需克服摩擦力做功外，还要克服动滑轮和绳所受的重力做功，这部分并非我们需要但又不得不做的功叫作额外功，记为W额外。 （3）总功：手拉绳所做的功叫作总功，记为W总。计算式：W总＝Fs。 （4）三者的关系：总功等于有用功与额外功之和，即W总＝W有用＋W额外。 【辨析】判断有用功和额外功的关键是分清“目的是什么”：提升重物时，对重物做的功是有用功；克服机械自重和摩擦做的功是额外功。 2. 机械效率 （1）定义：物理学中，将有用功与总功的比叫作机械效率（mechanical efficiency）。机械效率通常用百分数表示。 （2）公式：若用希腊字母η表示机械效率，则η＝W有用/W总×100%。 （3）特点：使用机械时，由于额外功的存在，总有W有用＜W总，因此η＜100%。机械效率没有单位，通常用百分数表示。 （4）常见机械的效率：起重机的机械效率通常为40%～50%，滑轮组的机械效率通常为60%～80%。 【辨析】机械效率与功率是两个不同的概念：机械效率表示有用功占总功的比例，反映机械的性能好坏；功率表示做功的快慢。机械效率高的机械，功率不一定大。 3. 提高机械效率的方法 【讨论】请计算“活动11.4 再探动滑轮”中不同情况下动滑轮的机械效率。你有什么发现？你认为如何才能提高动滑轮的机械效率？ 【发现】用同一动滑轮提升的物重越大，机械效率越高。 【方法】①增大所提升物体的重力（有用功增大，额外功占比减小）；②减小动滑轮的自重（减小额外功）；③在滑轮轴上加润滑油，减小摩擦。 【例题2】如图所示，工人用125 N的拉力在10 s内将重为200 N的物体匀速提升3 m，求此过程 　 (1)物体上升的速度为多少m/s？ (2)拉力F做的功为多少J？ (3)滑轮的机械效率？ 【答案】(1) 0.3m/s (2) 750J (3) 80% 【详解】（1）物体上升的速度为 v=h/t=3m/10s=0.3m/s （2）由图可知，该装置为动滑轮，承担物重的绳子段数n=2，因此拉力端移动的距离为 s=nh=2×3m=6m 拉力做的总功为W总=Fs=125N×6m=750J （3）提升物体做的有用功为W有用=Gh=200N×3m=600J 机械效率为η=W有用/W总=600J/750J×100%=80% 【例题3】如图所示，工人师傅用动滑轮将50kg的建材在25s内沿竖直方向匀速提升至5m高的阳台，所用拉力为300N，不计绳重和摩擦，g=10N/kg。求： 　 (1)绳子自由端移动的速度； (2)工人师傅做功的功率； (3)动滑轮的机械效率。 【答案】(1)0.4m/s (2)120W (3)83.3% 【详解】（1）由题意可知，动滑轮承担物重的绳子段数n=2，提升高度h=5m，绳子自由端移动距离s=nh=2×5m=10m 所以绳子自由端移动的速度v=s/t=10m/25s=0.4m/s （2）拉力做的总功W总=Fs=300N×10m=3000J 所以工人做功的功率P=W总/t=3000J/25s=120W （3）建材的重力G=mg=50kg×10N/kg=500N 对建材做的有用功W有=Gh=500N×5m=2500J 动滑轮的机械效率η=W有/W总×100%=2500J/3000J×100%≈83.3% 知道有用功、额外功和总功的含义，理解W总＝W有用＋W额外。 理解机械效率的定义，掌握公式η＝W有用/W总×100%，知道η＜100%。 计算实验中动滑轮的机械效率，讨论提高机械效率的方法。 做例题2、例题3，会辨别三种功并计算机械效率。 学习新课 三、生活·物理·社会——斜面及其应用 1. 斜面是一种简单机械 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11-40所示。这里的斜面就是一种省力的简单机械。使用斜面可以省力，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%。 【计算】沿斜面拉重物：有用功W有用＝Gh（h为斜面高度），总功W总＝Fs（s为斜面长度），机械效率η＝Gh/(Fs)×100%。 2. 斜面的应用 斜面在生产、生活中应用广泛。在一些建筑物的入口处设置了供轮椅等通行的斜坡，将轮椅沿着斜坡推上去比从台阶抬上去要省力，这体现了社会对残障人士的人文关怀；盘山公路修得弯弯曲曲，宛如盘龙，也是利用了同样的道理。 【想一想】盘山公路为什么要修得弯弯曲曲？