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第11章 機(jī)械與功
機(jī)械效率
4
01
了解有用功、額外功、總功的定義。
02
了解機(jī)械效率的概念，能夠利用機(jī)械效率的公式進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算。
03
會(huì)利用彈簧測(cè)力計(jì)和刻度尺測(cè)量滑輪組的機(jī)械效率。
04
知道影響滑輪組機(jī)械效率的因素和提高機(jī)械效率的方法。
思考與交流
你對(duì)生活生產(chǎn)中的“效率“是如何理解的？
學(xué)習(xí)的效率
工作的效率
一、用功用和額外功
1.有用功：對(duì)人們有用并且是必須做的功，叫 ，用 表示。
2.額外功：在工作時(shí)，并非我們需要但又不得不做的功叫 ，用
表示。
3.總功：有用功和額外功之和叫 ，用 表示。
W有用
有用功
W額外
額外功
W總
總功
思考：如果桶掉到井里，從井里撈桶的時(shí)候，撈上的桶里帶了一些水，這種情況下哪部分是有用功，哪部分是額外功？
答案　提水桶所做的功是有用功，提水所做的功是額外功。
一、用功用和額外功
學(xué)以致用
1.賣(mài)茶杯的人，從貨架上拿起茶杯；喝茶水的人，從桌面上端起盛茶水的茶杯，就兩人克服茶杯重力做功的下列說(shuō)法中正確的是(　　)
A.都是有用功
B.都是額外功
C.對(duì)喝茶的人而言是有用功
D.對(duì)賣(mài)茶杯的人而言是有用功
D
2.用一個(gè)動(dòng)滑輪將重力為1 N的鉤碼豎直提高了20 cm，拉力的大小F＝0.6 N，求該過(guò)程中拉力做的總功、有用功和額外功。
解：h＝20 cm＝0.2 m
s＝nh＝2×0.2 m＝0.4 m
W總＝Fs＝0.6 N×0.4 m＝0.24 J
W有用＝Gh＝1 N×0.2 m＝0.2 J
W額外＝W總－W有用＝0.24 J－0.2 J＝0.04 J
學(xué)以致用
二、機(jī)械效率
1.物理學(xué)中，將 跟 的比值叫作機(jī)械效率。機(jī)械效率的計(jì)算公式是：η＝×100%。
2.(1)當(dāng)總功一定時(shí)，機(jī)械所做的有用功越多，或額外功 ，機(jī)械效率就越高。
(2)當(dāng)有用功一定時(shí)，機(jī)械所做的總功 ，或額外功 ，機(jī)械效率就越高。
(3)當(dāng)額外功一定時(shí)，機(jī)械所做的總功 ，有用功在總功中所占的比例越大，機(jī)械效率就越高。
3.任何機(jī)械的機(jī)械效率總是 1。
越多
有用功
總功
越少
越少
越少
小于
學(xué)以致用
1.關(guān)于機(jī)械效率的說(shuō)法中正確的是(　　)
A.越省力的機(jī)械，效率越高
B.做有用功越多的機(jī)械，效率越高
C.做相同的功，額外功的值越小，效率越高
D.做功越快的機(jī)械，效率越高
C
2.起重機(jī)把質(zhì)量為0.5 t的重物勻速提升了3 m，而它的電動(dòng)機(jī)所做的功是3.4×104 J，起重機(jī)的效率是多少？(g取10 N/kg)(計(jì)算結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)
學(xué)以致用
解：起重機(jī)勻速提升重物所用的力與物體所受的重力大小相等
F＝G＝mg＝0.5×103 kg×10 N/kg＝5×103 N
起重機(jī)提升重物所做的功是有用功
W有用＝Fh＝5×103 N×3 m＝1.5×104 J
起重機(jī)的電動(dòng)機(jī)所做的功是總功W總＝3.4×104 J
因此，起重機(jī)的機(jī)械效率η＝×100%＝×100%≈44%
用滑輪組提升重物時(shí)，拉力所做的總功中，哪些屬于額外功？
怎樣提高機(jī)械效率？
對(duì)動(dòng)滑輪做的功、克服摩擦做的功屬于額外功；
