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第五节机械效率【新课导思】如图是将沙子从一楼运往三楼的三种方式,若让你选择,你会选择哪种?当提升相同的重物时,拉力做功是否相同呢?【目标导学】1.会结合实例分析所做的有用功、额外功和总功。2.知道机械效率的意义,知道机械效率是小于1的。3.会利用机械效率的公式进行简单的计算。4.通过实验了解影响滑轮组机械效率高低的因素。【自主预习】1.总功、额外功、有用功:(以用动滑轮匀速提升钩码为例)(1)总功:_____所做的功,即W总。如拉力做的功。动力(2)额外功:对我们_____________________的功,即W额外。如克服滑轮的重力和滑轮转动时的摩擦阻力做的功。(3)有用功:对我们_____的功,即W有。如克服钩码重力做的功。(4)三者关系:___________。无用的、但又不得不做有用W总=W有+W额外2.机械效率:(1)定义:有用功和总功的_____。(2)公式:____________。W100%W有总比值(3)大小:任何机械的机械效率总小于1。(4)影响因素:提升物体_____和减少_____________。重力动滑轮的重力知识点一有用功、额外功和总功【做一做】如图甲所示,用弹簧测力计将钩码缓慢地提升一定高度。如图乙所示,换用动滑轮将钩码缓慢地提升相同的高度,分别计算拉力所做的功。1.使用动滑轮提升钩码比直接用弹簧测力计提升钩码做功________(选填“多”或“少”),原因是______。提示:无论是否使用滑轮,钩码都被提升,这部分是必须要做的功,使用动滑轮时,提升钩码不得不克服动滑轮本身所受的重力及摩擦力等因素多做功,所以用动滑轮提升钩码做的功比直接提升钩码做的功多。参考答案:多利用动滑轮提升钩码时,除了提升钩码做功外,还要克服动滑轮重力及摩擦力等做功。2.根据图乙所示提升钩码,分析有用功、额外功和总功。(1)提升钩码做的功是对我们__________的功,这部分功为______________,用W有表示,且W有=_________________________。(2)在用动滑轮提升钩码时,还需要克服摩擦、绳重、动滑轮重做一部分功,这部分功为______________,用W额表示。(3)使用机械做功时,拉力所做的功为______________,用W总表示,即W总=____________。它们之间的关系是____________________。提示:使用动滑轮时,对我们有用的功是提升钩码所做的功,即有用功W有=Gh;如果绳重和摩擦忽略不计,则克服动滑轮重做的功是不得不做的功,即额外功W额=G动h;使用机械做的功为总功W总=Fs。参考答案:(1)有用有用功Gh(2)额外功(3)总功FsW总=W有+W额【示范题1】(1)在打扫卫生的时候,小明将一桶水从一楼提到二楼。则小明对水做的功是__________功,对桶做的功是__________功。(2)利用某机械工作时,动力做的功是400J,其中额外功是100J,则动力做的有用功是________J。【精讲精析】(1)小明目的是提水,对水做的功为有用功;对桶做的功为额外功。(2)动力做的功为总功,则动力做的有用功W有用=W总-W额=400J-100J=300J。答案:(1)有用额外(2)300【微点拨】(1)有用功和总功的区别:有用功相当于不用机械而直接用手对物体做的功,总功是利用机械做的功。(2)一般情况下,使用动滑轮或滑轮组在竖直方向上匀速提升重物时,有用功W有=Gh;使用动滑轮或滑轮组在水平面上匀速移动物体时,有用功W有=f摩s。(3)有用功和额外功并不是绝对的,对一种情况来说是有用功,对另外一种情况来说可能是额外功。知识点二机械效率1.基本公式:η=×100%。2.机械效率的计算:(1)竖直匀速提升物体。①有用功:W有=Gh。②总功:W总=Fs=F·nh。③机械效率:η=×100%=×100%。WW有总WW有总GnF(2)匀速水平拉动物体。