資源簡介

第十二章 簡單機械
第3節 機械效率
設計說明
“機械效率”這一節首先讓學生認識什么是有用功、總功和額外功，然后再結合機械的特點認識機械效率。教學中，要從學生熟知的簡單機械——滑輪入手，分析利用它提升物體時的有用功、總功和額外功，然后再講解機械效率。其中可以給學生通俗的講解有用功、總功和額外功，如有用功是指人們在利用機械時為完成某種目的而做的功，或者說是相當于人們不用機械而直接用手所做的功；總功是指人們利用機械所做的功，或者說是人的動力F所做的功；額外功是指人們在利用機械時不想做但又不得不做的功，或者說是克服某種阻力或機械自身重力而做的功。機械效率就是有用功在總功中所占的比例，其大小永遠小于1，因為額外功是不可避免的。了解了機械效率的含義后，根據機械效率的計算公式η=進行了一些簡單的練習就可以將該部分掌握得較為熟練了。
教學中要組織學生經歷測量的全過程，如讓學生經歷組裝實驗裝置—測量數據—得出結論的過程，既能增加學習興趣，又能增加實踐體驗。
教學目標
1.能結合實例知道有用功、額外功、總功的含義，并理解它們之間的關系。
2.通過對實例的分析，理解機械效率，并能計算簡單的機械效率。
3.通過實驗了解滑輪組機械效率的高低與物體重力的大小有關。
教學重點難點
1.重點：能結合實例認識什么是有用功、額外功和總功；理解機械效率的概念，會利用公式η=進行有關計算。
2.難點：會分析影響機械效率大小的因素，指出提高機械效率的方法。
教具
學生用：滑輪組一套、彈簧測力計一個、鉤碼一盒、斜面一組。
教師用：滑輪組、鉤碼、彈簧測力計、斜面。另有電化教學器材、教學光盤。
教學過程
回顧思考
1.功的計算公式：______ __。
2.省力杠桿的特點：省________費________；費力杠桿的特點：費________省________。
3.使用滑輪組時，不計摩擦和繩重，拉力F=（G+________）；繩子自由端移動的距離s=________。
導入新課
1.多媒體導入：
小明家最近買了一處新樓房，三樓。想把洗手間、廚房裝修一下，需把沙子運到三樓。假如我們用下面三種方法搬運沙子，你認為哪一種方法最好？為什么？
同學們討論后能回答出第③種方法最好，因為第③種方法做的額外功最少。
教師：工作中，我們總是希望額外功越少越好，也就是有用功在總功中所占的比例越大越好。今天我們就來學習機械效率。板書課題。
2.實驗導入：
提出問題：直接提升物體做功，與使用機械提升物體做功相同嗎？
演示實驗：
G/ N h/m W直/J F/ N s/m W機/J
2 0.1 0.2 1.2 0.2 0.24
通過讓學生分析、思考前后兩次拉同樣重的鉤碼到相同的高度，手做功為什么不相同？學生猜想之后揭開謎底：一個是用手直接做功，而另一個是用機械（動滑輪）做功。通過機械做功可以省力但不省功，同學們思考：為什么用機械做的功大于不用機械而直接用手做的功呢？
學了機械效率同學們就明白了。板書課題。
進行新課
探究點一　認識有用功和額外功
通過前面的學習我們知道簡單機械在日常生活中的應用非常廣泛，給人們的生活帶來很大的便利，可以省很大的力。那么機械的使用省不省功呢？
1.實驗：使用動滑輪提升重物是否省功
提出問題：不使用機械直接提升物體做的功，與使用機械提升物體做的功一樣嗎？
實驗1　如圖甲，用彈簧測力計將鉤碼緩慢勻速提升一定高度，讀出彈簧測力計的示數并計算出拉力所做的功。
實驗2　如圖乙，利用動滑輪將同樣的鉤碼緩慢勻速提升相同的高度，讀出彈簧測力計的示數并計算拉力所做的功。
分析論證：比較兩個實驗中拉力所做的功的大小。結果表明，實驗2中拉力做的功多一些。可見，利用動滑輪提升物體與直接用手提升物體相比較，并不省功。
評估：利用動滑輪提升物體多做的功來源于哪里呢？
（使用動滑輪的確省了一半力，但拉力移動的距離增加了一倍，加上動滑輪的自重、摩擦等因素影響，使用動滑輪提升物體非但不省功，還要多做功。）
