2.1.3 简单机械——斜面与机械效率（培优教学课件）科学新教材浙教版九年级下册

简单机械 （第三课时） 第二章 机械与动力工程 浙教版九年级下册 学习目标 科学观念 知道斜面是省力机械，理解斜面越长越省力的道理；理解有用功、额外功、总功及机械效率的概念；能运用机械效率公式进行简单计算 科学思维 能根据功的原理分析斜面省力的原因；能区分有用功、额外功、总功，会计算斜面的机械效率 探究实践 能通过实验测量斜面的机械效率；会分析影响斜面机械效率的因素如斜面粗糙程度、倾斜程度等 态度责任 认识提高机械效率的意义，体会科学技术在节约能源中的作用 重点难点 重点 1.斜面省力规律及其应用 2.机械效率的概念、公式及简单计算 难点 1.有用功、额外功、总功的判断与区分 2.斜面机械效率的实验探究与影响因素分析 学习内容 1. 斜面 2. 机械效率 3. 课堂小结 4. 练习与应用 导入新课 公元前3000多年，古埃及人修建了金字塔。金字塔由石块垒砌而成，每块石头的质量超过了1t，有的甚至达到2.5t，垒砌高度超过100m。这样重的巨石，他们是怎样搬运到高处的？ 据考证，古埃及人先将场地四周的天然沙土堆成斜面，把巨石沿着斜面拉上垒砌的地方。就这样，堆一层坡，砌一层巨石，金字塔逐渐增高。 一、斜面 第1节 简单机械 一、斜面 那么，为什么通过斜面就能把笨重的巨石靠人力拉到高处？ 探索活动 1.用弹簧测力计测出小车的重力。 2.把长木板一端放在桌面上，另一端用铁架台抬高，做成斜面。将小车放在斜面上，用弹簧测力计平行于斜面拉着小车，使小车静止在斜面上。改变斜面的高度，观察弹簧测力计的拉力。记录斜面的高度和弹簧测力计的拉力大小。 1 2 3 4 5 6 斜面高度h/cm 10 20 30 40 50 60 弹簧测力计拉力F/N 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 一、斜面 3.以斜面的高度为横坐标，弹簧测力计的拉力为纵坐标，将实验数据在坐标纸中描点。探寻弹簧测力计的拉力与斜面高度的关系。 4.通过实验，可以得出什么结论？ 用弹簧测力计沿斜面拉住静止物体的力小于物体的重力。 相同长度的斜面，斜面高度越高，拉力越大，或者说斜面坡度越大，拉力越大。 实验结论 斜面省力，坡度越小越省力 一、斜面 由此可知使用斜面可以省力，你还知道哪些斜面的应用？ 一、斜面 科学拓展：京张铁路 京张铁路是第一条完全由中国人自己设计、自己修建的干线铁路。京张铁路长约200km，从北京丰台，经八达岭、居庸关至河北张家口。该线路经过长城内外的燕山山脉，这一带到处是崇山峻岭，沿线坡度大，建造难度高。 总工程师詹天佑认为，火车无法顺着陡峭的山坡直接“爬”上去，可以采用延长路程的方法以减缓线路的坡度，也就是以“距离”换取“高度”。一般铁路修建采用“螺旋环山法”的方式通过山坡，由于八达岭路段的自然条件限制，不适合用此方法。詹天佑创造性地提出了“之”字形线路，让火车“爬”上山坡。你能画出“之”字形铁路线路图示吗？ 二、机械效率 第1节 简单机械 二、机械效率 同学们，我们已经认识了杠杆、滑轮、斜面等简单机械。它们有的能省力，有的能省距离，但我们也知道：使用任何机械都不能省功。既然不省功，为什么还要用它们呢？ 实际使用中，当我们借助机械提起重物、搬运物体时，除了完成我们想要的“那部分功”，是否还要额外付出一些别的代价——如克服摩擦、抬起机械自身？ 同样是省力，为什么有的机械用起来更“轻松”、有的却更“费劲”？ 