初中第十二章 简单机械12.3 机械效率优秀导学案

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知识点一、有用功和额外功：
1.实验探究：使用动滑轮是否省功
甲 乙
操作及现象:
(1)如图甲所示用弹测力计将钩码缓慢提升20cm，弹簧测力计示数为2.0N。
(2)如图乙所示用弹簧测力计并借助动滑轮将同样的钩码缓慢提升20cm，弹簧测力计示数为1.2 N。
实验分析:
图甲中拉力做功 0.4J，图乙中拉力做功0.48 J。
实验结论:
实验结果表明，尽管使用动滑轮会省力，但使用动滑轮不能省功。且由于滑轮本身所受的重力以及摩擦等因素的影响，使用动滑轮会多做功。
2.有用功、额外功、总功
(1)有用功:在上面的实验中,无论是否使用滑轮,钩码都被提升了，这部分功是必须要做的，叫作有用功，用W有表示。
(2)额外功:若用滑轮组提升钩码,我们还不得不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额表示。
(3)总功:有用功与额外功之和叫作总功,用W总表示。公式:W总＝W有＋W额 ，W总＞W有。
3.功的原理
大量的实验和理论研究表明:使用机械时,人们所做的功,都不会少于直接用手所做的功，也就是使用任何机械都不能省功，这个结论叫功的原理。
基础自测：
1．_________________________叫有用功，用表示。即为达到工作目的做功。如：从井中提水，对水做的功就是有用功（工作目的提水）。
2．____________________________，叫额外功，用表示。额外功只能减小，不可避免。
3．图所示，用不同的方法把同一个重物搬运到同样高度的车厢内。从做功的角度分析，两种方法_____一定相同，_____可能不同。
4．小明把一桶水从一楼提到三楼，有用功是 _______，额外功是_______ ．有用功500J，总功600J，则额外功是______ J．
5．小聪用桶从井里打水，小明从井里捞桶带上部分水，下列说法正确的是
A．二人对桶做的功都是额外功 B．二人对水做的共都是有用功
C．小聪对桶做的功是有用功 D．小明对桶做的功是有用功
知识点二、机械效率
1.定义：物理学中，将有用功跟总功的比值叫作机械效率，用η表示。
2.公式：
3.理解：
（1）机械效率由有用功和总功决定，它表示的是有用功占总功的比例的大小，不能反映有用功或总功的多少。
（2）机械效率总是小于1,这是因为使用任何机械都不可避免地要做额外功,所以有用功总是小于总功，机械效率通常用百分数表示。
(3)机械效率不是固定不变的,机械效率反映的是机械在一次做功的过程中有用功跟总功的比值,同一机械在不同的做功过程中，机械效率往往会不同。
(4)机械效率的高低与是否省力做功多少物体提升的高度等无关。
(5)机械效率是表征机械性能的重要指标，机械效率越高,机械的性能越好。
3.三种简单机械的机械效率
基础自测
6．下列关于功、功率和机械效率的说法，不正确的是（ ）
A．做相同的功，时间少，做功快B．相同时间，功率大的做功多
C．机械的功率大，机械效率一定高D．机械效率不能达到100%
7．关于功、功率、机械效率的说法中，正确的是（ ）
A．功率大的机械，机械效率一定高
B．在相同的时间内做的功越多，功率越大
C．功率大的机器比功率小的机器做功多
D．机械做功时，做的有用功越多，机械效率越大
8．用图的装置匀速吊起一个重为2N的物体，下列有关说法正确的是（ ）
A．图中滑轮的作用是改变用力的方向B．拉力F的大小一定为1N
C．该装置的机械效率可达到100%D．增大提升的物重，机械效率会增大
9．如图所示，小明用两个不同的滑轮组，在相同时间内分别用大小相等的拉力F将同一物体匀速提高了相同的高度，若两个滑轮组的动滑轮重分别为G动1和G动2，机械效率分别为η1、η2，不计绳重和摩擦。则（ ）
A．G动1＜G动2，η1＜η2B．G动1＜G动2，η1＞η2
