1、第五节 提高机械的效率一、课前知识准备1用动滑轮提升重物时，如果考虑摩擦和动滑轮自重，实际拉力 物重的一半。 2你能计算出一枝铅笔的铅芯利用效率吗？ 答案：1.大于 2.求出用掉的长度占总长度的百分比，即为铅芯利用效率。二、名师解读点拨知识点 1：什么是机械效率【实验】用弹簧测力计将钩码提升一定高度；用弹簧测力计并借助一只动滑轮将同样的钩码提升相同高度。比较弹簧测力计两次所做的功，发现利用动滑轮所做的功多一些，这是为什么呢？【点拨】使用机械时，会有省力、方便等有利因素，但由于机械本身的自重，以及摩擦等因素，所以要做更多的功。拉力所做的功，物理学叫 。在这一总功中包含了拉力在提起重物时，必须克服
2、动滑轮的自重和滑轮转动时的摩擦阻力做的功。这部分功，是无用的，但又不得不做，称为 。从总功中减去额外功，就是有用的功，物理学中叫 。有用功和总功的比值叫做机械效率，计算公式为 = 总有W100%， ：机械效率， W 有 ：有用功， W 总 ：总功 答案：总功；额外功；有用功【明确】在实际计算中，机械效率通常被表示为一个百分数，没有单位；由于 W 总 W有 ，所以 总有 1，因此机械效率必然小于 100%如果有人告诉你某机器: 大于 1 或大于100%，那肯定是错误的。【练一练】用一个动滑轮，将 200N 的物体匀速提升 2m，拉力 F 为 120N，此动滑轮的机械效率是多少？分析：解此题的关键
3、是要注意用动滑轮提起物体时，动力 F 把绳子末端拉起的距离是物体被提起高度的 2 倍。已知：G=200N，h=2m，F=120N，s=2h=4m。求：。解： W 有 =Gh=200N2m=400J， W 总 =Fs=120N4m=480J， = 总有 100%= J480100%83.3%。答案：动滑轮的机械效率约是 83.3%。知识点 2：影响滑轮组机械效率的因素【实验】按如图所示的方式组装好滑轮组，并使用滑轮组提起相应的重物，将三次实验数据填写在下表中，比较三次测算的机械效率是否相等。甲 乙 丙名称拉力F/N弹簧测力计上升的距离 s/m总功W 总/J钩码重G/N钩码上升高度h/m有用功W
4、有 /J机械效率甲乙丙【小结】1同一滑轮组，载重越大，机械效率越大，所以滑轮组在满载情况下工作，以增大有用功占总功的比例，提高机械效率。2相同载重的情况下，动滑轮重力越小，机械效率越高，所以减小滑轮组中动滑轮的自重，减小额外功占总功的比例，提高机械效率。3改进机械结构，在滑轮的转轴上加润滑油，以减小摩擦阻力，减小额外功占总功的比例，提高机械效率。【注意】在“测滑轮组的机械效率”的实验中，为什么要匀速竖直向上拉弹簧测力计且在拉动过程中读数？如果不是匀速地拉，弹簧秤示数忽大忽小，则 W 总偏大偏小，且滑轮组对钩码的拉力不等于钩码的重力，则 W 有偏大偏小，由 W 有 /W 总 算出的机械效率偏大偏
5、小如果向下拉，弹簧测力计由于弹簧的自重而导致示数 F 偏小，=， 偏大如果在弹簧秤静止时读数，由于滑轮和轴之间没有摩擦，则读数 F 偏小， 偏大【想一想】在上述实验中，如果没有刻度尺，能不能测出滑轮组机械效率？【点拨】可以，用 = 总有W= FsGh= n进行计算。其中 G 为提升的物重，h 为物体升高的高度，F 为施加在绳子自由端的拉力，s 为绳子自由端移动的距离，n 为吊起动滑轮绳子的段数。若不考虑摩擦和绳重滑轮组机械效率可变为： = 动物 物 。【易错点】如果滑轮组不是用来提升物体，而是拉着物体水平运动，则不能用上式计算机械效率，应该用 = Fsfh= n， f 为物体受到的阻力。【比较
6、】机械效率与功率是两个完全不同的概念这两个物理量是从不同方面反映机械性能的。它们之间没有必然的联系。功率大表示机械做功快；机械效率高表示机械对总功的利用率高。 功率大的机械不一定机械效率高，例如内燃机车功率可以达到几千千瓦，但效率只有 30%40%，反之，机械效率高的机械功率不一定大。例如，安装在儿童玩具汽车车里的电动机效率可达 80%，但功率却只有几瓦特。三、拓展整合创新类型之一：机械效率的理解和计算 【例 1】（05 年广州市课改区）下列说法中正确的是（ ）A机械效率越高，机械做功一定越快 B做功越多的机械，机械效率一定越高 C功率越大的机械做的功一定越多 D做功越快的机械，功率一定越大解