2.多媒體演示：
思考：用動滑輪提升沙子的過程。
（1）該過程中，人們的目的是什么？
（2）為了達到人們的目的所做的功怎么計算？
（3）在提升沙子的過程中，你覺得哪部分功是我們不想做的？若要計算，應如何計算？這部分功可以不做嗎？
引導學生根據做功的目的，利用功的計算公式進行回答。
歸納與總結：人們在利用機械做功的過程中，為了達到某種目的而做的功叫做有用功（如克服沙子的重力而做的功），不想做而又不得不做的功叫做額外功（如克服桶重、繩子重而做的功），額外功是不可避免的。
區分額外功和有用功：
實例1　用水桶從井中提水，對哪個物體做的功是有用功？對哪個物體做的功是額外功？
實例2　打撈掉到井里的水桶，撈上的桶里帶了一些水。對哪個物體做的功是有用功？對哪個物體做的功是額外功？
分析：從目的出發，要提水，故提升水做的功是有用功；此過程中對桶也做了功，提升桶做的功就是額外功。要提桶，故提升桶做的功是有用功；此過程中對桶中的水也做了功，對這些水做的功就是額外功。
教師：有用功可以理解為在使用機械的過程中，相當于不用機械而直接用手所做的功；額外功是指克服機械自重及摩擦而做的功。有用功和額外功的計算要因機械不同而用不同的計算方法，如在用滑輪組水平拉動物體的過程中，有用功就是克服物體與水平面之間的摩擦力而做的功。
結論：以提升鉤碼為例
（1）提升鉤碼所做的功是人們必須做的且對人們有用的功，叫做有用功，用W有表示，其大小等于不用機械直接對鉤碼做的功；
（2）克服動滑輪重及摩擦等所做的功是人們不需要但又不得不做的功，叫做額外功，用W額表示；
（3）有用功與額外功的總和，叫做總功，用W總表示。W總=W有+W額。
注意：
額外功的產生原因：一是克服機械自重做功；二是克服摩擦做功。
例題講解：（學生先練習，若有問題，教師補充講解）
例1　在如圖所示中，s=60 cm，與之對應的h=30 cm。現用彈簧測力計進行兩次操作：
（1）沿豎直方向勻速提升小車；
（2）沿斜面方向勻速拉動小車，記錄數據如下表。
彈簧測力計示數/N 移動距離/cm
豎直提升 10 30
沿斜面拉動 5.2 60
分析數據有如下一些發現。其中，具有較高水平的發現是（　　）
A.沿斜面拉動時，拉力比小車的重力小
B.彈簧測力計示數與移動距離近似成反比
C.利用斜面可以省力，但不能少做功
D.可以計算力所做的功，且兩次做功近似相等
解析：分析題表中的數據可知，A選項中的發現是通過測量直觀得到的，不是具有較高水平的發現；豎直提升小車的過程中，彈簧測力計的示數不變，與移動距離無關，沿斜面拉動小車的過程中，彈簧測力計的示數也不變，與移動距離無關，所以B選項的結論是錯誤的；利用公式W=Fs計算力所做的功，W1=F1s1=10 N×0.3 m=3 J，W2=F2s2=5.2 N×0.6 m=3.12 J，兩次做功近似相等，D選項的結論正確，C選項的結論是在D選項結論基礎上的延伸，故C選項是具有較高水平的發現。具有較高水平的發現是使用任何機械都不省功，這個結論叫做功的原理。
答案：C
例2　李鈴同學值日時用水桶提水從一樓上三樓，她做的有用功是（　　）
A.對桶所做的功 B.對水所做的功
C.對水和桶所做的功 D.對水、桶和人所做的功
解析：李鈴同學的目的是提水，所以克服水的重力所做的功是有用功，而對人和桶所做的功是額外功，故B正確。　　
答案：B
探究點二　認識總功
提出問題：既然有用功是人們想做的功，額外功是人們不想做但又不得不做的功，那么人們利用機械所做的功叫什么？
引導學生思考在利用機械做功的過程中，還有沒有其他的功存在？
總結與歸納：人們在利用機械達到某種目的的時候，實際做的功等于有用功和額外功的總和，稱為總功，表達式為W總=W有+W額。
點撥：總功是有用功與額外功的總和，也是人們在利用機械時所做的功，或者說是動力所做的功，因此其表達式也可以寫作W總=F動s。
例題講解：（學生先練習，若有問題，教師補充講解）