C．G动1＞G动2，η1＜η2D．G动1＝G动2，η1＝η2
10．用相同的滑轮和绳子分别组成如图所示的甲、乙两个滑轮组，相同时间把相同的重物匀速提升相同的高度。若不计绳重及摩擦，下列说法正确的是（ ）
A．绳子受的拉力F1和F2大小相等B．滑轮组的机械效率相同
C．拉力对滑轮组所做的功不相等D．拉力对滑轮组所做的功的功率不相等
11．______和______的比值称为机械效率。使用机械时，由于存在额外功，因此所做的有用功必______总功，因此，机械效率必______。（填：“小于”、“大于”或“等于”）
12．如图所示，用力F1直接将物体B匀速提升高度h，F1做功40J。若借助斜面用力F2沿斜面方向把同一物体B匀速推至相同高度，B沿斜面通过距离，若斜面的机械效率是40%，则F2做功为______J，=______；若，则B与斜面间的摩擦力为______N。
13．如图所示，利用滑轮组把物体匀速提升一定高度，该滑轮组有______段绳子承担物重，在绳子承受范围内，不计绳重和摩擦，若增加所提升的物重，则滑轮组的机械效率将______（选填“变大”“变小”或“不变”）。
14．用动力臂是阻力臂 3倍的杠杆将 600N的货物抬高 30cm，手向下压杠杆的力是250N， 手下降的高度是______cm，人做的总功______，有用功是______J，这根杠杆的机械效率是______。
15．如图所示，工人沿斜面用30N的推力把一箱重为60N的货物从斜面底端缓慢匀速推进车厢，斜面高1.2m，机械效率为60%，则此斜面的长度为______m。
16．甲吊车比乙吊车的机械效率高，当它们分别把相同质量的物体匀速提升相同高度时，与乙吊车相比，甲吊车做的有用功___________，总功___________。（填“较多”、“较少”或“相同”）
知识点三、测量滑轮组的机械效率
1.实验：测量滑轮组的机械效率
【实验原理】
【设计实验】
使用滑轮组在竖直方向上匀速提起重力不同的物体，将每次所测得的数据填入实验记录表中,计算并比较每次实验的机械效率。
【实验步骤】
(1)用弹簧测力计测出钩码所受的重力G
(2)按照图甲所示安装滑轮组，并分别记下钩码和绳端的位置。
(3)在竖直方向上缓慢拉动弹簧测力计,使钩码升高(如图乙所示),读出拉力F的值，并用刻度尺测出钩码上升的高度h和绳端移动的距离s。
(4)应用公式，，分别算出有用功、总功和机械效率。
(5)改变钩码的数量,重复前四步的实验过程，再做2次实验。
(6)换用如图丙所示的装置,重复前四步的实验过程。
【实验记录】
【实验分析】
(1)用同一实验装置提升不同数量的钩码时,数据记录如1.23次实验，分析数据可知:钩码的重力增加时，有用功增加，总功也增加，额外功不变，机械效率升高。
(2)用不同的实验装置提升相同数量的钩码时，数据记录如2.4次实验，分析数据可知:当动滑轮的个数增加时，有用功不变，总功增大，机械效率降低。
【实验结论】
(1)用同一滑轮组提升不同的重物时,物体重力越大，机械效率越高。
(2)用不同的滑轮组提升同一重物时,升高相同的高度,动滑轮个数越多，滑轮组的机械效率越低。
(3)影响滑轮组机械效率的因素:被提升物体的重力、动滑轮的重力、绳子的绕法以及绳子与滑轮间的摩擦等。
2.提高机械效率的方法
(1)在机械能承受的范围内,尽量增大物品运送量，充分发挥机械的作用。
(2)改进机械结构,使其更合理、更轻巧。这是生活中的主要方法。
(3)按照技术规程操作，定时保养,及时润滑,使机械始终处于良好的运转状态。
基础自测
17．在“探究影响滑轮组机械效率的因素”的实验中，小明用同一滑轮组进行了三次实验，实验数据如表：
（1）根据表格中的数据，在图甲种画出滑轮组的绕绳方法_______________．
（2）实验中，沿________方向_________拉动弹簧测力计，使物体缓缓上升，在测量绳端所受的拉力时，弹簧测力计应______________（选填“保持静止”或“匀速上升”）．
