人教版初二物理第十二章第3节机械效率教案.docx
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人教版初二物理第十二章第3节机械效率教案
机械效率
适用学科
初中物理
适用年级
初二
适用区域
人教版
课时时长(分钟)
2课时
知识点
1.有用功、额外功和总功的认识及计算;
2.机械效率及计算;
3.机械效率的测量。
教学目标
一、知识与技能
1.能结合实例分析什么是有用功、额外功和总功。
2.明确机械效率是描述做功效率的物理量。
能利用机械效率的公式进行简单的计算。
3.能设计实验,测定某种简单机械的机械效率。
二、过程与方法
1.通过探究使用动滑轮的特点,知道使用机械就要做额外功。
2.通过实验与讨论,认识提高机械效率的主要方法。
三、情感态度与价值观
知道提高机械效率的实际意义和方法,有合理改进机械、提高效率的意识,增强将科学服务于人类的责任感。
教学重点
机械效率的概念和有关计算。
教学难点
测量滑轮组的机械效率。
教学过程
一、复习预习
复习
1.在使用过程中如果滑轮的轴固定不动,那么它就叫定滑轮。
而在使用过程中如果滑轮的轴随着物体上升的,那么它就叫做动滑轮。
2.定滑轮的特点:
使用定滑轮不省力,不省距离;但可以改变力的方向。
定滑轮实质是一个等臂的杠杆。
3.动滑轮的特点:
使用动滑轮可以省力,但费距离,且不改变力的方向。
动滑轮实质是一种能省力的杠杆。
4.把定滑轮与动滑轮的组合,叫做滑轮组。
5.滑轮组的特点:
(1)绳子自由端移动的距离S与物体上升的高度h之间的关系:
S=nh
(2)绳子自由端移动的速度v与物体上升的速度v物之间的关系:
v=nv物
(3)不计滑轮重、绳重和摩擦时,作用在绳子自由端的拉力F与物体的重力G的关系:
F=G。
(n为动滑轮上所挂绳子的段数)
预习
1.有用功、额外功和总功的认识及计算;
2.机械效率及计算;
3.机械效率的测量。
二、知识讲解
课程引入:
我们家新买了楼房,我想往楼上运一些沙子用于装修,但是由于沙子很重在往楼上运的过程中很吃力,你们可以帮想一些办法吗?
通过我们学习简单机械,有人让我应用动滑轮这样能够省一些力,同时还有人帮我出主意,让我用较轻的袋子来装沙子能更好一些。
这是为什么呢?
今天我们就来探究一下这里边包含的物理知识吧。
考点/易错点1有用功和额外功
想一想刚才我在运沙子时的情况,我们来思考:
1.在把沙子从一楼运上三楼的过程中,对哪些物体做了功?
(有滑轮,沙子,还有袋子)
2.无论他采取哪种方法都必须做的功是他对什么做的功?
(沙子)
3.在运沙过程中他不愿做但又不得不做的功是什么?
(滑轮和袋子)
我们将这些做的功进行分类,分为有用功和额外功。
我们对沙子做的功为有用功,也就是在做的所有功中,对我们来说是有益的功,我们把它叫做有用功。
在做功过程中对我们来说没有益处,但又不得不做的功,我们把它叫做额外功,就是对袋子做的功。
同时我们还把有用功与额外功的总和叫做总功。
对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?
(手拉绳做的功与动滑轮对沙子做的功相等吗?
)我们用实验来看一看。
1.设计实验方案:
用手通过一只弹簧测力计拉一个动滑轮,沿竖直方向匀速缓慢提起重为G的钩码。
2.为了探究上述问题需要测量的物理量是:
手对绳的拉力F、手移动的距离s、钩码的重力、钩码上升的高度h。
3.改变钩码的数量,重复上述测量。
4.设计表格,将实验数据填入表中。
次数
手的拉力F/N
手移动距离s/m
钩码重G/N
钩码上升高度h/m
1
2
3
5.分析实验数据:
(1)手拉绳所做的功与动滑轮拉钩码所做的功是否相等?