7、析：机械效率反映了使用机械时有用功占总功的比例，功率是表示做功的快慢，这两个物理量没有必然的联系，机械效率高的机械做功不一定快。做功多的机械，有用功占总功的比例不一定大，机械效率不一定高；机械做功的多少，由功率和做功时间共同决定，仅功率大，时间不确定，做的功不一定多。答案：D变式题：在建筑工地上，经常可以看到用来吊运货物的吊车。若吊车的机械效率为 80%，将重为 7000N 的货物匀速提升 4m,所用的时间是 10s，则吊车的功率是多少？解析：本题要求熟练掌握功、功率、机械效率的计算公式及其变形式，同时要正确区分机械效率和功率是两个完全不同的概念。答案： W 有用 =Gh=7000N4m=28
8、000JW 总 = 有 = 0.82J=35000J P= t总 = s135=3500W类型之二：机械效率的测定 【例 2】（05 年盐城市）在做“测滑轮组机械效率”的实验中，小强和同学们组装了如图所示的甲、乙两个滑轮组（每只滑轮重都相同，不计摩擦和绳重）。（1）对于甲图所示的滑轮组，如果没有刻度尺，只要测出钩码重 G，然后竖直向上匀速拉动弹簧秤使钩码升高，从弹簧秤上读出拉力值 F，即可算出该滑轮组的机械效率 = 。（2）比较甲、乙两滑轮组的机械效率，可知 甲 乙 （选填：、或）。（3）实验后小强猜想，对于同一滑轮组（例如图乙），它的机械效率也可能不是固定的，于是他用实验进行了探究，并证明自
9、己的猜想是正确的。你认为小强应采用的正确方法是什么？答： 。解析：没有刻度尺，也能测定滑轮组机械效率，这是因为绳子自由端移动的距离 s 是重物移动距离的 n 倍，n 为吊起动滑轮绳子的段数。所以 = FsGh= n。利用滑轮组提升重物时，在不计摩擦和绳重时，额外功等于对动滑轮本身所做的功，即 W 额 =G 动 h， = 总有 用 100% 额有 用 有 用 W h动 动 ，由此可以看出，当动滑轮重力一定时，被提升重物的重力越大，滑轮组机械效率越高；当被提升的重物重力一定时，动滑轮的重力越大，滑轮组的机械效率越低。同一滑轮组的机械效率与所提升的物重有关，设计实验时，要注意控制变量，即滑轮组要相同
10、，提升的钩码数要不同，分别测定相应的机械效率，然后进行比较，可得出结论。答案：（1） FnG；（2）；（3）用相同的滑轮组提升不同的数量的钩码，分别测出相应的机械效率，然后进行比较，得出结论。【例 3】（05 年南通市）在“测滑轮组机械效率”的实验中，用同一滑轮组进行了两次实验，实验数据如下表所示序号 钩码重 G/N 钩码上升的高 度 h/cm 弹簧测力计的示数 F/N 弹簧测力计移动 的距离 s/cm1 2 5 0.6 252 4 8 1.1(1)在表格的空格处，填上合适的数据(2)在图中用笔画线代替细绳组装滑轮组(3)第 1 次实验测得滑轮组的机械效率为_(4)如果将重为 3N 的钩码挂在
11、同一滑轮组下，根据题中已有的信息可以判断出这时滑轮组的机械效率应在_范围内解析：从第 1 次实验测出的数据来看，弹簧测力计移动的距离是钩码上升的高度的 5倍，即 s=5h，所以可以确定滑轮组吊起动滑轮绳子的段数是 5，据此即可装配滑轮组，第2 次实验弹簧测力计移动的距离也是钩码上升高度的 5 倍，即 40cm。将第 1 次有关数据代入， = FsGh= n= 6.02N=66.7%。对于同一滑轮组，提升的物重越大，机械效率越高，物重 3N 在第 1 次和第 2 次实验时物重2N 和 4N 之间，所以机械效率也在两者之间，即 66.7%72.7% 。答案：(1)40 (2)见右图 (3)66.7
12、% (4)66.7%72.7% 类型之三：综合应用创新【例 4】（05 年宜昌市课改区）如图所示是小亮同学测定斜面机械效率的装置图，下表是小亮同学设计的记录表格.分析表格中的实验数据，你能得到哪些结论？（要求写两条） 斜面倾 斜程度小车重量 G/N斜面高度h/m沿斜面拉力 F/N斜面长s/m有用功W 有 /J总功W 总 /J机械效率较缓 10 01 3 1 1 3 33%较陡 10 02 4 1 2 4 50%最陡 10 03 5 1 3 5 60%解析：斜面是一种机械，利用它可以把物体举高，并且省力，不考虑摩擦的情况下，斜面长是斜面高的几倍，拉力就是物重的几分之一，也就时斜面越缓，越省力。沿
