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八年级下册12.3 机械效率教案及反思
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这是一份八年级下册12.3 机械效率教案及反思，共13页。教案主要包含了三个名词，机械效率，测滑轮组机械效率等内容，欢迎下载使用。
设计说明
“机械效率”这一节首先让学生认识什么是有用功、总功和额外功，然后再结合机械的特点认识机械效率。教学中，要从学生熟知的简单机械——滑轮入手，分析利用它提升物体时的有用功、总功和额外功，然后再讲解机械效率。其中可以给学生通俗的讲解有用功、总功和额外功，如有用功是指人们在利用机械时为完成某种目的而做的功，或者说是相当于人们不用机械而直接用手所做的功；总功是指人们利用机械所做的功，或者说是人的动力F所做的功；额外功是指人们在利用机械时不想做但又不得不做的功，或者说是克服某种阻力或机械自身重力而做的功。机械效率就是有用功在总功中所占的比例，其大小永远小于1，因为额外功是不可避免的。了解了机械效率的含义后，根据机械效率的计算公式η=进行了一些简单的练习就可以将该部分掌握得较为熟练了。
教学中要组织学生经历测量的全过程，如让学生经历组装实验装置—测量数据—得出结论的过程，既能增加学习兴趣，又能增加实践体验。
教学目标
1.能结合实例知道有用功、额外功、总功的含义，并理解它们之间的关系。
2.通过对实例的分析，理解机械效率，并能计算简单的机械效率。
3.通过实验了解滑轮组机械效率的高低与物体重力的大小有关。
教学重点难点
1.重点：能结合实例认识什么是有用功、额外功和总功；理解机械效率的概念，会利用公式η=进行有关计算。
2.难点：会分析影响机械效率大小的因素，指出提高机械效率的方法。
教具
学生用：滑轮组一套、弹簧测力计一个、钩码一盒、斜面一组。
教师用：滑轮组、钩码、弹簧测力计、斜面。另有电化教学器材、教学光盘。
教学过程
回顾思考
1.功的计算公式：______ __。
2.省力杠杆的特点：省________费________；费力杠杆的特点：费________省________。
3.使用滑轮组时，不计摩擦和绳重，拉力F=（G+________）；绳子自由端移动的距离s=________。
导入新课
1.多媒体导入：
小明家最近买了一处新楼房，三楼。想把洗手间、厨房装修一下，需把沙子运到三楼。假如我们用下面三种方法搬运沙子，你认为哪一种方法最好？为什么？
同学们讨论后能回答出第③种方法最好，因为第③种方法做的额外功最少。
教师：工作中，我们总是希望额外功越少越好，也就是有用功在总功中所占的比例越大越好。今天我们就来学习机械效率。板书课题。
2.实验导入：
提出问题：直接提升物体做功，与使用机械提升物体做功相同吗？
演示实验：
通过让学生分析、思考前后两次拉同样重的钩码到相同的高度，手做功为什么不相同？学生猜想之后揭开谜底：一个是用手直接做功，而另一个是用机械（动滑轮）做功。通过机械做功可以省力但不省功，同学们思考：为什么用机械做的功大于不用机械而直接用手做的功呢？
学了机械效率同学们就明白了。板书课题。
进行新课
探究点一 认识有用功和额外功
通过前面的学习我们知道简单机械在日常生活中的应用非常广泛，给人们的生活带来很大的便利，可以省很大的力。那么机械的使用省不省功呢？
1.实验：使用动滑轮提升重物是否省功
提出问题：不使用机械直接提升物体做的功，与使用机械提升物体做的功一样吗？
实验1 如图甲，用弹簧测力计将钩码缓慢匀速提升一定高度，读出弹簧测力计的示数并计算出拉力所做的功。
实验2 如图乙，利用动滑轮将同样的钩码缓慢匀速提升相同的高度，读出弹簧测力计的示数并计算拉力所做的功。
分析论证：比较两个实验中拉力所做的功的大小。结果表明，实验2中拉力做的功多一些。可见，利用动滑轮提升物体与直接用手提升物体相比较，并不省功。
评估：利用动滑轮提升物体多做的功来源于哪里呢？
（使用动滑轮的确省了一半力，但拉力移动的距离增加了一倍，加上动滑轮的自重、摩擦等因素影响，使用动滑轮提升物体非但不省功，还要多做功。）
2.多媒体演示：
思考：用动滑轮提升沙子的过程。
（1）该过程中，人们的目的是什么？
（2）为了达到人们的目的所做的功怎么计算？
（3）在提升沙子的过程中，你觉得哪部分功是我们不想做的？若要计算，应如何计算？这部分功可以不做吗？
引导学生根据做功的目的，利用功的计算公式进行回答。
归纳与总结：人们在利用机械做功的过程中，为了达到某种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额外功（如克服桶重、绳子重而做的功），额外功是不可避免的。
区分额外功和有用功：
实例1 用水桶从井中提水，对哪个物体做的功是有用功？对哪个物体做的功是额外功？
实例2 打捞掉到井里的水桶，捞上的桶里带了一些水。对哪个物体做的功是有用功？对哪个物体做的功是额外功？