(不相等)
(2)哪一个做的功多一些?
(手拉绳子做的功要多一些)
(3)你认为产生这一现象的原因是什么?
(有摩擦力,同时还有对滑轮做功)
考点/易错点2机械效率
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。
在物理学中,用机械效率表示有用功在总功中所占的比例。
机械效率=有用功/总功
计算公式:
三者之间的关系:
W总=W有用+W额外
注意:
对于实际机械,由于总是有额外功存在,η<1。
无论是在工作中还是生活中,我们都想使机械效率越高越好,那么我们要如何增大机械效率呢?
增大机械效率的方法:
(1)尽可能的使机械结构更合理,更轻巧。
(2)定期保养和润滑。
考点/易错点3机械效率的测量
如何测量滑轮组的机械效率:
1.实验原理:
=
2.器材:
刻度尺、钩码、弹簧测力计、铁架台、甲、乙两个滑轮组、长约2m的细绳。
3.步骤:
①用弹簧测力计测量钩码所受的重力G并填入表格。
②分别记下钩码和弹簧测力计的位置。
③缓慢拉动弹簧测力计,使钩码升高,读出拉力F值,用刻度尺测出钩码上升的高度h和弹簧测力计移动的距离s,将这三个量填入表格。
④算出有用功W有用、总功W总功、机械效率η并填入表格。
实验次数
G (N)
h(m)
W有用(J)
F(N)
s(m)
W总(J)
η
1
2
3
4
结论:
1.动滑轮重一定,物重越大,机械效率高。
2.物重一定,动滑轮越重,机械效率低。
讨论:
如何提高滑轮组的机械效率?
总结:
提高滑轮组的机械效率的主要方法有:
尽可能地增加物重,减小动滑轮重,减轻绳重和滑轮转轴处的摩擦。
三、例题精析
【例题1】
【题干】如图所示,搬运工人用滑轮组在20s内将重为270N的重物匀速提升6m,所用拉力为100N,则他所做的有用功是J,额外功是J,拉力的功率是W,滑轮组的机械效率是。
【答案】1620、180、90、90%
【解析】根据题意,提起重物的有用功W有=Gh=270N×6m=1620J,
人做的总功W总=F3h=100N×3×6m=1800J,所以,W额=W总-W有=1800J-1620J=180J,
拉力的功率P=W/t=1800J/20s=90W,根据公式滑轮组的机械效率η=W有/W总=1620J/1800J=90%
【例题2】
【题干】如图所示,利用轻质滑轮组匀速拉动水平地面上重为300N的物体,拉力F的大小为30N。
若物体和地面之间的摩擦力大小为45N,则A处的拉力大小和滑轮组的机械效率分别为( )
A.45N、50% B.45N、75% C.60N、50% D.60N、75%
【答案】B
【解析】①物体在水平地面上做匀速运动,则此时A处绳子的拉力与物体与地面之间的摩擦力是一对平衡力,即A处的拉力大小为FA=f=45N。
②本题中,拉力F所做的功为总功,克服物体摩擦力所做的功为有用功。
从图可知,有2段绳子与动滑轮相连,则绳子自由端移动距离S=2S物,滑轮组的机械效率为
=75﹪。
【例题3】
【题干】如图所示,一根均匀的细木棒OC,OA=
OC,B为OC的中点,在C点施力将挂在A点的重为180N的物体匀速提升0.2m,木棒的机械效率为90%,则木棒重为______N(不计摩擦).