例3　用一個動滑輪將重為500 N的重物提高1 m，所用的拉力為300 N，繩自由端移動2 m，則在此過程中，有用功為________，總功為________，額外功為________。
解析：提升重物所做的功是有用功，即W有=Gh=500 N×1 m=500 J；人的拉力所做的功是總功，即W總=Fs=300 N×2 m=600 J；因為W總=W有+W額，所以額外功W額=W總-W有=600 J-500 J=100 J。　　
答案：500 J　600 J　100 J
探究點三　機械效率
1.認識機械效率
閱讀教材第86頁“機械效率”內容，回答下列問題。
（1）機械效率的定義是________。
（2）機械效率的計算公式是________。
教師：正確理解機械效率，主要有以下五點。
（1）機械效率是有用功與總功之比，它只有大小，沒有單位。
（2）由于額外功總是存在的，所以有用功總小于總功，機械效率總是小于1。
（3）機械效率是表征機械做功性能好壞的物理量，機械效率越高，這個機械的性能越好。
（4）機械效率的高低與是否省力、滑輪組繩子的繞法、物體提升的高度無關。
（5）機械效率不是固定不變的。機械效率反映的是機械在一次做功的過程中有用功跟總功的比值，同一機械在不同的做功過程中，機械效率往往會不同。
2.機械效率的計算
學生練習：請同學們計算例3中動滑輪的機械效率。
解：根據機械效率的計算公式可得
η==≈83.3%。
拓展：引導學生進行下列推導：
機械效率的計算公式在不同的機械中表達方式一般不同。
（1）杠桿：η==。
（G為提升重物的重力，h為重物升高的高度，F為動力的大小，s為動力作用點移動的距離。）
（2）懸掛式滑輪組
①η====。
②不計繩重及摩擦時，有η===。
（G為提升重物的重力，G動為動滑輪的重力，h為重物上升的高度，s為繩子自由端移動的距離，n為承擔物重的繩子段數。）
（3）水平放置式滑輪組：η====。
（F摩表示物體與水平面之間的摩擦阻力，F表示動力的大小，s表示物體移動的距離，l表示動力F移動的距離，n表示承擔摩擦阻力的繩子段數。）
（4）斜面：η==。
（G為提升重物的重力，h為重物升高的高度，F為動力的大小，l為重物沿斜面運動的距離。）
教師：在利用各個公式計算時應注意以下幾點。
（1）公式中的各個物理量都是針對同一個研究對象而言的，即具有公式的同一性。
（2）公式中各個物理量的單位應該統一，即具有公式的統一性。
（3）機械效率具有“可變性”，由公式η=可知，如果該機械的額外功一定，有用功越大，機械效率越大。比如，在條件允許的情況下，用一個滑輪組將一塊巨石和一塊小石頭分別提升相同的高度，前者的機械效率就大一些。因此，同一個機械的效率也并不是固定不變的。
例題講解：（學生先練習，若有問題，教師補充講解）
例4　（2019·甘肅天水中考）在修建天水市體育中心的施工過程中，起重機在4 s內將質量為5×103 kg的鋼材沿豎直方向勻速提升了2 m，而它的電動機做的功是2×105 J。（g取10 N/kg）求：
（1）鋼材上升過程中的速度。
（2）起重機對鋼材所做的有用功。
（3）起重機的機械效率。
解析：（1）已知時間t=4 s，提升的高度s=2 m，可據v=求出速度。
（2）起重機工作時，克服被提升鋼材自重做的功是有用功，可由W有=Gh求得。
（3）電動機做的功是總功，W總=2×105 J，可由η=求出機械效率。
解：（1）鋼材上升過程中的速度：
v===0.5 m/s。
（2）鋼材的重力：
G=mg=5×103 kg×10 N/ kg=5×104 N，
起重機對鋼材所做的有用功：
W有=Gh=5×104 N×2 m=1×105 J。
（3）由題知，電動機做的總功W總=2×105 J，
則起重機的機械效率：
η===50%。