二、机械效率 如图所示，是提升重物的两种方式。那么怎样区分哪些是必须做的功，哪些是不需要但不得不做的功呢？ 如图甲所示，利用定滑轮把重为G1的物体提升h高度。 人们提升重物过程中必须要做的功：W=G1h，这部分功叫作有用功。 在提升重物的过程中，由于定滑轮的转轴上存在摩擦力，因此，必须克服定滑轮转轴上的摩擦力做一定量的功，这部分是并非我们需要，但又不得不做的功，叫作额外功。 二、机械效率 如图乙所示，利用动滑轮提升物体提升过程中： 有用功依然是克服物体重力所做的功： W=G1h 那么额外功有哪些呢？ 有用功和额外功的判断 有用功与人们的目的一致，我们是为了将物体提升到某一高度，那么克服物体重力做的功就是有用功。而并非我们需要但又不得不额外做的功就属于额外功。 由于动滑轮本身受到重力作用，以及动滑轮的转轴上存在摩擦力，因此，必须克服动滑轮自身的重力和动滑轮上的摩擦力做一定量的功，这部分功是额外功。 二、机械效率 利用机械时，人们对机械所做的功叫总功。在实际使用机械做功时，总功等于有用功和额外功之和，即： 总功就是人施加的动力所做的功：W总=Fs 不论使用哪种机械，都会出现额外功，因此： 使用任何机械都不能省功（功的原理） 二、机械效率 要点提炼 1.明确工作目的，为了达到某一目的必须要做的功就是有用功。 （1）竖直拉物体，克服物体重力做的功就是有用功：𝑊有=𝐺h； （2）横拉物体，克服摩擦力做的功就是有用功：𝑊有=𝑓𝑠； 2.注意特殊条件： 如忽略摩擦或动滑轮重力等条件，若无特殊条件，额外功一般为克服机械自重做功、克服机械间的摩擦做功。 3.总功的求法： W总=W有+W额、 W总=Fs （注意：F是人施加的力，s是力的作用点通过的距离） 二、机械效率 由于存在额外功，因此，总功必定大于有用功。也就是说，我们多消耗了能。以利用动滑轮提升重物为例。 因此，这里存在一个利用机械做功的效率问题。 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 二、机械效率 机械效率 （1）概念：科学上把有用功跟总功的比值叫做机械效率（η）。 （2）计算公式：若用W总表示总功，W有用表示有用功，η表示机械效率，那么： 实际上，任何机械的效率都小于100%。在使用机械时，总是尽可能减小额外功以提高机械效率，因为这意味着少做额外功、少消耗能。因此，提高设备的机械效率有着重要的现实意义。 二、机械效率 【例题】用如图所示的滑轮组提升500N的重物，已知施加在绳子上的拉力为200N，匀速拉动绳子3m时，能使重物上升lm，该滑轮组的机械效率多大? 解：拉力做的总功：W总=Fs1=200N×3m=600J 有用功：W有=Gs2=500N × 1m=500J 机械效率：η= 答：该滑轮组的机械效率为83.3%。 探究实践 1.如图所示，将长木板的一端垫高，构成一个斜面。 2.用弹簧测力计测出小车的重G。 3.用弹簧测力计沿着斜面把小车从斜面底端匀速拉到顶端，读出弹簧测力计示数F。 4.用刻度尺测出小车沿斜面运动的长度s和上升的高度h。 5.将测量结果记录在下面的表格中。 6.改变斜面的倾斜程度，重复上述步骤3到步骤5。 二、机械效率 二、机械效率 计算过程（以第1行数据为例） 斜面的倾斜程度 小车重力G（牛） 斜面高度h（米） 沿斜面拉力F（牛） 斜面长s（米） 有用功W有用（焦） 总功W总（焦） 机械效率η 较缓 10 0.2 4 1 较陡 10 0.4 6 1 最陡 10 0.6 8 1 【实验数据与分析】 由实验数据，你得出什么结论？ 