【答案】10
【解析】因为将挂在A点的重为180N的物体匀速提升0.2m,所以有用功:
W有=Gh=180N×0.2m=36J;因为OA=OC/4,当物体上升0.2m时,重心B点将上升0.4m,额外功为克服木棒的重力所做的功,根据η=W有/W总=W有/W有+W额和W额=G木h重心,解得G木=10N。
四、课堂运用
【基础】
1、下列关于机械效率说法正确的是()
A.机械做功越快,机械效率就越高
B.省力越多的机械,机械功率越大
C.单位时间做功越多的机械,效率越高
D.额外功在总功中占的比例越小的机械效率越高
【答案】D
【解析】机械效率是有用功跟总功的比值,与做功的快慢没有关系,A说法错误;与省力与费力也没有关系,B说法错误;跟做功快慢无关,即单位时间做功多少无关,C说法错误;额外功在总功中占的比例越小,则有用功在总功中占的比例越大,有用功跟总功的比值越大,机械效率越高,D说法正确;答案选D。
2、如图所示,用甲、乙两种装置匀速提升同一重物,若每个滑轮重相同,不计摩擦及绳重。
则下列说法正确的是()
A.甲较省力,机械效率较低
B.乙较省力,机械效率较低
C.甲较省力,机械效率较高
D.乙较省力,机械效率较高
【答案】B
【解析】根据杠杆原理可知,甲属于等臂杠杆,不能省力也不费力,故A、C错;乙的动力臂大于阻力臂,属于省力杠杆,但在甲图示中由于不存在额外功,机械效率为100%,而在乙图中要提升动滑轮做额外功,所以机械效率小于100%,故甲的机械效率较高,所以应选B。
3、学校每周升旗,在旗竿顶用一滑轮,为迎接60周年国庆,想办法提高了机械效率,用它把同一面国旗匀速提升同样高度,下列说法中正确的是()
A.定滑轮不仅能改变力的大小而且能改变力的方向
B.有用功不变,总功减少了
C.总功不变,额外功减少了
D.总功不变,有用功增加了
【答案】B
【解析】定滑轮的实质是等臂杠杆,故定滑轮能改变施力的方向,但不能改变力的大小,A说法错误;机械效率是有用功与总功的比值,故提高机械效率,把同一物体提升相同高度,有用功不变,只有减小总功,B说法正确;因有用功是国旗克服重力做功,国旗重力不变,国旗上升高度不变,故有用功不变,CD均说法错误;答案选B。
4、用滑轮组提升重物,下列措施中能提高机械效率的是()
A.增加提升的高度,增大有用功
B.增加动滑轮个数,使滑轮组更省力
C.增加被提升物体的重力,从而增大有用功
D.增大提升的速度,从而减小额外功
【答案】C
【解析】A.由机械效率
,所以机械效率的高低与提升物体的高度无关,故A错误。
B.增加动滑轮个数,使滑轮组更省力。
但动滑轮越重,需要做的额外功越多,机械效率会降低,故B错误。
C.增加被提升物体的重力,从而增大有用功,有用功占总功的比值就会增大,从而提高了机械效率,故C符合题意为答案。
D.根据机械效率
可知,机械效率与提升物体的速度无关,故D错误。
5、如图所示,物体A和B所受重力都为160N,不计滑轮重、绳重和摩擦,当分别用力匀速提升物体A和B时,FA为______N,FB为______N.若与A相连的滑轮重40N,不计绳重和摩擦,此滑轮的机械效率是______.
【答案】8016080%
【解析】
(1)滑轮重力不计时,由图可知,吊A的滑轮是动滑轮,使用动滑轮可以省一半的力,
;
吊B的滑轮是定滑轮,使用定滑轮不能够省力,所以FB=GB=160N;
(2)机械效率
故答案为:
80;160;80%.