分析：从目的出发，要提水，故提升水做的功是有用功；此过程中对桶也做了功，提升桶做的功就是额外功。要提桶，故提升桶做的功是有用功；此过程中对桶中的水也做了功，对这些水做的功就是额外功。
教师：有用功可以理解为在使用机械的过程中，相当于不用机械而直接用手所做的功；额外功是指克服机械自重及摩擦而做的功。有用功和额外功的计算要因机械不同而用不同的计算方法，如在用滑轮组水平拉动物体的过程中，有用功就是克服物体与水平面之间的摩擦力而做的功。
结论：以提升钩码为例
（1）提升钩码所做的功是人们必须做的且对人们有用的功，叫做有用功，用W有表示，其大小等于不用机械直接对钩码做的功；
（2）克服动滑轮重及摩擦等所做的功是人们不需要但又不得不做的功，叫做额外功，用W额表示；
（3）有用功与额外功的总和，叫做总功，用W总表示。W总=W有+W额。
注意：
额外功的产生原因：一是克服机械自重做功；二是克服摩擦做功。
例题讲解：（学生先练习，若有问题，教师补充讲解）
例1 在如图所示中，s=60 cm，与之对应的h=30 cm。现用弹簧测力计进行两次操作：
（1）沿竖直方向匀速提升小车；
（2）沿斜面方向匀速拉动小车，记录数据如下表。
分析数据有如下一些发现。其中，具有较高水平的发现是（ ）
A.沿斜面拉动时，拉力比小车的重力小
B.弹簧测力计示数与移动距离近似成反比
C.利用斜面可以省力，但不能少做功
D.可以计算力所做的功，且两次做功近似相等
解析：分析题表中的数据可知，A选项中的发现是通过测量直观得到的，不是具有较高水平的发现；竖直提升小车的过程中，弹簧测力计的示数不变，与移动距离无关，沿斜面拉动小车的过程中，弹簧测力计的示数也不变，与移动距离无关，所以B选项的结论是错误的；利用公式W=Fs计算力所做的功，W1=F1s1=10 N×0.3 m=3 J，W2=F2s2=5.2 N×0.6 m=3.12 J，两次做功近似相等，D选项的结论正确，C选项的结论是在D选项结论基础上的延伸，故C选项是具有较高水平的发现。具有较高水平的发现是使用任何机械都不省功，这个结论叫做功的原理。
答案：C
例2 李铃同学值日时用水桶提水从一楼上三楼，她做的有用功是（ ）
A.对桶所做的功B.对水所做的功
C.对水和桶所做的功D.对水、桶和人所做的功
解析：李铃同学的目的是提水，所以克服水的重力所做的功是有用功，而对人和桶所做的功是额外功，故B正确。
答案：B
探究点二 认识总功
提出问题：既然有用功是人们想做的功，额外功是人们不想做但又不得不做的功，那么人们利用机械所做的功叫什么？
引导学生思考在利用机械做功的过程中，还有没有其他的功存在？
总结与归纳：人们在利用机械达到某种目的的时候，实际做的功等于有用功和额外功的总和，称为总功，表达式为W总=W有+W额。
点拨：总功是有用功与额外功的总和，也是人们在利用机械时所做的功，或者说是动力所做的功，因此其表达式也可以写作W总=F动s。
例题讲解：（学生先练习，若有问题，教师补充讲解）
例3 用一个动滑轮将重为500 N的重物提高1 m，所用的拉力为300 N，绳自由端移动2 m，则在此过程中，有用功为________，总功为________，额外功为________。
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总功，即W总=Fs=300 N×2 m=600 J；因为W总=W有+W额，所以额外功W额=W总-W有=600 J-500 J=100 J。
答案：500 J 600 J 100 J
探究点三 机械效率
1.认识机械效率
阅读教材第86页“机械效率”内容，回答下列问题。
（1）机械效率的定义是________。
（2）机械效率的计算公式是________。
教师：正确理解机械效率，主要有以下五点。
（1）机械效率是有用功与总功之比，它只有大小，没有单位。
（2）由于额外功总是存在的，所以有用功总小于总功，机械效率总是小于1。
（3）机械效率是表征机械做功性能好坏的物理量，机械效率越高，这个机械的性能越好。
（4）机械效率的高低与是否省力、滑轮组绳子的绕法、物体提升的高度无关。
（5）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。
2.机械效率的计算
学生练习：请同学们计算例3中动滑轮的机械效率。
解：根据机械效率的计算公式可得
η==≈83.3%。
拓展：引导学生进行下列推导：
机械效率的计算公式在不同的机械中表达方式一般不同。
（1）杠杆：η==。
（G为提升重物的重力，h为重物升高的高度，F为动力的大小，s为动力作用点移动的距离。）
（2）悬挂式滑轮组
①η====。
②不计绳重及摩擦时，有η===。
（G为提升重物的重力，G动为动滑轮的重力，h为重物上升的高度，s为绳子自由端移动的距离，n为承担物重的绳子段数。）
（3）水平放置式滑轮组：η====。
（F摩表示物体与水平面之间的摩擦阻力，F表示动力的大小，s表示物体移动的距离，l表示动力F移动的距离，n表示承担摩擦阻力的绳子段数。）