例5　（2019·山東濰坊中考）一輛質量為1.5×103 kg的汽車陷入一泥濘路段，司機師傅利用滑輪組和周圍條件，組裝成了如圖所示的拖車裝置。已知汽車通過泥濘路段需移動8 m距離，汽車在泥濘路段受到的阻力為車重的0.1，滑輪組的機械效率為80%，g取10 N/kg。在將車勻速拖離泥濘路段過程中，求：
（1）做的有用功；
（2）作用在繩子自由端的拉力。
解析：（1）已知汽車所受阻力為車重的0.1，故由公式f=0.1mg可以求得汽車所受的阻力；汽車勻速運動，牽引力F牽=f，所做有用功W有=F牽s車。
（2）由題圖可知，汽車牽引力由3段繩子承擔，故繩子自由端移動的距離s繩=3s車，總功由公式
W總=可以求得，故繩子自由端的拉力為F=。
解：（1）汽車所受的阻力f=0.1mg=0.1×1.5×103 kg×10 N/kg=1.5×103 N
將車勻速拖離過程中，由二力平衡得，牽引力F牽=f=1.5×103 N
所做的有用功
W有=F牽s車=1.5×103 N×8 m=1.2×104 J。
（2）繩子自由端移動的距離s繩=3s車=3×8 m=24 m
由η=得，W總===1.5×104 J
由W總=Fs繩得，拉力F===625 N。
探究點四　測量滑輪組的機械效率
閱讀教材第87頁“實驗”內容，思考以下問題。
1.實驗原理
（1）用滑輪組提升重物時，有用功和總功分別是什么？
____ ____，_____ ___（W有=Gh，W總=Fs）
（2）測量滑輪組的機械效率的原理是什么？
η=_____ ___=______ __
2.實驗需要哪些測量器材？
（1）實驗需要測量哪些物理量？
____ ____、______ __、______ __、______ __（鉤碼重G、鉤碼上升的高度h、拉力F、繩端移動的距離s）
（2）應該選擇哪些測量工具？
____ ____、_____ ___（彈簧測力計、刻度尺）
3.探究滑輪組機械效率與鉤碼重G的關系
如何探究滑輪組機械效率與鉤碼重G的關系？
（測出用同一滑輪組提升不同重力的鉤碼時的機械效率進行比較。如圖及表一，比較①②兩次實驗數據。）
表一
實驗 序號 鉤碼重 G/N 鉤碼提升高度h/m 拉力F/ N 繩自由端移動的距離s/m 有用功W有/J 總功W總/J 機械 效率 η
① 2 0.1
② 3 0.1
（說明：為了實驗的準確，可根據需要增加實驗的次數。）
4.探究滑輪組機械效率與鉤碼提升高度h的關系
如何探究滑輪組機械效率與鉤碼提升高度h的關系？
（測出用同一滑輪組提升相同鉤碼至不同高度時的機械效率進行比較。如圖及表二，比較②③兩次實驗數據。）
表二
實驗 序號 鉤碼重 G/N 鉤碼提升高度h/m 拉力 F/N 繩自由端移動的距離s/m 有用功W有/J 總功 W總/J 機械 效率 η
③ 3 0.2
5.探究滑輪組機械效率與動滑輪重G動的關系
如何探究滑輪組機械效率與動滑輪重G動的關系？
（組裝動滑輪個數不同的滑輪組，分別測出用它們提升相同重力的鉤碼時的機械效率，進行比較。如上圖和右圖及表三，比較③④兩次實驗數據。）
表三
實驗 序號 鉤碼重G/N 鉤碼提升高度h/m 拉力F/N 繩自由端移動的距離s/m 有用功W有/J 總功W總/J 機械 效率 η
④ 3 0.2
6.探究滑輪組機械效率與吊起動滑輪繩子
段數n的關系
如何探究滑輪組機械效率與吊起動滑輪繩子段數n的關系？
（用相同滑輪組裝成繩子段數不同的滑輪組，分別測出用它們提升相同重力的鉤碼時的機械效率進行比較。如上圖和右圖及表四，比較②⑤兩次實驗數據。）
表四
實驗 序號 鉤碼重G/ N 鉤碼提升高度h/m 拉力F/ N 繩自由端移動的距離s/m 有用功W有/J 總功W總/J 機械 效率 η
⑤ 3 0.1
7.實驗結論
（1）比較①②兩次機械效率的大小，可以知道同一滑輪組的機械效率與________有關，即同一滑輪組________越大，滑輪組的機械效率越大。
（2）比較________兩次機械效率的大小，可以知道滑輪組的機械效率與鉤碼提升高度h________。