（在相同的高度下，路修得越长，斜面越缓，越省力） 【例题4】如图甲所示，重为500 N、底面积为0.2 m²的箱子放在水平地面上，随后如图乙，沿斜面将箱子匀速拉上平台，已知拉力F为300 N，箱子沿斜面移动了2 m，升高了1 m。求： 　 (1)放在水平地面上时，箱子对地面的压强。 (2)斜面的机械效率。 【答案】(1)2500Pa (2)83.3% 【详解】（1）箱子静止在水平地面上，对地面的压力等于自身重力，即F压=G=500N 根据固体压强公式p=F/S得，箱子对地面的压强p=F压/S=500N/0.2m²=2500Pa （2）沿斜面拉箱子时，克服箱子重力做的功为有用功，根据功的公式W=Fs得，W有=Gh=500N×1m=500J 拉力做的功为总功W总=Fs=300N×2m=600J 根据机械效率公式η=W有/W总×100%得，斜面的机械效率η=500J/600J×100%≈83.3% 知道斜面是省力的简单机械，省力但费距离。 会计算斜面的机械效率η＝Gh/(Fs)×100%。 了解斜坡、盘山公路等斜面的应用，感受物理与社会的联系。 做例题4，会分析斜面问题。 学习新课 四、实践与练习 完成课本第23页“实践与练习”： 1. 小明用定滑轮将质量为20kg的物体匀速提升2m，所用的拉力为220N。求此过程中小明做的有用功、总功和定滑轮的机械效率（g取10N/kg）。 【解答】G＝mg＝200N，W有用＝Gh＝200N×2m＝400J；使用定滑轮时绳端移动距离s＝h＝2m，W总＝Fs＝220N×2m＝440J；η＝400J/440J×100%≈90.9%。 2. 用一个杠杆将质量为18kg的物体缓慢提升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）？ 【解答】G＝180N，h＝0.5m，W有用＝Gh＝90J；由η＝W有用/W总得W总＝W有用/η＝90J÷90%＝100J。 3. 图11-42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，起重机所做的有用功是多少？所做的总功是多少（g取10N/kg）？ 【解答】G＝6000N，W有用＝Gh＝6000N×5m＝3×10⁴J；W总＝W有用/η＝3×10⁴J÷80%＝3.75×10⁴J。 完成教材“实践与练习”，会计算有用功、总功和机械效率。 掌握由η和W有用求W总的方法。 课 堂 练 习 课 堂 练 习 1．如图是我国古代劳动人民利用滑轮打水的场景。井架上安装一个滑轮，绕过滑轮的绳索一端悬吊水桶，拉或放绳索的另一端即可让水桶升降。下列说法正确的是（     ） 　 A．利用该滑轮打水能够省功 B．井架上的滑轮是动滑轮，能省力 C．将等质量的水提到更高处，滑轮的机械效率不变 D．随着科技的发展，该滑轮的机械效率可以达到100% 【答案】C 【详解】AB．该滑轮固定在井架上，不随水桶移动，属于定滑轮，定滑轮不省力；根据功的原理，任何机械都不能省功，故AB错误； C．滑轮的机械效率 η=W有用/W总=G水h/(G水h+W额)，额外功W额也与提升高度h成正比，因此h会被约去；等质量的水G水不变，所以机械效率不变，故C正确； D．使用该滑轮时，额外功（克服摩擦、提升水桶的功）不可避免，总有额外功，因此机械效率一定小于100%，故D错误。 故选C。 2．如图，利用动滑轮提升一个重为G的物块，不计绳重和摩擦，其机械效率为60%。要使此滑轮的机械效率达到90%，则需要提升重力为G的个数为（    ） 　 A．2个　　B．4个　　C．6个　　D．8个 【答案】C 【详解】不计绳重和摩擦时，动滑轮的额外功仅由动滑轮自重产生，因此机械效率可写为η=W有/W总=Gh/((G+G动)h)=G/(G+G动) 提升一个重为G的物块时，机械效率η=W有/W总=G/(G+G动)=60% 动滑轮重力G动=(1-η)/ηG=(1-60%)/60%G=2/3G 设需要提升n个重力为G的物块，此时总物重为nG，要求机械效率η'=90% 代入公式得90%=nG/(nG+G动) 将G动=2/3G代入公式，解得n=6 因此需要提升重力为G的物块个数为6，故选C。 3．如图所示，一个工人利用动滑轮匀速提升重物。已知物重200 N，施加在绳自由端竖直向上的拉力为120 N，将重物20 s提升10 m。若不计绳重和摩擦，下列说法正确的是（　　） 　 A．工人做的功为1200 J　　B．该动滑轮重40 N C．该动滑轮的机械效率为60%　　D．