初中科学浙教版（2024）九年级上册第4节 简单机械第4课时教案设计

这是一份初中科学浙教版（2024）九年级上册第4节 简单机械第4课时教案设计，共10页。教案主要包含了机械效率，斜面等内容，欢迎下载使用。
年级
八年级
授课时间
课题
3.4 简单机械（第4课时）
教学
目标
科学观念：能正确判断有用功、额外功和总功，知道机械效率的公式及计算；知道斜面是一种简单机械。
科学思维：经历从具体到抽象的研究过程，学会比较。会应用公式进行简单计算。
探究实践：在探究滑轮组机械效率中，分析总结简单机械的效率。
态度责任：学会合作和交流，体验成功探究带来的乐趣，感悟生活中处处有科学。通过学习体会提高机械效率对节约能源和促进社会发展的重要意义。
教学
重难点
重点：机械效率的计算
难点：有用功和额外功的识别
学情
分析
本节内容选自浙教版九上第三章第4节，本节主要内容：杠杆、杠杆的应用、定滑轮和动滑轮、滑轮组、机械效率。杠杆、滑轮、斜面都是重要的简单机械，它们在生活和生产中有着广泛的应用，学好这部分知识具有重要的实际意义。教材通过学生熟悉的日常生活中使用的器具，经过科学抽象出杠杆、滑轮的概念，初步体会科学教学中建立科学模型的方法，并通过实验探究出杠杆的平衡条件，培养学生科学探究的能力。通过机械效率的计算公式，了解简单机械的机械效率如何计算。
本节内容拟用4课时完成。第1课时主要内容是杠杆的概念及杠杆五要素；第2课时主要内容是杠杆的平衡及应用；第3课时主要内容是定滑轮和动滑轮、滑轮组；第4课时主要内容是斜面和机械效率。
教学
准备
课件、课本、活动器材等
教学过程
教师活动
学生活动
新
课
导
入
如图所示，用这三种方式将沙子提到二楼，其中使用动滑轮的优点是什么？直接提升重物和使用简单机械提升重物做的功相同吗？
观察图片，思考使用简单机械是否能减少做功
新 知 讲 授
一、机械效率
方式①做的功：克服沙子重力做功、克服人体重力做功、克服桶的重力做功
方式②做的功：克服沙子重力做功、克服动滑轮重力做功、克服桶的重力做功
方式③做的功：克服沙子重力做功、克服动滑轮重力做功、克服口袋重力做功
我们的目的是将沙子提到二楼，那么克服沙子重力所做的功属于提升重物过程中必须要做的功，这部分功叫做有用功。
而克服人体、桶、动滑轮、袋子的重力等做的功均属于并非我们需要但又不得不额外做的功。利用机械时，人们不得不额外做的功叫做额外功。
人的拉力F（动力）对动滑轮（机械）所做的功，叫做总功。
功 = 有用功 + 额外功
W总=W有+W额
由于存在额外功，因此，总功必定大于有用功。
计算有用功、额外功和总功（忽略空气阻力和摩擦），比较三种方式的优略
①W有=G沙h=100N×6m=600J
W额=G人h+G桶h=400N×6m+20N×6m=2400J+120J=2520J
W总=W有+W额=600J+2520J=3120J
②W有=G沙h=100N×6m=600J
W额=G动h+G桶h=10N×6m+20N×6m=60J+120J=180J
W总=W有+W额=600J+180J=780J
③W有=G沙h=100N×6m=600J
W额=G动h+G袋h=10N×6m+5N×6m=60J+30J=90J
W总=W有+W额=600J+90J=690J
三种方式的有用功相同，均为克服沙子重力做的功，额外功①＞②＞③，故方式③付出的能量最少。但不论用哪种机械，都会出现额外功，均比不使用任何机械所需做的功多。故：使用任何机械都不能省功（功的原理）
注意事项：
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。
竖直拉物体，克服物体重力做的功就是有用功：W有=Gℎ；
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）
思考与讨论：
（1）在用动滑轮提升重物的过程中，有哪些额外功？你希望额外功大一些还是小一些？
额外功包括克服动滑轮重力做的功、克服摩擦力所做的功、克服绳子重力所做的功。额外功并不是我们需要的功，因此额外功越小越好。