（3）比較③④兩次機械效率的大小，可以知道滑輪組的機械效率與________有關，即滑輪組________越大，滑輪組的機械效率越小。
（4）比較________兩次機械效率的大小，可以知道滑輪組的機械效率與吊起動滑輪的繩子段數n________（選填“有”或“無”）關。
8.提高機械效率的方法
盡量減小額外功，采取減輕機械本身的質量和加潤滑油減小摩擦等方法。
當額外功一定時，在機械承受的范圍內增加所做的有用功（如使用滑輪組提升物體時，在繩子能承受的拉力范圍內，盡可能增加每次提升重物的質量），充分發揮機械的作用。
例題講解：（學生先練習，若有問題，教師補充講解）
例6　（2019·黑龍江綏化中考）如圖所示是智慧小組“測滑輪組的機械效率”的實驗裝置。測得的實驗數據如表。
實驗次數 物重G/N 物體上升 高度h/m 拉力F/N 繩端移動距離s/m 機械效率η
1 1 0.1 0.6 0.3 55.6%
2 2 0.1 1.0 0.3 66.7%
3 4 0.1 1.8 0.3
（1）實驗過程中，應豎直向上________拉動彈簧測力計。
（2）第三次實驗中滑輪組的機械效率是________。
（3）分析表中實驗數據可知，同一滑輪組，物重________，滑輪組的機械效率越高。
（4）若在第三次實驗中，物體上升的速度為0.1 m/s，則拉力F的功率為________W。
（5）創新小組也利用重為1 N、2 N、4 N的物體進行了三次實驗，每次測得的機械效率均大于智慧小組的測量值，則創新小組測量值偏大的原因可能是________。（填字母）
A.測拉力時，彈簧測力計未調零，指針指在零刻度線下方
B.彈簧測力計每次拉動物體時均加速上升
C.所使用的動滑輪的重力小于智慧小組
解析：（1）實驗過程中，應豎直向上勻速緩慢拉動彈簧測力計，此時拉力大小等于彈簧測力計示數。
（2）第三次實驗中滑輪組的機械效率是
η===≈74.1%。
（3）分析表中實驗數據可知，同一滑輪組，物重越大，滑輪組的機械效率越高。
（4）在第三次實驗中，F=1.8 N，物體上升的速度為0.1 m/s，則繩子自由端的速度v=3×0.1 m/s=0.3 m/s，則拉力F的功率P===Fv=1.8 N×0.3 m/s=0.54 W。
（5）若測拉力時，彈簧測力計未調零，指針指在零刻度線下方，測得的拉力會偏大，機械效率變小，A不符合題意；彈簧測力計每次拉動物體時均加速上升，拉力變大，機械效率變小，B不符合題意；使用的動滑輪的重力小于智慧小組，克服動滑輪做的功減小，額外功減小，機械效率變大，C符合題意。
答案：（1）勻速緩慢　（2）74.1%　（3）越大　（4）0.54　（5）C
例7　（2019·山東煙臺中考）在探究“影響滑輪組機械效率高低的因素”時，同學們提出了下列猜想
（1）滑輪組機械效率高低可能與動滑輪重有關；
（2）滑輪組機械效率高低可能與被提升的物重有關；
（3）滑輪組機械效率高低可能與物體提升高度有關；
（4）滑輪組機械效率高低可能與承重繩子股數有關。
小明同學設計了如圖12-3-25所示的兩個滑輪組，進行對比實驗來驗證提出的猜想，則該實驗驗證的猜想是________。
A.（1） B.（2） C.（3） D.（4）
解析：比較兩滑輪組可知，承擔繩子的股數相同，滑輪組繞線方式相同，滑輪個數相同，提升高度也可以相同，而兩個滑輪組提升物體的重力不同，結合控制變量法的思想，所以該實驗裝置探究的是滑輪組的機械效率與被提升物體重力的關系，即驗證的是猜想（2），故選B。
答案：B
課堂小結
本節課我們主要學習了：
1.有用功、額外功、總功的概念及計算；
2.機械效率的含義及計算；
3.測量滑輪組的機械效率。
為了檢驗一下學習效果，下面請同學們完成“當堂達標”測試題。
當堂達標
1.（2019·湖北荊門中考）如圖用同一滑輪組分別將兩個不同的物體A和B勻速提升相同的高度，不計繩重和摩擦的影響，提升A的過程滑輪組的機械效率較大，則下列判斷正確的是（　　）