2 4 50% 4 6 67% 6 8 75% 结论1：斜面越光滑，η越高 结论2：倾角越大，压力越小，摩擦越小，η越高 有用功 = Gh = 10N×0.2m = 2J 总功 = Fs = 4N×1m = 4J 机械效率 = 二、机械效率 思考与讨论 对同一斜面而言，斜面的倾斜程度越大，斜面的机械效率越高，为什么？ 同一斜面，表面粗糙程度相同， 斜面变陡 → 物体对斜面的压力变小 → 摩擦力变小 斜面变陡 → 提升同一高度所需走的斜面长度变短 额外功 = 摩擦力×斜面长度，两者都减小 → 额外功减少 → 效率升高 二、机械效率 简单机械的机械效率计算公式梳理 机械 W有 W总 W额 机械效率 特殊条件 滑轮组 （竖拉） Gh Fs自=Fnh ①动滑轮重力 ②绳重 ③轮轴摩擦 忽略绳重、摩擦： 全理想：η=100% 滑轮组 （横拉） Fs物 Fs自=Fns物 滑轮内部摩擦、绳与轮摩擦 通常只考虑轮摩擦，无动滑轮重力影响 斜面 Gh Fs斜 物体与斜面间滑动摩擦力：fs 忽略摩擦：η=100% 杠杆 Gh物 Fs（力的作用点） ①杠杆自身重力（重心升降） ②转轴摩擦 忽略杠杆自重、轴摩擦：η=100% 二、机械效率 根据以上梳理，我们知道斜面的额外功只有客服斜面的摩擦力所做的功？那么我们能不能求出斜面的摩擦力是多大呢？怎样求解呢？ Gh 若忽略摩擦，则Gh=Fs，则F=，如果不计摩擦，斜面长是斜面高的几倍，拉力就是物体重力的几分之一。 二、机械效率 思考与讨论 机械功率与机械效率有什么区别？ 机械功率和机械效率虽然都与“机械做功”有关，但描述的是完全不同的两个方面。 机械功率反映的是做功的快慢，即单位时间内完成多少功，公式为P=W/t，单位是瓦特。它解决的是“干活快不快”的问题。 机械效率反映的是能量的利用程度，即有用功占总功的百分比，公式为η=W有/W总×100%。它解决的是“干活浪费不浪费”的问题。 两者没有必然联系。功率大的机械只说明它做功快，不一定省功；效率高的机械只说明它能量利用率高，不一定做功快。 一句话区分：功率比快慢，效率比划算。 三、课堂总结 第1节 简单机械 三、课堂总结 斜面与机械效率 斜面 斜面及其应用 斜面作用探究 机械效率 有用功、额外功、总功 机械效率的概念及计算 几种简单机械的机械效率 四、练习与应用 第1节 简单机械 1．机械效率不可能大于1的原因是（ ） A．动力总大于阻力 B．动力所做的功总是大于机械克服全部阻力所做的功 C．阻力所做的功总是大于动力所做的功 D．使用任何机械时，总是无法避免额外功 四、练习与应用 D 【解析】A．在使用机械过程中，若机械省力，则动力小于阻力，若机械费力，则动力大于阻力，故A不符合题意； BCD．有用功和总功的比值叫机械效率，因为在使用机械过程中，总要克服机械自重和摩擦等因素做额外功，故总功总大于有用功，由可知机械效率总小于1，故D符合题意，BC不符合题意。 故选D。 四、练习与应用 2．如图所示，分别沿光滑的斜面AB和AC将相同的重物搬到车厢上，如果沿斜面的拉力分别为FB和FC，所做的功分别为WB和WC，则（　　） A．； B．； C．； D．； 四、练习与应用 A 【详解】斜面光滑，说明没有摩擦力，拉力做的功等于克服物体重力所做的功，由图可知，物体重力相等，上升高度相同，由W=Gh可知，拉力做功相等，即。