（2）请从功是能量转化的量度的角度，对有用功、额外功和总功进行分析。怎样描述机械工作时能量的利用率？
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。
使用机械做功时，有用功在总功中所占的比例越大，说明利用机械工作的效率就越高，或者说机械工作时能量的利用率越高。
科学上把有用功跟总功的比值叫做机械效率。
若用W总表示总功，W有用表示有用功，η表示机械效率（η为希腊字母，汉语拼音读做yita。机械效率习惯上用百分比表示。）那么：
η=W有用W总×100%
由于有用功一定小于总功，故机械效率总小于1。
机械效率是表示机械性能的一项重要指标。一般的滑轮组的机械效率为50%~70%，起重机的机械效率是40%~50%，抽水机的机械效率为60%~80%。在使用机械时，总是尽可能减小额外功以提高机械效率。提高机械设备的机械效率有着重要的现实意义。
思考与讨论：
机械功率与机械效率有什么区别？
机械效率与功率间没有必然的联系。功率是表示做功快慢的物理量，而机械效率则表示机械对总功的利用率。功率大的机器，效率不一定高。比如内燃机车功率高达数万瓦特，但效率却只有30%~40%，而电动玩具车功率只有几瓦特，但效率却可达80%。
二、斜面
你是否看到过如图所示的搬运货物的情景？斜放的平板构成了一个斜面，斜面也是一种简单机械，利用它可以更省力地将货物从低处搬运到高处。斜面作为一种简单机械，使用时也同样存在着一个效率高低的问题。
活动：
（1）如图所示，将1块长木板的一端垫高，构成一个斜面，用刻度尺测出斜面的长s和斜面的高度h。
（2）用弹簧测力计测出小车的重力。
（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，读出弹簧测力计的读数。
（4）改变斜面的倾斜程度，重复上述步骤2次。
（5）将测量结果记录在下面的表格中。
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
2
4
50%
较陡
10
0.4
6
1
4
6
67%
最陡
10
0.6
8
1
6
8
75%
斜面的计算公式
W有=Gh、W总=Fs
η=W有W总×100%=GℎFs×100%
由实验数据可知，对光滑程度相同的斜面，斜面的倾斜程度越大，斜面的机械效率越高。这是为什么呢？
斜面的有用功是克服物体重力做功，额外功是克服斜面和物体之间的摩擦力做功，斜面的倾斜程度越大，物体对斜面的压力越小，根据摩擦力的影响因素可知，接触面光滑程度不变时，压力越小，摩擦力越小，故斜面倾斜度越大，额外功越小，故有用功的占比越大，即机械效率越大。
思考与讨论：
怎样求出斜面和物体之间的摩擦力呢？
W额=fs，W额=W总−W有，fs=W总−W有
f=W总−W有s
总结三种方式做的功有哪些
了解有用功、额外功和总功的概念和关系
计算有用功、额外功和总功
知道使用简单机械不能省功
思考机械的利用率
了解机械效率的概念及计算公式
了解减少额外功能增大机械效率
能区分机械效率和机械功率
探究斜面的机械效率
计算机械效率
了解机械效率的影响因素并知道原因
了解怎样求斜面的摩擦力
课
堂
练
习
例1. 关于机械效率，下列说法正确的是（ ）
A.机械效率越大，越省力
B.机械效率越大，做功越多
C.机械效率越大，功率越大
D.机械效率越大，额外功在总功中所占的比例越小
【答案】D
【解析】A.机械效率是指有用功与总功的比值，其大小与机械的省力情况没有关系，故A错误；
B.机械效率越大，则有用功在总功中所占的比例越大，与机械做功的多少没有关系，故B错误；
C.机械效率反映有用功在总功中占比大小，功率表示机械做功的快慢，两者无关，故C错误；
D. 由公式η=W有W有+W额×100%可知，机械效率越大，有用功在总功中占比越大，则额外功在总功中占比越小，故D正确。
故选D。