使用动滑轮可以省功 【答案】B 【详解】 A．动滑轮承担物重的绳子段数n=2，绳子自由端移动距离s=nh=2×10m=20m 工人做的总功W总=Fs=120N×20m=2400J≠1200J，故A错误； B．不计绳重和摩擦，动滑轮拉力满足F=(G+G动)/n，变形得G动=nF−G=2×120N−200N=40N，故B正确； C．拉力做的有用功W有=Gh=200N×10m=2000J 机械效率η=W有/W总×100%=2000J/2400J×100%≈83.3%≠60%，故C错误； D．根据功的原理，任何机械都不能省功，动滑轮省力但费距离，因此不能省功，故D错误。 故选B。 4．用动滑轮将物体向上匀速提升1m，若物体重450N，工人所用拉力为250N，动滑轮重30N，则动滑轮的机械效率为________；克服绳重和摩擦做的额外功为________J，若换成重600N的物体，该动滑轮的机械效率将________。 　 【答案】90%；20；变大 【详解】由图可知动滑轮承担物重的绳子段数n=2，物体提升h=1m，则拉力端移动距离s=nh=2×1m=2m 有用功W有=Gh=450N×1m=450J 总功W总=Fs=250N×2m=500J 机械效率η=W有/W总×100%=450J/500J×100%=90% 总额外功W额总=W总−W有=500J−450J=50J 克服动滑轮重力做的额外功W额动=G动h=30N×1m=30J 因此克服绳重和摩擦的额外功W额绳=W额总−W额动=50J−30J=20J 同一动滑轮提升更重的物体，动滑轮重、绳重摩擦不变，即额外功不变，有用功随物体重力增大而增大，有用功在总功中的占比增大，因此机械效率变大。 5．小明用定滑轮向楼上运送一堆建材，在10 s内将30 kg的建材匀速向上竖直提升了2 m，绳子自由端的拉力是400 N。在此过程中，拉力的功率为___________W，定滑轮的机械效率是___________%；定滑轮的本质是___________杠杆，若小明一边拉绳子一边向后退，拉力的力臂将___________（选填“变大”、“变小”或“不变”）。 　 【答案】80；75%；等臂；不变 【详解】拉力的功率为P=W/t=Fs/t=(400N×2m)/10s=80W 机械效率η=W有/W总×100%=mgh/(F·s)×100%=(30kg×10N/kg×2m)/(400N×2m)×100%=75% 定滑轮的本质是等臂杠杆，支点在其中心转轴处，拉力沿绳子方向，绳子始终与定滑轮的边缘相切，根据几何关系，支点到拉力作用线的垂直距离始终等于定滑轮的半径，大小不会随拉力方向改变而变化。因此小明向后退改变拉力方向时，拉力的力臂不变。 6．如图所示，工人利用滑轮组提升建材。已知一箱建材重700 N，动滑轮重均为100 N，不计绳重和摩擦。求：工人将绳自由端拉下20 m的过程中。 　 (1)人对绳自由端拉力的大小； (2)有用功的大小： (3)滑轮组的机械效率。 【答案】(1) 400N (2) 7000J (3) 87.5% 【详解】（1）由图可知，承担动滑轮的绳子段数n=2，拉力F=(G+G动)/n=(700N+100N)/2=400N （2）由s=nh得，物体上升高度 h=s/n=20m/2=10m 有用功是提升建材做的功 W有=Gh=700N×10m=7000J （3）拉力做的总功W总=Fs=400N×20m=8000J 机械效率η=W有/W总×100%=7000J/8000J×100%=87.5% 板 书 设 计 11.5 机械效率 一、三种功：有用功W有用＝Gh（目的）；额外功W额外（不得不做）；总功W总＝Fs。 　　关系：W总＝W有用＋W额外。 二、机械效率：η＝W有用/W总×100%，无单位，恒小于100%。 三、提高机械效率：增大物重、减小机械自重、减小摩擦。 四、斜面：省力费距离的简单机械，η＝Gh/(Fs)×100%；应用有无障碍斜坡、盘山公路。 课 堂 小 结 11.5 机械效率 1. 再探动滑轮——手拉绳做的功大于动滑轮对钩码做的功，因为还要克服机械自重和摩擦做功。 2. 三种功——有用功、额外功、总功，W总＝W有用＋W额外。 3. 机械效率——η＝W有用/W总×100%，总小于100%；提高方法是增大物重、减小自重和摩擦。 4. 斜面——省力费距离的简单机械，生活中应用广泛。 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 $