增大物重、減小動(dòng)滑輪重、減小摩擦都可以提高機(jī)械效率。
三、測(cè)量滑輪組的機(jī)械效率
1.實(shí)驗(yàn)過(guò)程
按圖將實(shí)驗(yàn)器材安裝好(注意滑輪組的繞線方式)。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。改變所掛鉤碼數(shù)量，分別測(cè)量出有用功和總功，算出機(jī)械效率，并將結(jié)果填入表中。
次數(shù) 鉤碼 重/N 鉤碼上升 高度/m 有用 功/J 彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)/N 繩子自由端移動(dòng)距離/m 總功/J 機(jī)械
效率
1
2
3
三、測(cè)量滑輪組的機(jī)械效率
2.實(shí)驗(yàn)結(jié)論：動(dòng)滑輪重一定，提起的物重越大，機(jī)械效率越 。提起的物重一定，動(dòng)滑輪越重，機(jī)械效率越 。
高
低
三、測(cè)量滑輪組的機(jī)械效率
3.總結(jié)與交流
(1)影響滑輪組機(jī)械效率的因素主要是：摩擦(輪與軸及輪與繩之間)、繩重、提起的物重和動(dòng)滑輪重。
(2)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，勻速拉動(dòng)彈簧測(cè)力計(jì)不易操作， (選填“可以”或“不可以”)在靜止時(shí)讀出拉力的大小來(lái)計(jì)算總功。因?yàn)開(kāi)___________
__________________________
(3)滑輪組機(jī)械效率的大小與物體被提升的高度、滑輪組的繞線方式及物體被提升的速度 關(guān)。
無(wú)
不可以
若靜止則無(wú)摩
擦力，彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)偏小。
4.提高機(jī)械效率的途徑
(1)改進(jìn)機(jī)械的 ，使機(jī)械設(shè)備更 、更 ，如減小動(dòng)滑輪重。
(2)在使用中按照技術(shù)規(guī)程經(jīng)常保養(yǎng)，使機(jī)械設(shè)備處于良好的狀態(tài)，減小有害 ，如加強(qiáng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部位的潤(rùn)滑。
(3)在機(jī)械技術(shù)安全要求范圍內(nèi)，增大所做的 功，如增大滑輪組提起的 重。
結(jié)構(gòu)
合理
摩擦
輕巧
物
有用
學(xué)以致用
1.(2024·惠州惠陽(yáng)區(qū)模擬)對(duì)同一滑輪組，下列各措施中不能提高機(jī)械效率的是(　　)
A.增加提升重物的重力
B.改用質(zhì)量小的動(dòng)滑輪
C.減少提升高度，減少做功
D.在輪軸處加潤(rùn)滑油，減小摩擦
C
解析　增加提升重物的重力，做的有用功增大，額外功不變，總功也變大，有用功和總功的比值變大，即滑輪組的機(jī)械效率升高，故A不符合題意；
改用質(zhì)量小的動(dòng)滑輪、在輪軸處加潤(rùn)滑油，減小摩擦，能在有用功不變的情況下，減小了額外功，有用功和總功的比值變大，即滑輪組的機(jī)械效率升高，故B、D不符合題意；
減少提升物體的高度，根據(jù)公式η＝可知，滑輪組的機(jī)械效率不變，故C錯(cuò)誤，符合題意。
2.(2024·商洛商南縣期末)用如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置探究滑輪組的機(jī)械效率，下列說(shuō)法正確的是(　　)
A.實(shí)驗(yàn)時(shí)彈簧測(cè)力計(jì)可以在靜止時(shí)讀數(shù)
B.實(shí)驗(yàn)時(shí)不用刻度尺也可以測(cè)量出滑輪組的機(jī)械效率