（4）斜面：η==。
（G为提升重物的重力，h为重物升高的高度，F为动力的大小，l为重物沿斜面运动的距离。）
教师：在利用各个公式计算时应注意以下几点。
（1）公式中的各个物理量都是针对同一个研究对象而言的，即具有公式的同一性。
（2）公式中各个物理量的单位应该统一，即具有公式的统一性。
（3）机械效率具有“可变性”，由公式η=可知，如果该机械的额外功一定，有用功越大，机械效率越大。比如，在条件允许的情况下，用一个滑轮组将一块巨石和一块小石头分别提升相同的高度，前者的机械效率就大一些。因此，同一个机械的效率也并不是固定不变的。
例题讲解：（学生先练习，若有问题，教师补充讲解）
例4 在修建天水市体育中心的施工过程中，起重机在4 s内将质量为5×103 kg的钢材沿竖直方向匀速提升了2 m，而它的电动机做的功是2×105 J。（g取10 N/kg）求：
（1）钢材上升过程中的速度。
（2）起重机对钢材所做的有用功。
（3）起重机的机械效率。
解析：（1）已知时间t=4 s，提升的高度s=2 m，可据v=求出速度。
（2）起重机工作时，克服被提升钢材自重做的功是有用功，可由W有=Gh求得。
（3）电动机做的功是总功，W总=2×105 J，可由η=求出机械效率。
解：（1）钢材上升过程中的速度：
v===0.5 m/s。
（2）钢材的重力：
G=mg=5×103 kg×10 N/ kg=5×104 N，
起重机对钢材所做的有用功：
W有=Gh=5×104 N×2 m=1×105 J。
（3）由题知，电动机做的总功W总=2×105 J，
则起重机的机械效率：
η===50%。
例5 一辆质量为1.5×103 kg的汽车陷入一泥泞路段，司机师傅利用滑轮组和周围条件，组装成了如图所示的拖车装置。已知汽车通过泥泞路段需移动8 m距离，汽车在泥泞路段受到的阻力为车重的0.1，滑轮组的机械效率为80%，g取10 N/kg。在将车匀速拖离泥泞路段过程中，求：
（1）做的有用功；
（2）作用在绳子自由端的拉力。
解析：（1）已知汽车所受阻力为车重的0.1，故由公式f=0.1mg可以求得汽车所受的阻力；汽车匀速运动，牵引力F牵=f，所做有用功W有=F牵s车。
（2）由题图可知，汽车牵引力由3段绳子承担，故绳子自由端移动的距离s绳=3s车，总功由公式
W总=可以求得，故绳子自由端的拉力为F=。
解：（1）汽车所受的阻力f=0.1mg=0.1×1.5×103 kg×10 N/kg=1.5×103 N
将车匀速拖离过程中，由二力平衡得，牵引力F牵=f=1.5×103 N
所做的有用功
W有=F牵s车=1.5×103 N×8 m=1.2×104 J。
（2）绳子自由端移动的距离s绳=3s车=3×8 m=24 m
由η=得，W总===1.5×104 J
由W总=Fs绳得，拉力F===625 N。
探究点四 测量滑轮组的机械效率
阅读教材第87页“实验”内容，思考以下问题。
1.实验原理
（1）用滑轮组提升重物时，有用功和总功分别是什么？
____ ____，_____ ___（W有=Gh，W总=Fs）
（2）测量滑轮组的机械效率的原理是什么？
η=_____ ___=______ __
2.实验需要哪些测量器材？
（1）实验需要测量哪些物理量？
____ ____、______ __、______ __、______ __（钩码重G、钩码上升的高度h、拉力F、绳端移动的距离s）
（2）应该选择哪些测量工具？
____ ____、_____ ___（弹簧测力计、刻度尺）
3.探究滑轮组机械效率与钩码重G的关系
如何探究滑轮组机械效率与钩码重G的关系？
（测出用同一滑轮组提升不同重力的钩码时的机械效率进行比较。如图及表一，比较①②两次实验数据。）
表一
（说明：为了实验的准确，可根据需要增加实验的次数。）
4.探究滑轮组机械效率与钩码提升高度h的关系
如何探究滑轮组机械效率与钩码提升高度h的关系？
（测出用同一滑轮组提升相同钩码至不同高度时的机械效率进行比较。如图及表二，比较②③两次实验数据。）
表二
5.探究滑轮组机械效率与动滑轮重G动的关系
如何探究滑轮组机械效率与动滑轮重G动的关系？
（组装动滑轮个数不同的滑轮组，分别测出用它们提升相同重力的钩码时的机械效率，进行比较。如上图和右图及表三，比较③④两次实验数据。）
表三
6.探究滑轮组机械效率与吊起动滑轮绳子
段数n的关系
如何探究滑轮组机械效率与吊起动滑轮绳子段数n的关系？
（用相同滑轮组装成绳子段数不同的滑轮组，分别测出用它们提升相同重力的钩码时的机械效率进行比较。如上图和右图及表四，比较②⑤两次实验数据。）
表四
7.实验结论
（1）比较①②两次机械效率的大小，可以知道同一滑轮组的机械效率与________有关，即同一滑轮组________越大，滑轮组的机械效率越大。
（2）比较________两次机械效率的大小，可以知道滑轮组的机械效率与钩码提升高度h________。