由图可知，AB距离大于AC，由可知，AB斜面上的拉力小于AC斜面上的拉力，即。故A符合题意，BCD不符合题意。 故选A。 四、练习与应用 3．如图1，将三角形纸片绕在铅笔上可说明图2盘山公路的本质是斜面（如图3）。一辆总重为牛的汽车，沿盘山公路行驶600米后到达高度为120米的山顶。若汽车的牵引力恒为6000牛，下列描述正确的是（ ） A．牵引力做的总功为焦 B．该盘山公路的机械效率为50% C．汽车沿盘山公路上山可以省功 D．坡度不会影响盘山公路的机械效率 四、练习与应用 B 【详解】A．牵引力做的总功为，故A错误； B．有用功为 则该盘山公路的机械效率为，故B正确； C．任何机械都不能省功，汽车沿盘山公路上山可以省力，不能省功，故C错误； D．盘山公路属于斜面，额外功是克服摩擦做的功，则机械效率 ，坡度改变时，汽车所受摩擦力改变，根据上式可知会显著改变机械效率，故D错误。 故选B。 四、练习与应用 4．小明用如图所示的滑轮组提升600N的重物，在绳子自由端施加F为250N的拉力，使重物在3s内匀速上升1m。若不计绳重和摩擦，下列有关说法正确的是（　　） A．绳子自由端移动的距离为2m B．动滑轮重100N C．拉力F做功为250J D．此过程滑轮组的机械效率为80% 四、练习与应用 D 【详解】从题图可判断，动滑轮承担物重的绳子段数n=3。 A．绳子自由端移动距离s=nh=3×1m=3m， 故A错误； B．不计绳重和摩擦时，拉力满足，则动滑轮重，故B错误； C．拉力做功 ，故C错误； D．有用功 滑轮组机械效率，故D正确。 故选D。 四、练习与应用 5．在日常生活和工农业生产中，提高机械效率有着重要的意义。提高机械效率，要从研究影响机械效率的因素出发，寻求办法。为了探究影响机械效率的因素，小明选取了大小相同的滑轮，并利用下图装置进行实验，数据整理记录如下表所示。 （1）图甲中滑轮的作用是_______________ 。 （2）比较_____两次实验发现：在所用滑轮组一定时，机械效率与提升的高度无关。 （3）利用图乙的装置，把重6 N的物体用2.5 N的拉力匀速拉升，滑轮组机械效率为_____。 （4）利用图丙装置实验发现：除了倾斜程度会影响斜面的机械效率，在其他条件不变的情况下，还可以通过减小物体与斜面之间的摩擦来提高机械效率，理由是_________________________________________。 四、练习与应用 改变力的方向 2、3 80% 减小物体与斜面之间的摩擦可减小额外功，增大有用功与总功的比值 实验次数 滑轮材质 钩码重力G/N 提升的高度h/m 有用功W/J 拉力F/N 绳端移动的距离s/m 总功W/J 机械效率η 1 铝 1 0.1 0.1 0.6 0.3 0.18 56% 2 铝 2 0.1 0.2 1.0 0.3 0.3 67% 3 铝 2 0.2 0.4 1.0 0.6 0.6 67% 4 塑料 2 0.2 0.4 0.8 0.6 0.48 83% 【详解】（1）图甲是定滑轮，定滑轮的特点是不省力，但可以改变力的方向。 （2）要探究机械效率与提升高度无关，需要控制滑轮规格、提升物重相同，只改变提升高度，实验2和3满足控制变量的要求。 （3）由图乙可知滑轮组的绳子段数n=3，机械效率公式 （4）斜面的额外功主要来克服物体与斜面间的摩擦，其他条件不变时，有用功不变，摩擦越小，克服摩擦做的额外功越少，有用功占总功的比例越大，因此机械效率越高。 四、练习与应用 $