C.滑輪組的機(jī)械效率與動(dòng)滑輪重力的大小無(wú)關(guān)
D.同一滑輪組的機(jī)械效率隨所掛鉤碼的重力增大而增大，
　最終可以達(dá)到100%
B
學(xué)以致用
解析　若彈簧測(cè)力計(jì)在靜止時(shí)讀數(shù)，則沒(méi)有測(cè)量出繩子與滑輪間的摩擦，拉力偏小，總功偏小，此時(shí)所測(cè)的機(jī)械效率偏大，則該方法是錯(cuò)誤的，故A錯(cuò)誤；
因s＝3h，則滑輪組的機(jī)械效率η＝，所以實(shí)驗(yàn)中可以不測(cè)量h和s，即刻度尺可以不用，故B正確；
在物重和提升高度都一定時(shí)，動(dòng)滑輪越重，克服滑輪重力做的額外功越多，有用功在總功中所占的比例減小，機(jī)械效率越低，即滑輪組的機(jī)械效率高低與動(dòng)滑輪重力大小有關(guān)，故C錯(cuò)誤；
使用滑輪組時(shí)不可避免地要克服動(dòng)滑輪重力及摩擦等做額外功，使得有用功小于總功，機(jī)械效率不會(huì)達(dá)到100%，故D錯(cuò)誤。
1.(2023·蘇州期末)下列說(shuō)法中正確的是(　　)
A.用同一水桶從井中提水時(shí)，提一桶水比提半桶水的機(jī)械效率高
B.水桶掉到井里，把水桶撈上來(lái)時(shí)，對(duì)桶做的功是額外功
C.用動(dòng)滑輪提升重物時(shí)，繩子自由端拉力做的功是有用功
D.使用機(jī)械過(guò)程中，額外功越少，則機(jī)械效率就越高
A
解析　額外功等于水桶重力乘以提水高度，水桶重力和提水高度都相等，所以額外功相等；第一次取半桶水，第二次取滿桶水，根據(jù)W有用＝Gh知：第二次所做有用功要多；在額外功相等的情況下，有用功多的機(jī)械效率高，所以提一桶水比提半桶水的機(jī)械效率高，故A正確；
從井里撈桶時(shí)，目的是撈桶，所以對(duì)桶做的功是有用功，故B錯(cuò)誤；
用動(dòng)滑輪提升重物時(shí)，繩子自由端拉力做的功是總功，故C錯(cuò)誤；
機(jī)械效率高的機(jī)械，說(shuō)明所做有用功占總功的比值大，額外功所占總功的比值小，不是做的額外功少，故D錯(cuò)誤。
2.(多選)如圖所示，用20 N的拉力使重40 N的物體豎直勻速上升1 m，下列說(shuō)法正確的是(　　)
A.拉力做的有用功是40 J
B.繩子的移動(dòng)距離是2 m
C.拉力做的額外功是20 J
D.增加物體重力不能增加滑輪組的機(jī)械效率
AC
解析　拉力做的有用功W有用＝Gh＝40 N×1 m＝40 J，故A正確；
由題圖知，n＝3，繩子移動(dòng)的距離s＝3h＝3×1 m＝3 m，故B錯(cuò)誤；
拉力做的總功W總＝Fs＝20 N×3 m＝60 J，拉力做的額外功W額外＝W總－W有用＝60 J－40 J＝20 J，故C正確；
增加物體重力，可以增大有用功，不計(jì)摩擦和繩重，額外功不變，有用功與總功的比值增大，滑輪組的機(jī)械效率增大，故D錯(cuò)誤。
3.(2024·延安志丹縣月考)如圖所示，利用滑輪組使物體A以0.2 m/s的速度豎直勻速上升，滑輪組中，每個(gè)滑輪重2 N，彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)始終保持為5 N不變，不計(jì)彈簧測(cè)力計(jì)重、繩重和摩擦，則作用在繩端的拉力F為　 N，物體A受到的重力是　 N，在10 s內(nèi)拉力作用點(diǎn)移動(dòng)　 m。隨著科技的進(jìn)步，滑輪組的機(jī)械效率　　　(選填“能”或“不能”)達(dá)到100%。
5
13
6
不能
解析　滑輪組上同一根繩子上的力相等，彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)始終保持不變?yōu)? N，則作用在繩端的拉力F也為5 N；