（3）比较③④两次机械效率的大小，可以知道滑轮组的机械效率与________有关，即滑轮组________越大，滑轮组的机械效率越小。
（4）比较________两次机械效率的大小，可以知道滑轮组的机械效率与吊起动滑轮的绳子段数n________（选填“有”或“无”）关。
8.提高机械效率的方法
尽量减小额外功，采取减轻机械本身的质量和加润滑油减小摩擦等方法。
当额外功一定时，在机械承受的范围内增加所做的有用功（如使用滑轮组提升物体时，在绳子能承受的拉力范围内，尽可能增加每次提升重物的质量），充分发挥机械的作用。
例题讲解：（学生先练习，若有问题，教师补充讲解）
例6 如图所示是智慧小组“测滑轮组的机械效率”的实验装置。测得的实验数据如表。
（1）实验过程中，应竖直向上________拉动弹簧测力计。
（2）第三次实验中滑轮组的机械效率是________。
（3）分析表中实验数据可知，同一滑轮组，物重________，滑轮组的机械效率越高。
（4）若在第三次实验中，物体上升的速度为0.1 m/s，则拉力F的功率为________W。
（5）创新小组也利用重为1 N、2 N、4 N的物体进行了三次实验，每次测得的机械效率均大于智慧小组的测量值，则创新小组测量值偏大的原因可能是________。（填字母）
A.测拉力时，弹簧测力计未调零，指针指在零刻度线下方
B.弹簧测力计每次拉动物体时均加速上升
C.所使用的动滑轮的重力小于智慧小组
解析：（1）实验过程中，应竖直向上匀速缓慢拉动弹簧测力计，此时拉力大小等于弹簧测力计示数。
（2）第三次实验中滑轮组的机械效率是
η===≈74.1%。
（3）分析表中实验数据可知，同一滑轮组，物重越大，滑轮组的机械效率越高。
（4）在第三次实验中，F=1.8 N，物体上升的速度为0.1 m/s，则绳子自由端的速度v=3×0.1 m/s=0.3 m/s，则拉力F的功率P===Fv=1.8 N×0.3 m/s=0.54 W。
（5）若测拉力时，弹簧测力计未调零，指针指在零刻度线下方，测得的拉力会偏大，机械效率变小，A不符合题意；弹簧测力计每次拉动物体时均加速上升，拉力变大，机械效率变小，B不符合题意；使用的动滑轮的重力小于智慧小组，克服动滑轮做的功减小，额外功减小，机械效率变大，C符合题意。
答案：（1）匀速缓慢 （2）74.1% （3）越大 （4）0.54 （5）C
例7 在探究“影响滑轮组机械效率高低的因素”时，同学们提出了下列猜想
（1）滑轮组机械效率高低可能与动滑轮重有关；
（2）滑轮组机械效率高低可能与被提升的物重有关；
（3）滑轮组机械效率高低可能与物体提升高度有关；
（4）滑轮组机械效率高低可能与承重绳子股数有关。
小明同学设计了如图12-3-25所示的两个滑轮组，进行对比实验来验证提出的猜想，则该实验验证的猜想是________。
A.（1）B.（2）C.（3）D.（4）
解析：比较两滑轮组可知，承担绳子的股数相同，滑轮组绕线方式相同，滑轮个数相同，提升高度也可以相同，而两个滑轮组提升物体的重力不同，结合控制变量法的思想，所以该实验装置探究的是滑轮组的机械效率与被提升物体重力的关系，即验证的是猜想（2），故选B。
答案：B
课堂小结
本节课我们主要学习了：
1.有用功、额外功、总功的概念及计算；
2.机械效率的含义及计算；
3.测量滑轮组的机械效率。
为了检验一下学习效果，下面请同学们完成“当堂达标”测试题。
布置作业
教材第88页“动手动脑学物理”第1至4题。
板书设计
G/ N
h/m
W直/J
F/ N
s/m
W机/J
2
0.1
0.2
1.2
0.2
0.24
弹簧测力计示数/N
移动距离/cm
竖直提升
10
30
沿斜面拉动
5.2
60
实验 序号
钩码重 G/N
钩码提升高度h/m
拉力F/ N
绳自由端移动的距离s/m
有用功W有/J
总功W总/J
机械
效率 η
①
2
0.1
②
3
0.1
实验 序号
钩码重 G/N
钩码提升高度h/m
拉力 F/N
绳自由端移动的距离s/m
有用功W有/J
总功 W总/J
机械 效率 η
③
3
0.2
实验 序号
钩码重G/N
钩码提升高度h/m
拉力F/N
绳自由端移动的距离s/m
有用功W有/J
总功W总/J
机械
效率 η
④
3
0.2
实验 序号
钩码重G/ N
钩码提升高度h/m
拉力F/ N
绳自由端移动的距离s/m
有用功W有/J
总功W总/J
机械
效率 η
⑤
3
0.1
实验次数
物重G/N
物体上升
高度h/m
拉力F/N
绳端移动距离s/m
机械效率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
一、三个名词
（1）有用功：利用机械工作时，对人们有用的功叫做有用功，用W有表示。
（2）额外功：利用机械工作时，并非人们需要但又不得不做的功叫做额外功，用W额表示。
（3）总功：有用功与额外功的总和叫做总功，用W总表示，W总=W有+W额。
二、机械效率
（1）概念：物理学中，将有用功跟总功的比值叫做机械效率。
（2）公式：η=。