6、一台起重机将重1800N的货物提高4m,做的有用功为J,如果额外功是4800J,总功为________J,机械效率为。
【答案】72001200060%
【解析】有用功为W有=Gh=1800N×4m=7200J;
总功等于有用功和额外功之和W总=W有+W额=7200J+4800J=12000J;机械效率为η=W有/W总=7200J/12000J=60%。
【巩固】
1、用右图的甲、乙两滑轮组分别把相同的物体匀速提升相同的高度,两装置的机械效率分别为η甲、η乙,拉力做的功分别为W甲、W乙,若滑轮规格相同,不计绳重及摩擦,下列说法正确的是()
甲乙
A.W甲
C.W甲=W乙η甲=η乙D.W甲
【答案】C
【解析】由于是把同样重的物体提升相同的高度,所以有用功相等,又因滑轮的规格相同,都是把两个动滑轮提高了相同的高度,所以做的额外功也是相同的,所以可得总功相同,机械效率也相同,故应选C。
2、将一个重为4.5N的物体沿斜面从底端匀速拉到顶端(如图所示),斜面长1.2m,高0.4m,斜面对物体的摩擦力为0.3N(物体大小可忽略).则下列说法正确的是()
A.沿斜面向上的拉力0.3NB.有用功0.36J,机械效率20%
C.有用功1.8J,机械效率20%D.总功2.16J,机械效率83.3%
【答案】D
【解析】此过程所做有用功为:
W有=Gh=4.5N×0.4m=1.8J;
所做额外功为:
W额=fs=0.3N×1.2m=0.36J;
所做总功为:
W总=W额+W有=0.36J+1.8J=2.16J,
斜面的机械效率为:
η=W有/W总=1.8J/2.16J×100%=83.3%,故D正确;
由W总=Fs可得拉力:
F=W总/s=2.16J/1.2m=1.8N,所以A错误,故选D。
3、将重物从长4m、高1m的斜面底部匀速推上斜面顶端.已知沿斜面所用的推力是300N,斜面的机械效率是75%,则推力做的总功是_______J,物体的重是________N,物体受到斜面的摩擦力是______N。
【答案】120090075
【解析】斜面上推物体推力做的功等于推力与推力通过距离的乘积,即W=Fs=300N×4m=1200J;斜面的机械效率η=Gh/Fs;即75%=(G×1m)/(300N×4m);解得G=900N;W有=Gh=900N×1m=900J;W额=W-W有=1200J-900J=300J;W额=fs;即300J=f×4m;解得f=75N。
4、如图所示,工人师傅利用斜面将箱子从地面匀速移动至汽车上.己知斜面的长度为3m,高度为1m,箱子重600N,沿斜面的推力为250N.在此过程中,箱子与斜面的摩擦力大小为______N,使用斜面可以省______(选填“力”或“距离”).
【答案】50力
【解析】将包装箱直接提升1m做的功为有用功,W有用=Gh=600N×lm=600J;沿斜面推上去推力做的功为总功W总=Fs=250N×3m=750J;因为W额外=W总-W有用=750J-600J=150J,而W额外=fs,所以摩擦力大小:
f=W额外/s=150J/3m=50N;因为箱子重600N,而沿斜面的推力为250N,所以使用斜面可以省力。
5、如图所示,沿斜面向上拉一个重为4.5N的物体到斜面顶端,斜面长1.2m,高0.3m,拉力做功为2.16J,则拉力大小为_____N,这个斜面的机械效率是_____,若增大该斜面的倾角,斜面的机械效率将_____.(选填“变大”、“变小”、“不变”)
【答案】
(1).1.8
(2).62.5%(3).变大
【解析】解:
(1)由W=Fs可得,拉力的大小:
F=W总/s=2.16J/1.2m=1.8N,
(2)拉力做的功是总功,只要求出有用功,即可求机械效率:
有用功:
W有=Gh=4.5N×0.3m=1.35J,
机械效率:
η=W有/W总=1.35J/2.16J=62.5%;
(2)当斜面的倾角变大时,物体对斜面的压力逐渐变小,在接触面粗糙程度不变时,压力变小,物体受到的滑动摩擦力变小,额外功变小,有用功不变,总功变小,由机械效率公式可知,斜面的机械效率变大。
6、如图所示,最大输出功率为10kw的小机车通过滑轮组提升重物,重物重3500N,动滑轮重500N,物体上升速度为1m/s。
绳重及滑轮转动时摩擦忽略不计,则在重物匀速上升过程中
A.机车运动的速度是3m/s
B.机车对绳的拉力是1750N
C.若机车运动速度不变,该装置能提起的最大物重为9500N
D.当机车达到最大输出功率时,滑轮组的机械效率是87.5%
【答案】C
【解析】图中滑轮组中重物由两股绳子承担,故机车运动速度为物体运动速度的两倍,物体上升的速度是1m/s,故机车运动的速度是2m/s,选项A错误;
机车对绳的拉力F=(G+G动)/2=(3500N+500N)/2=2000N,选项B错误;
若机车运动速度不变为2m/s,则最大拉力F=P/v=10000W/2m/s=5000N,
则G=2F-G动=10000N-500N=9500N,答案C正确;
当机车达到最大输出功率时,没有具体速度,则最大拉力不能确定,可知机械效率不能确定,选项D错误;答案选C。
【拔高】
1、某工人用如图所示的装置把一重为1200N的箱子从斜面底端匀速拉到顶端用时10秒,已知斜面长6m、高2m,此装置的机械效率为80%(滑轮重、绳重、滑轮与绳之间的摩擦均不计).求:
(1)拉力F;
(2)拉力F做功的功率;
(3)箱子和斜面间的摩擦力.