13、斜面举高物体过程中，所做的额外功等于克服摩擦所做的功。对于举高同一物体，如果斜面长相同，斜面越高，受到摩擦力越小，有用功越多，额外功越小，所以斜面机械效率越高；如果斜面高度相同，斜面越长，受到摩擦力越大，有用功相同，额外功越多，斜面机械效率越低。答案：同一斜面，倾斜程度越高，拉同一个物体所用的拉力越大；同一斜面，倾斜程度越高，拉同一物体的机械效率越高。四、当堂检测反馈1.关于机械效率的说法，正确的是( )A.机械效率越高的机械做的有用功多B.机械效率越高的机械越省力；C.机械效率越高的机械越省功；D.有用功占总功的比例越大的机械，机械效率越高.答案：D2.用水桶从井中提水的时候，所做的功哪部分
14、是有用功，哪部分是额外功?如果桶掉到井里，从井里捞桶的时候，捞上的桶里带了一些水，这种情况下哪部分是有用功，哪部分是额外功?答案：用桶从井里提水时，提起的水所做的功是有用功，提起水桶所做的功是额外功.如果从井里捞桶，那么提桶所做的功是有用功，提起桶里所带的水所做的功是额外功.3起重机把质量为 0.6 t 的重物提升了 3 m，而它的电动机所做的功是 3.4104 J，起重机的机械效率是多少？答案：起重机提升重物所做的功为有用功，因此：W 有用 =Fh=Gh=mgh=0.6103kg10N/kg3 m=1.8104 JW 总 =3.4104 J所以 = 总有 100%= J 10.384 =53
15、%4如图所示滑轮组，被提起的是质量 200 g 的物体，对绳子自由端的实际拉力是 0.8 N，当物体升高 0.2 m 时，求滑轮组的机械效率解：有用功为W 有用 =F s= Gh=mgh=0.2 kg10 N/kg0.2 m=0.4 J动滑轮由 3 股绳子承担，所以s=nh=30.2 m=0.6 m则总功为W 总 =Fs=0.8 N0.6 m=0.48 J = 总有 用 = 4.0=83.3%5某小组通过实验得知滑轮组的机械效率与许多因素有关，有同学想进一步探究滑轮组的机械效率是否与滑轮组中细绳的绕法有关。根据探究目的，他们先通过实验测算出如图（甲）所示的滑轮组的机械效率，请你在图（乙）中画出
16、下一步实验所需的组装图。解析：由于滑轮组所挂物重是影响机械效率因素之一，所以此题必须采用控制变量法进行设计，即绳子的绕法不同，滑轮组所挂物重必须相同。答案：绳子绕法（n=1,3）；必须挂两个钩码五、资料链接机械效益使用机械的最终目的之一是省力就一般而言，不同的机械省力的情况不同为了比较各种不同机械的省力程度，物理上还引入了一个机械效益的概念机械效益定义为机械产生的对外作用力（ P）跟外界施于机械的力（ F）之比，若以 A 表示机械效益则：A= FP对于杠杆， A 就是动力和阻力之比；对于轮轴，在不考虑摩擦情况下， A 等于轮半径和轴半径之比；对于斜面，在忽略摩擦的情况下， A 等于斜面的长和高
17、之比根据定义，机械效益是由实际测得的机械对外作用力（有用阻力）和外界施于机械的力（动力）的大小所决定的同样克服一个有用阻力，有时因为机械润滑得好，无用阻力就小，需要的动力也就小因此，机械效益就大，反之，机械效益就小新机械的机械效益往往比旧机械的机械效益 大些机械效益又称“机械利益”，有时亦称“力比”概括地说，机械效益是一个描述机械省力程度的物理量机械效率与机械效益的联系和区别：机械效率与机械效益是两个比较类同的概念，使用时稍不留心就要混淆经过以上分析，我们可以得出以下两点：（1）机械效率是描写机械做功本领程度的一个物理量，它研究机械做功情况时引出；机械效益是描述机械省力程度的一个物理量，它研究机械省力情况时引出（2）机械效率与机械效益都是一个无单位的纯数，机械效率 总是小于 1，而机械效益 A 可以小于 1，也可以等于 1 或大于 1摘自北大附中网校