（3）注意：对于实际机械，总是有额外功存在，η<1。
三、测滑轮组机械效率
（1）匀速竖直拉动。
（2）影响滑轮组机械效率的因素：物重、动滑轮重、摩擦等。
设计说明
“机械效率”这一节首先让学生认识什么是有用功、总功和额外功，然后再结合机械的特点认识机械效率。教学中，要从学生熟知的简单机械——滑轮入手，分析利用它提升物体时的有用功、总功和额外功，然后再讲解机械效率。其中可以给学生通俗的讲解有用功、总功和额外功，如有用功是指人们在利用机械时为完成某种目的而做的功，或者说是相当于人们不用机械而直接用手所做的功；总功是指人们利用机械所做的功，或者说是人的动力F所做的功；额外功是指人们在利用机械时不想做但又不得不做的功，或者说是克服某种阻力或机械自身重力而做的功。机械效率就是有用功在总功中所占的比例，其大小永远小于1，因为额外功是不可避免的。了解了机械效率的含义后，根据机械效率的计算公式η=进行了一些简单的练习就可以将该部分掌握得较为熟练了。
教学中要组织学生经历测量的全过程，如让学生经历组装实验装置—测量数据—得出结论的过程，既能增加学习兴趣，又能增加实践体验。
教学目标
1.能结合实例知道有用功、额外功、总功的含义，并理解它们之间的关系。
2.通过对实例的分析，理解机械效率，并能计算简单的机械效率。
3.通过实验了解滑轮组机械效率的高低与物体重力的大小有关。
教学重点难点
1.重点：能结合实例认识什么是有用功、额外功和总功；理解机械效率的概念，会利用公式η=进行有关计算。
2.难点：会分析影响机械效率大小的因素，指出提高机械效率的方法。
教具
学生用：滑轮组一套、弹簧测力计一个、钩码一盒、斜面一组。
教师用：滑轮组、钩码、弹簧测力计、斜面。另有电化教学器材、教学光盘。
教学过程
回顾思考
1.功的计算公式：______ __。
2.省力杠杆的特点：省________费________；费力杠杆的特点：费________省________。
3.使用滑轮组时，不计摩擦和绳重，拉力F=（G+________）；绳子自由端移动的距离s=________。
导入新课
1.多媒体导入：
小明家最近买了一处新楼房，三楼。想把洗手间、厨房装修一下，需把沙子运到三楼。假如我们用下面三种方法搬运沙子，你认为哪一种方法最好？为什么？
同学们讨论后能回答出第③种方法最好，因为第③种方法做的额外功最少。
教师：工作中，我们总是希望额外功越少越好，也就是有用功在总功中所占的比例越大越好。今天我们就来学习机械效率。板书课题。
2.实验导入：
提出问题：直接提升物体做功，与使用机械提升物体做功相同吗？
演示实验：
通过让学生分析、思考前后两次拉同样重的钩码到相同的高度，手做功为什么不相同？学生猜想之后揭开谜底：一个是用手直接做功，而另一个是用机械（动滑轮）做功。通过机械做功可以省力但不省功，同学们思考：为什么用机械做的功大于不用机械而直接用手做的功呢？
学了机械效率同学们就明白了。板书课题。
进行新课
探究点一 认识有用功和额外功
通过前面的学习我们知道简单机械在日常生活中的应用非常广泛，给人们的生活带来很大的便利，可以省很大的力。那么机械的使用省不省功呢？
1.实验：使用动滑轮提升重物是否省功
提出问题：不使用机械直接提升物体做的功，与使用机械提升物体做的功一样吗？
实验1 如图甲，用弹簧测力计将钩码缓慢匀速提升一定高度，读出弹簧测力计的示数并计算出拉力所做的功。
实验2 如图乙，利用动滑轮将同样的钩码缓慢匀速提升相同的高度，读出弹簧测力计的示数并计算拉力所做的功。
分析论证：比较两个实验中拉力所做的功的大小。结果表明，实验2中拉力做的功多一些。可见，利用动滑轮提升物体与直接用手提升物体相比较，并不省功。
评估：利用动滑轮提升物体多做的功来源于哪里呢？
（使用动滑轮的确省了一半力，但拉力移动的距离增加了一倍，加上动滑轮的自重、摩擦等因素影响，使用动滑轮提升物体非但不省功，还要多做功。）
2.多媒体演示：
思考：用动滑轮提升沙子的过程。
（1）该过程中，人们的目的是什么？
（2）为了达到人们的目的所做的功怎么计算？
（3）在提升沙子的过程中，你觉得哪部分功是我们不想做的？若要计算，应如何计算？这部分功可以不做吗？
引导学生根据做功的目的，利用功的计算公式进行回答。
归纳与总结：人们在利用机械做功的过程中，为了达到某种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额外功（如克服桶重、绳子重而做的功），额外功是不可避免的。
区分额外功和有用功：
实例1 用水桶从井中提水，对哪个物体做的功是有用功？对哪个物体做的功是额外功？
实例2 打捞掉到井里的水桶，捞上的桶里带了一些水。对哪个物体做的功是有用功？对哪个物体做的功是额外功？
分析：从目的出发，要提水，故提升水做的功是有用功；此过程中对桶也做了功，提升桶做的功就是额外功。要提桶，故提升桶做的功是有用功；此过程中对桶中的水也做了功，对这些水做的功就是额外功。