①物體A比物體B輕
②提升A的拉力較大
③提升A所做的額外功較少
④提升A做的有用功較多
A.只有①③ B.只有②④
C.只有②③ D.只有①④
2. （2019·四川瀘州中考）用如圖所示的滑輪組勻速豎直提升物體，不計一切摩擦和繩重。下列判斷正確的是（　　）
A.該滑輪組繩自由端拉力F的大小一定等于所提物體重力的三分之一
B.用該滑輪組提升不同的物體，物體越重，其機械效率越大
C.用該滑輪組分別提升水面下和水面上的同一物體，其機械效率相等
D.其他條件不變，僅將滑輪組中的動滑輪重力變大，其機械效率變大
3.（2019·新疆中考）用一個動滑輪和一個定滑輪組成的滑輪組甲和乙，分別勻速提升同一重物時，滑輪組甲和乙的機械效率分別為80%和75%，不計繩重和摩擦，滑輪組甲和乙中的動滑輪重力之比為（　　）
A.4∶3 B.3∶4 C.5∶4 D.4∶5
4.（多選）（2019·四川宜賓中考）如圖所示，在拉力F作用下，一個重600 N的物體以0.1 m/s的速度沿水平地面向右勻速直線運動了10 s，已知滑輪組的機械效率為80%，在此過程中拉力F做了150 J的功，則下列說法中正確的是（　　）
A.拉力F的大小為150 N
B.拉力F的大小為50 N
C.物體與地面間的滑動摩擦力為120 N
D.物體與地面間的滑動摩擦力為480 N
5. （2019·南京中考）建筑工地上，起重機吊臂上的滑輪組如圖所示，在勻速起吊重4.2×103 N的物體時，物體5 s內上升了6 m，此過程中有用功為________J，鋼絲繩移動的速度為________m/s；若滑輪組的機械效率為70%，則額外功為________J，拉力F為________N，其功率為________W。
6. （2019·湖南婁底中考）既可以省力，又可以改變用力方向的滑輪是________（選填“定滑輪”“動滑輪”或“滑輪組”）；利用一個效率為90%的杠桿做100 J的總功，其中額外功是________J。
7. （2019·山東棗莊中考）用一個動滑輪在5 s內將一重為300 N的物體勻速向上提升3 m，動滑輪的機械效率是75%，則拉力大小為________N，若忽略繩重與摩擦，動滑輪的重力為________N。
8.（2020·安徽中考）如圖所示，工人沿斜面用一定大小的力F把一重為600 N的物體從斜面底部勻速推到頂部（不考慮物體的大小）。已知斜面長L=3 m，高h=1.5 m。若該過程中斜面的效率為60%，力F所做的功為________J。
9. （2019·云南中考）如圖所示，工人用滑輪組將重為600 N的建筑材料以0.3 m/s的速度勻速豎直提升，人對繩子自由端的拉力F=375 N，滑輪組的機械效率為________，拉力F的功率為________W。
10. （2019·吉林中考）如圖所示，用滑輪組把300 N的重物勻速提升3 m，人所做的有用功是________J；如果用該滑輪組提升400 N的重物，它的機械效率將________。
11.（2020·天津中考）在探究影響滑輪組機械效率的因素時，小明提出了如下猜想：
猜想一：滑輪組機械效率與被提升物體所受的重力有關
猜想二：滑輪組機械效率與動滑輪所受的重力有關
為了驗證猜想，準備的器材如下：兩個相同的滑輪、一根細繩、鉤碼若干、刻度尺和彈簧測力計。
小明把兩個滑輪分別作為定滑輪和動滑輪組裝成滑輪組，用該滑輪組提升不同數量的鉤碼進行了三次實驗，數據如下表所示：
實驗次數 鉤碼所受的重力 G/ N 提升高度h/ m 拉力F/ N 繩端移動的距離 s/ m 機械效率η
1 2.0 0.1 1.0 0.3 66.7%
2 4.0 0.1 1.8 0.3 74.1%
3 6.0 0.1 2.5 0.3
請你解答如下問題：
（1）表中第3次實驗時滑輪組的機械效率為________，根據表中數據在圖中畫出該滑輪組的繞線方式；