①有用功:有用功在数值上等于摩擦力与物体移动距离的乘积,即W有=fs物(f为摩擦力)。②总功:拉力F所做的功,即W总=Fs绳=F·ns物。③机械效率:η=×100%=×100%。WW有总fnF【示范题2】(南通中考)工人用如图所示装置在10s内将质量为45kg的货物匀速提升2m,此过程中拉力的功率为120W。(g取10N/kg)求:(1)有用功。(2)滑轮组的机械效率。(3)若工人用此装置匀速提升其他货物,测得拉力大小为300N,额外功占总功的20%,工人提升货物的重。【精讲精析】(1)货物的重力:G=mg=45kg×10N/kg=450N;有用功:W有用=Gh=450N×2m=900J。(2)拉力做的总功:W总=Pt=120W×10s=1200J;滑轮组的机械效率:η=×100%=×100%=75%。WW有用总900J1200J(3)由图可知n=3,已知额外功占总功的20%,则此时的机械效率η′=1-20%=80%;此时的机械效率:η′=,所以提升物体的重力:G′=η′nF=80%×3×300N=720N。答案:(1)900J(2)75%(3)720NWGhGhGWFsFnhnF有用总【备选例题】(镇江中考)用如图所示的滑轮组将重90N的货物匀速提升1m的过程中,所用拉力F=50N,不计绳重及滑轮与轴之间的摩擦。(1)求上述过程中的有用功W有;(2)求上述过程中的总功W总;(3)求滑轮组的机械效率η。【精讲精析】解答本题要掌握以下概念:有用功、总功、机械效率。(1)根据公式W有=Gh,得W有=Gh=90N×1m=90J(2)根据公式W总=Fs=50N×2×1m=100J(3)根据公式η=×100%=×100%=90%答案:(1)90J(2)100J(3)90%WW有总90J100J知识点三测滑轮组的机械效率1.实验原理:____________。参考答案:η=×100%WW有总2.实验设计与进行实验:如图所示。(1)用__________测量钩码所受的重力。(2)用__________测量钩码移动的距离和弹簧测力计移动的距离。(3)匀速拉动弹簧测力计使钩码上升,同时记下钩码上升的________和弹簧测力计的________;换不同的钩码多测几次。参考答案:(1)弹簧测力计(2)刻度尺(3)高度移动距离3.实验数据:次数钩码所受的重力G/N提升高度h/m有用功W有/J拉力F/N绳端移动的距离s/m总功W总/J机械效率η/%120.10.90.3240.11.60.3360.12.30.3(1)W有=______,W总=______。(用字母表示)(2)在空白表格中分别填写相应的数据。(3)分析实验数据得出:同一组滑轮组提升的重物________,滑轮组的机械效率越________。参考答案:(1)GhFs(2)提示:W有1=G1h1=2N×0.1m=0.2JW总1=F1·s1=0.9N×0.3m=0.27JW有2=G2h2=4N×0.1m=0.4JW总2=F2·s2=1.6N×0.3m=0.48JW有3=G3h3=6N×0.1m=0.6JW总3=F3·s3=2.3N×0.3m=0.69J则利用机械效率的公式η1==74.1%η2==83.3%η3==87.0%。11W0.2JW0.27J有总22W0.4JW0.48J有总33W0.6JW0.69J有总参考答案:第1次:0.20.2774.1第2次:0.40.4883.3第3次:0.60.6987.0(3)提示:分析1、2或1、3或2、3组实验,钩码的重力越小,机械效率越低,钩码的重力越大,机械效率越高。参考答案:越重高4.交流讨论:(1)能否直接测量滑轮组的额外功?参考答案:不能,克服绳重、动滑轮的重力及摩擦力所做的功都是额外功,这些额外功很难直接测量。(2)如果没有刻度尺,能否测出滑轮组的机械效率?如何测?参考答案:能,对于已经组装好的滑轮组,s=nh,则机械效率η=×100%=×100%=×100%=×100%因此只要查出绳子的段数,即可算出滑轮组的机械效率,无需测量h和s的大小。