教师：有用功可以理解为在使用机械的过程中，相当于不用机械而直接用手所做的功；额外功是指克服机械自重及摩擦而做的功。有用功和额外功的计算要因机械不同而用不同的计算方法，如在用滑轮组水平拉动物体的过程中，有用功就是克服物体与水平面之间的摩擦力而做的功。
结论：以提升钩码为例
（1）提升钩码所做的功是人们必须做的且对人们有用的功，叫做有用功，用W有表示，其大小等于不用机械直接对钩码做的功；
（2）克服动滑轮重及摩擦等所做的功是人们不需要但又不得不做的功，叫做额外功，用W额表示；
（3）有用功与额外功的总和，叫做总功，用W总表示。W总=W有+W额。
注意：
额外功的产生原因：一是克服机械自重做功；二是克服摩擦做功。
例题讲解：（学生先练习，若有问题，教师补充讲解）
例1 在如图所示中，s=60 cm，与之对应的h=30 cm。现用弹簧测力计进行两次操作：
（1）沿竖直方向匀速提升小车；
（2）沿斜面方向匀速拉动小车，记录数据如下表。
分析数据有如下一些发现。其中，具有较高水平的发现是（ ）
A.沿斜面拉动时，拉力比小车的重力小
B.弹簧测力计示数与移动距离近似成反比
C.利用斜面可以省力，但不能少做功
D.可以计算力所做的功，且两次做功近似相等
解析：分析题表中的数据可知，A选项中的发现是通过测量直观得到的，不是具有较高水平的发现；竖直提升小车的过程中，弹簧测力计的示数不变，与移动距离无关，沿斜面拉动小车的过程中，弹簧测力计的示数也不变，与移动距离无关，所以B选项的结论是错误的；利用公式W=Fs计算力所做的功，W1=F1s1=10 N×0.3 m=3 J，W2=F2s2=5.2 N×0.6 m=3.12 J，两次做功近似相等，D选项的结论正确，C选项的结论是在D选项结论基础上的延伸，故C选项是具有较高水平的发现。具有较高水平的发现是使用任何机械都不省功，这个结论叫做功的原理。
答案：C
例2 李铃同学值日时用水桶提水从一楼上三楼，她做的有用功是（ ）
A.对桶所做的功B.对水所做的功
C.对水和桶所做的功D.对水、桶和人所做的功
解析：李铃同学的目的是提水，所以克服水的重力所做的功是有用功，而对人和桶所做的功是额外功，故B正确。
答案：B
探究点二 认识总功
提出问题：既然有用功是人们想做的功，额外功是人们不想做但又不得不做的功，那么人们利用机械所做的功叫什么？
引导学生思考在利用机械做功的过程中，还有没有其他的功存在？
总结与归纳：人们在利用机械达到某种目的的时候，实际做的功等于有用功和额外功的总和，称为总功，表达式为W总=W有+W额。
点拨：总功是有用功与额外功的总和，也是人们在利用机械时所做的功，或者说是动力所做的功，因此其表达式也可以写作W总=F动s。
例题讲解：（学生先练习，若有问题，教师补充讲解）
例3 用一个动滑轮将重为500 N的重物提高1 m，所用的拉力为300 N，绳自由端移动2 m，则在此过程中，有用功为________，总功为________，额外功为________。
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总功，即W总=Fs=300 N×2 m=600 J；因为W总=W有+W额，所以额外功W额=W总-W有=600 J-500 J=100 J。
答案：500 J 600 J 100 J
探究点三 机械效率
1.认识机械效率
阅读教材第86页“机械效率”内容，回答下列问题。
（1）机械效率的定义是________。
（2）机械效率的计算公式是________。
教师：正确理解机械效率，主要有以下五点。
（1）机械效率是有用功与总功之比，它只有大小，没有单位。
（2）由于额外功总是存在的，所以有用功总小于总功，机械效率总是小于1。
（3）机械效率是表征机械做功性能好坏的物理量，机械效率越高，这个机械的性能越好。
（4）机械效率的高低与是否省力、滑轮组绳子的绕法、物体提升的高度无关。
（5）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。
2.机械效率的计算
学生练习：请同学们计算例3中动滑轮的机械效率。
解：根据机械效率的计算公式可得
η==≈83.3%。
拓展：引导学生进行下列推导：
机械效率的计算公式在不同的机械中表达方式一般不同。
（1）杠杆：η==。
（G为提升重物的重力，h为重物升高的高度，F为动力的大小，s为动力作用点移动的距离。）
（2）悬挂式滑轮组
①η====。
②不计绳重及摩擦时，有η===。
（G为提升重物的重力，G动为动滑轮的重力，h为重物上升的高度，s为绳子自由端移动的距离，n为承担物重的绳子段数。）
（3）水平放置式滑轮组：η====。
（F摩表示物体与水平面之间的摩擦阻力，F表示动力的大小，s表示物体移动的距离，l表示动力F移动的距离，n表示承担摩擦阻力的绳子段数。）
（4）斜面：η==。
（G为提升重物的重力，h为重物升高的高度，F为动力的大小，l为重物沿斜面运动的距离。）
教师：在利用各个公式计算时应注意以下几点。
（1）公式中的各个物理量都是针对同一个研究对象而言的，即具有公式的同一性。