（2）分析表中數據可知：用同一滑輪組提升不同的物體，物體越重，滑輪組的機械效率______（選填“越高”“越低”或“不變”）；
（3）為了驗證猜想二，還需增加的實驗器材是________。
12. （2019·貴州安順中考）小軍同學為了探究“使用動滑輪的省力情況及滑輪組的機械效率”，使用了如圖所示的實驗裝置。實驗前，小軍用輕質彈簧測力計測得動滑輪的重力為1.0 N，每個鉤碼的重力為0.5 N，實驗過程中，小軍多次改變動滑輪所掛鉤碼的數量，分別記下了每次所掛鉤碼的重力及對應的輕質彈簧測力計示數（見表格）。
序號 1 2 3 4 5 6 7 8
動滑輪重G0/ N 1.0 1.0 1.3 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0
所掛鉤碼的重力G/ N 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
彈簧測力計示數F/ N 0.8 1.2 1.3 1.6 1.8 2.2 2.3 2.7
（1）分析實驗數據可以得到：在動滑輪的重力大于或等于物體的重力的條件下，使用該滑輪組________（選填“省力”或“不省力”）。
（2）在忽略摩擦、繩重及實驗誤差的條件下，彈簧測力計的示數F與被提升鉤碼重力G以及動滑輪重力G0的關系為________。
（3）小軍同學又研究了滑輪組水平拉動物體的情況，用另一組滑輪組將重為50 N的物塊從位置A勻速直線拉到位置B，請在圖中畫出最省力的繞線方法：物塊移動的距離為________cm；若此時繩自由端所用拉力為10 N，物塊受到的摩擦力為18 N，該滑輪組的機械效率為________。
布置作業
教材第88頁“動手動腦學物理”第1至4題。
板書設計
一、三個名詞 （1）有用功：利用機械工作時，對人們有用的功叫做有用功，用W有表示。 （2）額外功：利用機械工作時，并非人們需要但又不得不做的功叫做額外功，用W額表示。 （3）總功：有用功與額外功的總和叫做總功，用W總表示，W總=W有+W額。 二、機械效率 （1）概念：物理學中，將有用功跟總功的比值叫做機械效率。 （2）公式：η=。 （3）注意：對于實際機械，總是有額外功存在，η<1。 三、測滑輪組機械效率 （1）勻速豎直拉動。 （2）影響滑輪組機械效率的因素：物重、動滑輪重、摩擦等。
參考答案
1.B　解析：用同一滑輪組提升兩個不同的物體A和B，勻速提升相同的高度，不計繩重和摩擦，提升A的過程機械效率大，由η===可知，物體A比物體B重，故①錯誤；由題圖知n=2，不計繩重和摩擦，GA>GB，G輪相同，據F=可知，提升A的拉力較大，故②正確；由題知同一滑輪組，將兩物體提升相同高度，不計繩重和摩擦，克服動滑輪做的功是額外功，所以提升物體A和B所做的額外功相同，故③錯誤；由題知提升物體做的有用功W有=Gh，GA>GB，h相同，所以提升A做的有用功較多，故④正確。故選B。
2. B　解析：由題圖知，n=3，不計一切摩擦和繩重，拉力F=（G+G輪）>G，所以拉力F的大小大于所提物體重力的三分之一，故A錯誤；不計一切摩擦和繩重，用該滑輪組提升不同的物體，則η====，可見提升的物體越重，其機械效率越大，故B正確；用該滑輪組分別提升水面下和水面上的同一物體，由于物體在水中受到浮力，就好比用滑輪組提升的物體重力發生變化，所以其機械效率不相等，故C錯誤；僅將滑輪組中的動滑輪重力變大（其他條件相同），將同一物體提升相同的高度，有用功相同，由W額=G動h可知額外功增大，則總功增大，有用功與總功的比值減小，機械效率減小，故D錯誤。
3. B　解析：在不計繩重和摩擦的情況下，滑輪組機械效率只與G物和G輪有關，η====，即η甲=80%=，η乙=75%=，解得=。
4.BC　解析：由題圖知，n=3，繩子自由端移動的距離s=3s物=3v物t=3×0.1 m/s×10 s=3 m，
由W總=Fs可得拉力：
F===50 N，故A錯誤，B正確；