WW有总GhFsGhFnhGnF(3)忽略绳重和摩擦,机械效率的大小与绳子的股数、提升的高度、移动的距离有关吗?试结合机械效率的公式说明。参考答案:由η=×100%=×100%=×100%,机械效率的大小与绳子的股数、提升的高度、移动的距离无关。WW有总GhGhGh物物动GGG物物动【知识拓展】三种机械效率的计算【示范题3】(齐齐哈尔中考)某小组在“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。实验次数钩码重量G/N钩码上升高度h/m绳端拉力F/N绳端移动距离s/m机械效率η140.12.70.274%240.11.80.374%380.13.10.386%480.12.5(1)实验中应沿竖直方向________缓慢拉动弹簧测力计。(2)小组同学发现实验过程中边拉动边读数,弹簧测力计示数不稳定,应该静止读数,你认为他们的想法________(选填“正确”或“不正确”),因为他们没有考虑到________对滑轮组机械效率的影响。(3)用丁图装置进行实验,得出表中第4次实验数据,请将表中的两个数据填写完整。(4)通过比较________两次实验数据得出结论:使用同一滑轮组提升同一重物时,滑轮组的机械效率与绳子段数无关。(填实验次数的序号)(5)通过比较________两次实验数据得出结论:同一滑轮组提升重物时,物重越大,滑轮组的机械效率越高。(填实验次数的序号)(6)通过比较3、4两次实验数据可得出结论:_________________________________________。【精讲精析】本题考查滑轮组机械效率的测量实验。(1)实验中应沿竖直方向匀速缓慢拉动弹簧测力计,这样测力计示数才等于拉力大小。(2)在弹簧测力计静止时读出的数据,由于不会克服轮与轴、绳与轮之间的摩擦,所以测力计示数偏小,他们的想法是不正确的。(3)丁图中,绳子的有效段数为n=4,绳端移动距离s=nh=4×0.1m=0.4m,滑轮组的机械效率:η=×100%=×100%=×100%=80%。WW有总GhFs8N0.1m2.5N0.4m(4)绳端移动距离与物体升高的高度的关系为s=nh,所以,结合表中数据可知实验1、2、3中绳子的有效段数分别为2、3、3;再结合钩码的重力可知,实验1、2、3分别是用甲、乙、丙装置做的实验,根据控制变量法,研究同一滑轮组的机械效率与绳子段数的关系时,要控制提升物体的重力相同、滑轮个数也相同,只改变绳子的有效段数,所以应比较1、2两次实验数据;通过比较1、2两次实验数据得出结论:使用同一滑轮组提升同一重物时,滑轮组的机械效率与绳子段数无关。(5)研究同一滑轮组提升重物时,机械效率与物重的关系时,要控制滑轮个数相同、绳子的段数相同,只改变物体的重力,故通过比较2、3两次实验数据得出结论:同一滑轮组提升重物时,物重越大,滑轮组的机械效率越高。(6)通过比较3、4两次实验数据,即对应的图丙、图丁两装置,滑轮组不同,提升的重物相同,动滑轮越重机械效率越小,故可得出结论:不同滑轮组提升相同重物时,动滑轮越轻,滑轮组的机械效率越高。(不同滑轮组提升相同重物时,动滑轮越重,滑轮组的机械效率越低)答案:(1)匀速(2)不正确摩擦(3)0.480%(4)1、2(5)2、3(6)不同滑轮组提升相同重物时,动滑轮越轻,滑轮组的机械效率越高(或不同滑轮组提升相同重物时,动滑轮越重,滑轮组的机械效率越低)【备选例题】(聊城中考)在“测量滑轮组的机械效率”实验中,小丽用如图所示的同一滑轮组提升不同钩码的方法,分别做了甲、乙、丙3次实验,实验数据记录如表所示:实验次数钩码所受的重力G/N提升高度h/m拉力F/N绳端移动的距离s/m机械效率η120.051.00.1566.7%240.051.70.1578.4%360.05①0.15②(1)实验中要竖直向上______拉动弹簧测力计,使钩码升高。(2)表格中编号①处数据应为__________