（2）公式中各个物理量的单位应该统一，即具有公式的统一性。
（3）机械效率具有“可变性”，由公式η=可知，如果该机械的额外功一定，有用功越大，机械效率越大。比如，在条件允许的情况下，用一个滑轮组将一块巨石和一块小石头分别提升相同的高度，前者的机械效率就大一些。因此，同一个机械的效率也并不是固定不变的。
例题讲解：（学生先练习，若有问题，教师补充讲解）
例4 在修建天水市体育中心的施工过程中，起重机在4 s内将质量为5×103 kg的钢材沿竖直方向匀速提升了2 m，而它的电动机做的功是2×105 J。（g取10 N/kg）求：
（1）钢材上升过程中的速度。
（2）起重机对钢材所做的有用功。
（3）起重机的机械效率。
解析：（1）已知时间t=4 s，提升的高度s=2 m，可据v=求出速度。
（2）起重机工作时，克服被提升钢材自重做的功是有用功，可由W有=Gh求得。
（3）电动机做的功是总功，W总=2×105 J，可由η=求出机械效率。
解：（1）钢材上升过程中的速度：
v===0.5 m/s。
（2）钢材的重力：
G=mg=5×103 kg×10 N/ kg=5×104 N，
起重机对钢材所做的有用功：
W有=Gh=5×104 N×2 m=1×105 J。
（3）由题知，电动机做的总功W总=2×105 J，
则起重机的机械效率：
η===50%。
例5 一辆质量为1.5×103 kg的汽车陷入一泥泞路段，司机师傅利用滑轮组和周围条件，组装成了如图所示的拖车装置。已知汽车通过泥泞路段需移动8 m距离，汽车在泥泞路段受到的阻力为车重的0.1，滑轮组的机械效率为80%，g取10 N/kg。在将车匀速拖离泥泞路段过程中，求：
（1）做的有用功；
（2）作用在绳子自由端的拉力。
解析：（1）已知汽车所受阻力为车重的0.1，故由公式f=0.1mg可以求得汽车所受的阻力；汽车匀速运动，牵引力F牵=f，所做有用功W有=F牵s车。
（2）由题图可知，汽车牵引力由3段绳子承担，故绳子自由端移动的距离s绳=3s车，总功由公式
W总=可以求得，故绳子自由端的拉力为F=。
解：（1）汽车所受的阻力f=0.1mg=0.1×1.5×103 kg×10 N/kg=1.5×103 N
将车匀速拖离过程中，由二力平衡得，牵引力F牵=f=1.5×103 N
所做的有用功
W有=F牵s车=1.5×103 N×8 m=1.2×104 J。
（2）绳子自由端移动的距离s绳=3s车=3×8 m=24 m
由η=得，W总===1.5×104 J
由W总=Fs绳得，拉力F===625 N。
探究点四 测量滑轮组的机械效率
阅读教材第87页“实验”内容，思考以下问题。
1.实验原理
（1）用滑轮组提升重物时，有用功和总功分别是什么？
____ ____，_____ ___（W有=Gh，W总=Fs）
（2）测量滑轮组的机械效率的原理是什么？
η=_____ ___=______ __
2.实验需要哪些测量器材？
（1）实验需要测量哪些物理量？
____ ____、______ __、______ __、______ __（钩码重G、钩码上升的高度h、拉力F、绳端移动的距离s）
（2）应该选择哪些测量工具？
____ ____、_____ ___（弹簧测力计、刻度尺）
3.探究滑轮组机械效率与钩码重G的关系
如何探究滑轮组机械效率与钩码重G的关系？
（测出用同一滑轮组提升不同重力的钩码时的机械效率进行比较。如图及表一，比较①②两次实验数据。）
表一
（说明：为了实验的准确，可根据需要增加实验的次数。）
4.探究滑轮组机械效率与钩码提升高度h的关系
如何探究滑轮组机械效率与钩码提升高度h的关系？
（测出用同一滑轮组提升相同钩码至不同高度时的机械效率进行比较。如图及表二，比较②③两次实验数据。）
表二
5.探究滑轮组机械效率与动滑轮重G动的关系
如何探究滑轮组机械效率与动滑轮重G动的关系？
（组装动滑轮个数不同的滑轮组，分别测出用它们提升相同重力的钩码时的机械效率，进行比较。如上图和右图及表三，比较③④两次实验数据。）
表三
6.探究滑轮组机械效率与吊起动滑轮绳子
段数n的关系
如何探究滑轮组机械效率与吊起动滑轮绳子段数n的关系？
（用相同滑轮组装成绳子段数不同的滑轮组，分别测出用它们提升相同重力的钩码时的机械效率进行比较。如上图和右图及表四，比较②⑤两次实验数据。）
表四
7.实验结论
（1）比较①②两次机械效率的大小，可以知道同一滑轮组的机械效率与________有关，即同一滑轮组________越大，滑轮组的机械效率越大。
（2）比较________两次机械效率的大小，可以知道滑轮组的机械效率与钩码提升高度h________。
（3）比较③④两次机械效率的大小，可以知道滑轮组的机械效率与________有关，即滑轮组________越大，滑轮组的机械效率越小。
（4）比较________两次机械效率的大小，可以知道滑轮组的机械效率与吊起动滑轮的绳子段数n________（选填“有”或“无”）关。
8.提高机械效率的方法