由η====得物體與地面間的滑動摩擦力：
F摩=3ηF=3×80%×50 N=120 N，故C正確，D錯誤。
5. 2.52×104　3.6　1.08×104　2×103　7.2×103　
解析：由題圖可知，該滑輪組有3段繩子與動滑輪相連，起吊過程中有用功為W有=Gh=4.2×103 N×6 m=2.52×104 J；鋼絲繩移動的距離為s=3h=3×6 m=18 m，則鋼絲繩移動的速度為v===3.6 m/s；若滑輪組的機械效率η=70%，則總功W總===3.6×104 J，額外功W額=W總W有=3.6×104 J-2.52×104 J=1.08×104 J；拉力F===2×103 N，拉力的功率P===7.2×103 W。
6.滑輪組　10　解析：使用定滑輪不能省力，但可以改變力的方向；使用動滑輪可以省力，但不可以改變力的方向；用定滑輪和動滑輪組成滑輪組，既可以省力，又可以改變力的方向；由題知，使用杠桿做的總功W總=100 J，η=90%，由η==90%可得做的有用功：
W有=W總×90%=100 J×90%=90 J，
則利用該杠桿做的額外功：
W額=W總-W有=100 J-90 J=10 J。
7. 200　100　解析：使用一個動滑輪時，承擔物重的繩子段數n=2。繩子端自由端移動的距離s=2h，
動滑輪的機械效率η=====75%，
則拉力大小：F===200 N；
若忽略繩重與摩擦，拉力F=（G+G動），則動滑輪的重力：G動=2F-G=2×200 N300 N=100 N。
8.1 500　解析：該過程克服物體重力做的功為有用功，即W有=Gh=600 N×1.5 m=900 J，推力F所做的功為總功，根據η=可得，推力F所做的功W總===1 500 J。
9. 80%　225　解析：由題圖可知，有2段繩子拉著建筑材料，即s=2h，則滑輪組的機械效率η======80%，拉力F的功率P====2Fv物=2×375 N×0.3 m/s=225 W。
10.900　增大　解析：人做的有用功為W=Gh=300 N×3 m=900 J；根據公式η==可知，物重越大，滑輪組的機械效率越高；因為400 N>300 N，所以它的機械效率將增大。
11.（1）80%　如圖所示　（2）越高　（3）自重不同的滑輪
解析：（1）第3次實驗時，有用功W有=Gh=6.0 N×0.1 m=0.6 J，總功W總=Fs=2.5 N×
0.3 m=0.75 J，滑輪組的機械效率η==×100%=80%；由表中數據可知，繩端移動的距離是鉤碼提升高度的3倍，因此應該有3段繩子承擔鉤碼，該滑輪組繞線方式如圖所示。（2）通過比較三次實驗數據知，鉤碼提升高度和繩端移動的距離相同，鉤碼的重力不同，且鉤碼的重力越大，機械效率越高，可以得出：用同一滑輪組提升不同的物體，物體越重，滑輪組的機械效率越高。（3）為了驗證滑輪組的機械效率與動滑輪所受重力有關，必須保證其他因素相同的情況下，改變動滑輪自身的重力，因此還需要的器材是自重不同的滑輪。
12. （1）不省力　（2）F=　（3）如圖所示　3.10　60%
解析：（1）分析表中序號為1、2的兩組數據可以得到：在動滑輪的重力大于或等于物體的重力的條件下，彈簧測力計示數F大于所掛鉤碼的重力G，故此時使用該滑輪組不省力。
（2）由題圖可知n=2，在忽略摩擦、繩重及實驗誤差的條件下，彈簧測力計的示數F與被提升鉤碼重力G以及動滑輪重力G0的關系為F=。
（3）用另一組滑輪組將重為50 N的物塊從位置A勻速直線拉到位置B，當繩子的有效段數最多時即n=3時，最省力；
由題圖知，物塊移動的距離為
44.10 cm41.00 cm=3.10 cm
若此時繩自由端所用拉力為10 N，物塊受到的摩擦力為18 N，該滑輪組的機械效率為：
η====60%。
教學反思
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