【答案】
(1)250N;
(2)300W;(3)100N
【解析】
(1)由
,解得F=250N;
(2)拉力F做的功W总=Fs=250N×2×6m=3000J,拉力F做功的功率P=W总/t=300W;
(3)W有=Gh=1200N×2m=2400J,W额=W总-W有=3000J-2400J=600J,摩擦力f=W额/L=100N。
2、如图所示,小明用滑轮组将重为500N的物体在l0s内匀速提升了1.5m。
每个滑轮的重相等,均为20N,不计绳重及摩擦。
求:
(1)小明受到地面的摩擦力。
(2)小明做功的功率。
(3)滑轮组的机械效率。
【答案】
(1)140N
(2)84W(3)89.29%。
【解析】
(1)以下面的动滑轮为研究对象可得,
,
以上面的动滑轮为研究对象可得:
因小明受向左的绳子拉力F2和地面的摩擦力f而处于静止状态,小明受到的拉力和摩擦力是一对平衡力
所以,f=F2=140N;
(2)以下面的动滑轮为研究对象,则F1段绳子运动的距离:
s1=2h=2×1.5m=3m,
以上面的动滑轮为研究对象,则F2段绳子运动的距离:
s2=2s1=2×3m=6m,
小明做功的功率:
(3)滑轮组的机械效率:
3、为了将放置在水平地面上重为100N的物体提升一定高度,设置了图所示的滑轮组装置。
当用图甲所示随时间变化的竖直向下的拉力F拉绳时,物体的速度v和物体上升的高度h随时间变化的关系分别如图乙和丙所示。
(不计绳重和绳与轮之间的摩擦)下列计算结果正确的是()
A.0s~1s内,地面对物体的支持力是10N
B.1s~2s内,拉力F做的功是187.5J
C.2s~3s内,拉力F的功率是100W
D.2s~3s内,滑轮组的机械效率是62.5%
【答案】B
【解析】由图甲可知,在0s~1s内,拉力F等于30N,滑轮组由3段绳子吊着物体,所以承担的总重力为90N,由于动滑轮本身在重力,所以滑轮组对重物的拉力小于90N,故可知地面对物体的支持力大于10N,故A错;1s~2s内,拉力的大小为50N,拉力通过的距离为s=3.75m/s,所以拉力F做的功为W=Fs=187.5J,故B正确;2s~3s内,拉力的大小为40N,拉力的速度为7.50m/s,所以拉力的功率P=Fv=300W,故C错;2s~3s内,拉力做功为W总=Fs=40N×7.5m=300J,对物体所做的功为W有=Gh=100N×2.5m=250J,所以机械效率为W有/W总=83.3%,故D错;应选B。
4、小雨站在水平地面上,通过如图所示的滑轮组从井中提水(不计绳重及摩擦)。
已知小雨的重力为500N、双
脚与地面的接触面积为0.04m2,圆柱形水桶的底面积为0.2m2、容积为0.lm3(不计桶的厚度)。
(l)将空桶匀速下放的过程中(桶底未接触水面),小雨对地面的压强为1.15×l04Pa,则桶和动滑轮总重是多少?