例2. 如图所示，有一个斜面长s为1.2m、高h为0.3m，现将一个重为16N的物体沿斜面向上从底端匀速拉到顶端，若拉力F为5N，则（ ）
A.物体沿斜面匀速上升时动能转化为重力势能
B.拉物体的速度越快，斜面的机械效率越高
C.该斜面的机械效率是90%
D.斜面上物体受到的摩擦力为1N
【答案】D
【解析】A.物体沿斜面匀速上升速度不变则动能不变，高度增大则重力势能增大，无转化关系，故A错误；
B.斜面机械效率的大小与有用功和总功的大小有关，与物体运动的速度无关，故B错误；
C.有用功W有=Gh=16N×0.3m=4.8J，总功W总=Fs=5N×1.2m=6J，则斜面的机械效率η=W有W总×100%=4.8J6J×100%=80%，故C错误。
D.克服阻力做的额外功W额=W总-W有=6J-4.8J=1.2J，f=W额s=，故D正确。
故选D
例3. 如图所示，物重G为2000N，小金用800N的拉力花2s的时间把物体沿斜面匀速移动了4m，提升高度为h为2.5m。（不计滑轮、细绳的重。不计细绳与滑轮间的摩擦）。下列说法正确的是（ ）
A.拉绳子自由端的速度4m/s
B.拉力所做的功大小为5000J
C.整个系统的机械效率为78.125%
D.物体受到斜面对它的摩擦力为1150N
【答案】D
【解析】A.由图可知，滑轮组绳子的有效股数n=3，则绳端移动的距离s=nh=3×4m=12m，绳子自由端的速度v=st=12m2s=6m/s，故A错误；
B.拉力所做的功W总=Fs=800N×12m=9600J，故B错误；
C.有用功W有=Gℎ=2000N×2.5m=5000J，整个系统的机械效率η=W有W总×100%=5000J9600J×100%=52.08% ，故C错误；
D.因不计滑轮、细绳的重、不计细绳与滑轮间的摩擦时，额外功即为物体克服摩擦力做的功，所以，克服摩擦力所做的额外功W额=W总-W有=9600J-5000J=4600J，物体受到斜面对它的摩擦力f=W额L=4600J4m=1150N，故D正确。
故选D
例4.如图所示为某汽车起重机利用卷扬机吊起物体A的示意图。卷扬机把质量为2.7×103kg的物体A以0.1m/s的速度匀速提升。卷扬机牵引力F为104N，不计绳重与摩擦。求：
（1）卷扬机牵引力的功率；
（2）动滑轮的重力；
（3）滑轮组的机械效率。
【答案】（1）3000W（2）3000N（3）90%
解：（1）由图知道，n=3，自由端移动的速度为v=nv物=3×0.lm/s=0.3m/s，则卷扬机牵引力的功率P=Fv=10N×0.3m/s=3000W；
（2）不计绳重与摩擦，根据F=1n(mg+G动)，动滑轮的重力为G动=nF−mg=3×104N−2.7×103kg×10N/kg=3000N
（3）该滑轮组的机械效率为η=W有W总×100%=mgℎFs=mgℎFnℎ=mgnF=2.7×103kg×10N/kg3×104N=90%
课
堂
小
结
1.机械效率
（1）有用功：为了达到某一目的必须要做的功，用W有表示；
额外功：利用机械时，人们不得不额外做的功，用W额表示；
总功：有用功与额外功的和，用W总表示。W总＝W有＋W额（总功必定大于有用功）
（2）科学上把有用功跟总功的比值叫做机械效率，η=W有用W总×100%
注意：①机械效率表示的是有用功占总功的比例，不能反映有用功或总功的多少；
②机械效率总是小于１；
③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）提高机械效率的方法：增加有用功，如在机械能承受的范围内增加每次提起重物的重力；减小额外功，如改进结构使机械更合理、更轻巧，尽量减小摩擦力等。
（4）斜面
斜面是一种简单机械，使用它省力但费距离，其机械效率为η＝W有用W总×100%=GℎFL×100%
影响斜面机械效率的因素：斜面倾斜程度、斜面粗糙程度。粗糙程度相同的斜面，斜面倾斜程度越大，斜面的机械效率越高。若斜面光滑无摩擦，则无额外功，有用功等于总功。
板
书
设
计
作
业
设
计
反
思
评
价