（3）第三次试验时，测力计示数如图乙所示，此时绳端受到的拉力为______________N，滑轮组的机械效率为______________%．
（4）根据表格中的数据分析可知：
①随着物重的增大，额外功_____________（选填“变小”、“不变”或“变大”），原因是_____________
②要提高同一滑轮组机械效率，可以采取__________________________的措施．
18．某实验小组在测滑轮组机械效率的实验中得到的数据如表所示，实验装置如图所示。
（1）本实验原理是______；需要测量工具有______和______；
（2）实验中应沿竖直方向______拉动弹簧测力计，使钩码上升；
（3）通过表中数据可分析出第2次实验是用______（选填“甲”或“乙”）图所示装置的实验；
（4）通过第1次实验和第2次实验的数据分析可得出结论：使用不同的滑轮组提升相同的重物时，动滑轮的个数越多（动滑轮的质量越大），滑轮组的机械效率______（选填“越高”、“不变”或“越低”）；
（5）小组同学再用第1次实验中使用的装置做第3次试验，表中第3次实验的机械效率为=______。额外功为______ J；
（7）比较第1次实验和第3次实验可得出结论：使用同一滑轮轮轮组______。
19．小明在“测滑轮组机械效率”的实验中，用如图甲所示的滑轮组进行了三次实验，实验数据如表。
分析表中数据，回答以下问题：
（1）表中有一个数据的记录是错误的，错误的数据是______，改为______；
（2）第2次实验中滑轮组的机械效率是______；
（3）滑轮组的机械效率与______无关；
（4）小红在小明实验的基础上多使用了一个滑轮也做了实验，如图乙所示，
①小红多使用一个滑轮，目的是______；
②小明和小红使用各自的滑轮组提升相同的重物时，若忽略绳重及摩擦，它们的机械效率______（选填“相同”或“不相同”），理由是_______。
考点突破
考点1.对有用功、额外功和总功的理解
方法：正确认识有用功、额外功和总功
(1)有用功是人们为了达到目的,无论采用哪种方法都必须做的功。一般情况下,做功有两个目的:一是竖直提升重物,二是水平移动物体。
①竖直匀速提升重物：，G、h分别为被提升物体的重力和上升的高度；
② 水平匀速移动重物， ，Ff、s分别为被移动物体与接触面的摩擦力和移动的距离。
(2)为了完成有用功,在使用机械时,还要克服机械自重(如动滑轮的重力)、摩擦力等因素做功，这些功是额外功,额外功是人们不想要的,但又不得不做的功。
(3)总功等于作用在机械上的力和移动的距离的乘积，即 W=Fs。
例1.（2022·四川德阳·统考中考真题）如图所示，有一斜面长L=4m，高h=2.5m。刘利同学用平行于斜面向上F=150N的拉力，将200N重的物体从底端匀速拉到斜面顶端。那么刘利同学对物体做的总功为___________J；物体沿斜面匀速向上运动时所受的摩擦阻力为___________N。
例2.（2023·全国·九年级校联考专题练习）如图是轱辘取水的装置，下列说法错误的是（ ）
A．该装置能够省力
B．提水时克服摩擦做的功是额外功
C．该装置能够省功
D．提水时克服水的重力做的功是有用功
考点2.对机械效率的考查
方法：
（1）正确理解滑轮组的机械效率
①条件：不计绳重及轴摩擦
②由机械效率公式可知：
a.当额外功一定时，机械做的有用功越多，机械效率越高；
b.当有用功一定时，机械做的额外功越少，机械效率越高；
③机械效率，由此可知：
a.匀速提升重物时，机械效率与物体被提升的高度无关；
b.匀速提升重物时，同一滑轮组的机械效率随物体重力的增大而升高。
（2）计算机械效率时巧抓突破口
计算滑轮组的机械效率时，需紧扣四个物理量“F”“s”“G”“h”,而它们又被连接动滑轮的绳子的段数n联系起来，其关系是、。因此在解题时明确这四个物理量及n的数值是解决本类问题的突破口，再结合相应公式解答。