(2)向上提水,当桶底受到水向上的压强为2.5×103Pa时,小雨对地面的压强为l×l04Pa;小雨将水桶拉离水面后,匀速拉
动过程中滑轮组的机械效率是多少?
【答案】
(1)120N
(2)85%
【解析】
(1)小雨对地面的压力为FN=p人S人=1.15×104Pa×0.04m2=460N,
人对绳子的拉力F=G人-FN=500N-460N=40N,桶和动滑轮总重G0=nF=3×40N=120N。
(2)水桶底浸在水中的的深度
,
水桶排开水的体积
,
水桶受到的浮力
,
人对地面的压力FN’=p人’S人=1×104Pa×0.04m2=400N,
人的拉力F’=G人-FN’=500N-400N=100N,
水的重力G水=nF’+FN-G0=3×100N+500N-120N=680N,
匀速拉
动过程中滑轮组的机械效率
。
五、课程小结
1.对我们来说是有益的功,我们把它叫做有用功。
在做功过程中对我们来说没有益处,但又不得不做的功,我们把它叫做额外功,把有用功与额外功的总和叫做总功。
2.用机械效率表示有用功在总功中所占的比例。
机械效率=有用功/总功
计算公式:
三者之间的关系:
W总=W有用+W额外
注意:
对于实际机械,由于总是有额外功存在,η<1。
3.增大机械效率的方法:
(1)尽可能的使机械结构更合理,更轻巧。
(2)定期保养和润滑。
4.提高滑轮组的机械效率的主要方法有:
尽可能地增加物重,减小动滑轮重,减轻绳重和滑轮转轴处的摩擦。
六、课后作业
1、某工人用如图所示的装置把重240N的物体提高1m,所用的拉力为150N,该滑轮组的机械效率是.
【答案】80%
【解析】滑轮组是人们日常使用工具中的一种省力工具,其机械效率是衡量及其优劣的重要指标之一,滑轮组在使用过程中,重物由几股绳子承担,绳自由端移动距离就为物体移动距离的几倍,如图所示绳子股数为2股,所以
。
2、如图所示,工人将底面积为0.25m2的一箱货物装到卡车上,需要用木板搭建一个斜面。
卡车车厢底部离地的高度为1.2m,所用木板长5m。
工人沿着斜面匀速将重为1000N的货物推上车,用时1min,若该斜面的机械效率为40%,求:
(1)这箱货物平放在水平面上时,对水平面的压强有多大?
(2)工人沿斜面的推力是多少牛?
(3)工人推力所做的功率是多少瓦?
(4)货物受到斜面的摩擦力是多少牛?
【答案】
(1)4000
(2)600(3)50W(4)360N
【解析】
(1)货物平放地面时对平面的压强为p=F/S=1000N/0.25m2=4000Pa;
(2)工人推货物时对货物做的有用功W有=Gh=1200J,
则工人所做的总功W总=W有/40%=3000J,斜面长为5m,
则可得推力大小为F推=W总/5m=600N;
(3)工人推力的功率P=W总/t=3000J/60s=50W;
(4)工人所做的额外功为W额=W总-W有=1800J,
所以货物受到斜面的摩擦力f=W额/5m=360N。
3、如图,建筑工人用400N的拉力,将重1000N的物体匀速提升3m,所用时间是18s,求:
(1)工人做功的功率;
(2)滑轮组的机械效率.
【答案】⑴200W;⑵83.3﹪
【解析】⑴工人做的为功:
W总=
Fs=400N×3m×3=3.6×103J,
工人做功的功率为:
;
⑵有用功为:
W有=
Gh=1000N×3m=3×103J,
滑轮组的机械效率为:
×100﹪=
×100﹪=83.3﹪。
4、用如图所示的滑轮组提升重
的物体,动滑轮重
,使物体匀速上升
,绳重和摩擦不计,求:
(
)绳子的自由端的拉力是多大?
(
)滑轮组的机械效率是多大?
(
)若绳子能承受的最大拉力为
,求该装置最大的机械效率.
【
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- 人教版 初二 物理 第十二 机械效率 教案