尽量减小额外功，采取减轻机械本身的质量和加润滑油减小摩擦等方法。
当额外功一定时，在机械承受的范围内增加所做的有用功（如使用滑轮组提升物体时，在绳子能承受的拉力范围内，尽可能增加每次提升重物的质量），充分发挥机械的作用。
例题讲解：（学生先练习，若有问题，教师补充讲解）
例6 如图所示是智慧小组“测滑轮组的机械效率”的实验装置。测得的实验数据如表。
（1）实验过程中，应竖直向上________拉动弹簧测力计。
（2）第三次实验中滑轮组的机械效率是________。
（3）分析表中实验数据可知，同一滑轮组，物重________，滑轮组的机械效率越高。
（4）若在第三次实验中，物体上升的速度为0.1 m/s，则拉力F的功率为________W。
（5）创新小组也利用重为1 N、2 N、4 N的物体进行了三次实验，每次测得的机械效率均大于智慧小组的测量值，则创新小组测量值偏大的原因可能是________。（填字母）
A.测拉力时，弹簧测力计未调零，指针指在零刻度线下方
B.弹簧测力计每次拉动物体时均加速上升
C.所使用的动滑轮的重力小于智慧小组
解析：（1）实验过程中，应竖直向上匀速缓慢拉动弹簧测力计，此时拉力大小等于弹簧测力计示数。
（2）第三次实验中滑轮组的机械效率是
η===≈74.1%。
（3）分析表中实验数据可知，同一滑轮组，物重越大，滑轮组的机械效率越高。
（4）在第三次实验中，F=1.8 N，物体上升的速度为0.1 m/s，则绳子自由端的速度v=3×0.1 m/s=0.3 m/s，则拉力F的功率P===Fv=1.8 N×0.3 m/s=0.54 W。
（5）若测拉力时，弹簧测力计未调零，指针指在零刻度线下方，测得的拉力会偏大，机械效率变小，A不符合题意；弹簧测力计每次拉动物体时均加速上升，拉力变大，机械效率变小，B不符合题意；使用的动滑轮的重力小于智慧小组，克服动滑轮做的功减小，额外功减小，机械效率变大，C符合题意。
答案：（1）匀速缓慢 （2）74.1% （3）越大 （4）0.54 （5）C
例7 在探究“影响滑轮组机械效率高低的因素”时，同学们提出了下列猜想
（1）滑轮组机械效率高低可能与动滑轮重有关；
（2）滑轮组机械效率高低可能与被提升的物重有关；
（3）滑轮组机械效率高低可能与物体提升高度有关；
（4）滑轮组机械效率高低可能与承重绳子股数有关。
小明同学设计了如图12-3-25所示的两个滑轮组，进行对比实验来验证提出的猜想，则该实验验证的猜想是________。
A.（1）B.（2）C.（3）D.（4）
解析：比较两滑轮组可知，承担绳子的股数相同，滑轮组绕线方式相同，滑轮个数相同，提升高度也可以相同，而两个滑轮组提升物体的重力不同，结合控制变量法的思想，所以该实验装置探究的是滑轮组的机械效率与被提升物体重力的关系，即验证的是猜想（2），故选B。
答案：B
课堂小结
本节课我们主要学习了：
1.有用功、额外功、总功的概念及计算；
2.机械效率的含义及计算；
3.测量滑轮组的机械效率。
为了检验一下学习效果，下面请同学们完成“当堂达标”测试题。
布置作业
教材第88页“动手动脑学物理”第1至4题。
板书设计
G/ N
h/m
W直/J
F/ N
s/m
W机/J
2
0.1
0.2
1.2
0.2
0.24
弹簧测力计示数/N
移动距离/cm
竖直提升
10
30
沿斜面拉动
5.2
60
实验 序号
钩码重 G/N
钩码提升高度h/m
拉力F/ N
绳自由端移动的距离s/m
有用功W有/J
总功W总/J
机械
效率 η
①
2
0.1
②
3
0.1
实验 序号
钩码重 G/N
钩码提升高度h/m
拉力 F/N
绳自由端移动的距离s/m
有用功W有/J
总功 W总/J
机械 效率 η
③
3
0.2
实验 序号
钩码重G/N
钩码提升高度h/m
拉力F/N
绳自由端移动的距离s/m
有用功W有/J
总功W总/J
机械
效率 η
④
3
0.2
实验 序号
钩码重G/ N
钩码提升高度h/m
拉力F/ N
绳自由端移动的距离s/m
有用功W有/J
总功W总/J
机械
效率 η
⑤
3
0.1
实验次数
物重G/N
物体上升
高度h/m
拉力F/N
绳端移动距离s/m
机械效率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
一、三个名词
（1）有用功：利用机械工作时，对人们有用的功叫做有用功，用W有表示。
（2）额外功：利用机械工作时，并非人们需要但又不得不做的功叫做额外功，用W额表示。
（3）总功：有用功与额外功的总和叫做总功，用W总表示，W总=W有+W额。
二、机械效率
（1）概念：物理学中，将有用功跟总功的比值叫做机械效率。
（2）公式：η=。
（3）注意：对于实际机械，总是有额外功存在，η<1。
三、测滑轮组机械效率
（1）匀速竖直拉动。
（2）影响滑轮组机械效率的因素：物重、动滑轮重、摩擦等。
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