例3.（2022·辽宁丹东·统考中考真题）如图所示，用滑轮组将重为的物体匀速提升，所用时间为，绳末端施加竖直向上的拉力为，不计绳重和摩擦，下列说法正确的是（ ）
A．此过程总功为600JB．动滑轮的重力为80N
C．拉力的功率为24WD．该滑轮组机械效率约为70%
例4.（2022·辽宁·统考中考真题）使用如图所示的滑轮组，沿水平方向匀速拉动质量为300kg的物体，弹簧测力计的示数为200N，物体在10s内移动1m。物体所受的摩擦力为物重的0.1倍。不计绳重和滑轮组内的摩擦，下列说法正确的是（ ）
A．滑轮组的机械效率为50%B．动滑轮重为100N
C．绳子自由端拉力的功率为20WD．增大物重机械效率不变
例5.（2022·甘肃兰州·统考中考真题）如图所示，斜面长10m，高4m。用平行于斜面F=50N的拉力，将重100N的物体，从斜面的底端匀速拉到顶端。在此过程中，下列说法正确的是（ ）
A．利用此装置既可以省力，也可以省功B．物体受到的摩擦力为50N
C．对物体所做的有用功为500JD．该斜面的机械效率为
考点3.实验探究：测量滑轮组的机械效率
方法：图解测量滑轮组的机械效率
例6.（2022·江苏南通·统考中考真题）用图甲滑轮组做“探究动滑轮的重对滑轮组机械效率的影响”实验。实验中把不同的磁铁吸附在动滑轮边框上以改变滑轮的重，每次实验都匀速拉动绳端使物体上升10cm。不计绳重，实验数据如表。
（1）每次实验绳端移动距离为______cm；
（2）第2次实验中拉力F的示数如图乙，读数为______N，第2次实验滑轮组的机械效率为______%。分析数据可知：在物重不变的情况下，动滑轮越重滑轮组的机械效率越______；
（3）实验中若仅增大绳端移动的距离，则滑轮组的机械效率将______；
（4）本实验中，在物重不变的情况下，动滑轮变重时，由摩擦引起的额外功占总额外功的比例______（选填“变大”“变小”或“不变”）。
例7.（2022·贵州铜仁·统考中考真题）课后延时服务社团活动中，“勇创”兴趣小组计划探究“影响滑轮组机械效率的因素”的实践活动，提出如下科学猜想；
猜想一：滑轮组机械效率可能与被提升物体的重力大小有关
猜想二：滑轮组机械效率可能与被提升物体的高度有关
现有实验器材支架、细绳、轻质滑轮2个、弹簧测力计（量程合适）、规格2N的钩码多个，实验装置如图所示；请你协助“勇创”兴趣小组完成实验；
（1）除上述实验器材，完成该实验还需要的测量工具是______；
（2）实验数据记录如下表：
①根据表格中的数据，第二次实验时滑轮组的机械效率为______；
②分析实验数据可得出结论同一滑轮组，物体提升相同高度，______，机械效率越高；
③若要验证猜想二，你的关键操作是______。序号
钩码的重力G/N
提升高度h/m
有用功W有/J
拉力F/N
绳端移动距离s/m
总功W总/J
机械效率η
1
1.5
0.4
0.6
0.7
1.2
0.84
71%
2
3.0
0.4
1.2
1.2
1.2
1.44
83%
3
4.5
0.4
1.8
1.7
1.2
2.04
88%
4
3.0
0.4
1.2
0.9
2.0
1.8
67%
物理量
1
2
3
钩码重G/N
4
4
6
钩码上升的高度h/m
0.1
0.1
0.1
绳端拉力F/N
1.8
1.4
2.4
绳端移动的距离s/m
0.3
0.5
0.3
机械效率
74%
57%
实验次数
物重G/N
物体上升的高度h/cm
弹簧测力计的实数F/N
弹簧测力计移动的距离/cm
1
6
3
2.5
9
2
6
5
2.5
15
3
6
8
2.5
26
次数
G物/N
G动/N
F/N
η/%
1
6.0
0.3
2.2
90.9
2
6.0
1.0
3
6.0
1.9
2.9
69.0
4
6.0
3.2
3.4
58.8
次数
物体重力（N）
物体上升的高度（cm）
弹簧测力计的示数（N）
绳子自由端移动的距离（cm）
机械效率
1
2
10
1.0
30
66.75
2
4
10
1.7
30
3
6
10
2.4
30
83.3%