動(dòng)滑輪上有三段繩子，即n＝3，則物體的重力為：G＝nF－G動(dòng)＝3×5 N－2 N＝13 N；
拉力作用點(diǎn)移動(dòng)的距離為：s＝nh＝nv物 t＝3×0.2 m/s×10 s＝6 m；
使用滑輪組提升物體時(shí)不可避免地要克服摩擦力、動(dòng)滑輪重以及繩重等做額外功，所以滑輪組的機(jī)械效率不能達(dá)到100%。
4.小明測(cè)量如圖所示滑輪組的機(jī)械效率，部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表。
實(shí)驗(yàn) 序號(hào) 鉤碼所受 重力G/N 鉤碼上升 高度h/cm 拉力 F/N 繩端移動(dòng) 距離s/cm 機(jī)械
效率η
1 1.0 5 15 55.6%
2 1.5 5 0.8 15
3 2.0 5 1.0 15 66.7%
4 2.0 10 1.0 30 66.7%
(1)為了順利完成實(shí)驗(yàn)，除了圖中的器材外，
還需要的測(cè)量工具是　　 。
解析　實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，需要用刻度尺來(lái)測(cè)量彈簧測(cè)力計(jì)和重物上升的高度；
刻度尺
(2)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)緩慢拉動(dòng)彈簧測(cè)力計(jì)，使鉤碼豎直向上做　　 運(yùn)動(dòng)。第1次實(shí)驗(yàn)時(shí)，彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)如圖所示，為　　 N。
解析　勻速拉動(dòng)彈簧測(cè)力計(jì)，使鉤碼保持勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，受到平衡力的作用；由題圖知，彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)為0.6 N；
勻速
0.6
(3)第2次實(shí)驗(yàn)時(shí)所做的有用功為　 J，滑輪組的機(jī)械效率是　 　。
解析　第2次實(shí)驗(yàn)中，G＝1.5 N，h＝0.05 m，W有＝Gh＝1.5 N×0.05 m＝0.075 J，
W總＝Fs＝0.8 N×0.15 m＝0.12 J，η＝×100%＝×100%＝62.5%；
0.075
62.5%
(4)分析1、2、3次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)可知，使用同一滑輪組提升鉤碼時(shí)，鉤碼所受重力越　　(選填“大”或“小”)，滑輪組的機(jī)械效率越高；分析3、4次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)可知，滑輪組的機(jī)械效率與鉤碼上升的高度_____(選填“有關(guān)”或“無(wú)關(guān)”)。
解析　同一滑輪組提升鉤碼時(shí)，額外功一定，鉤碼所受重力越大，所做有用功越多，機(jī)械效率越高；由η＝知，滑輪組的機(jī)械效率與鉤碼上升的高度無(wú)關(guān)；
大
無(wú)關(guān)
(5)結(jié)合生產(chǎn)生活實(shí)際，用滑輪組提升重物時(shí)，下列選項(xiàng)中也可以提高機(jī)械效率的是　 。
A.增大繩重
B.減輕動(dòng)滑輪重
C.加快物體提升的速度
解析　根據(jù)η＝知，在提升重物所受重力一定時(shí)，
動(dòng)滑輪重力越小，機(jī)械效率越高，故選B；
B
(6)小明發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中邊拉動(dòng)邊讀數(shù)，彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)不穩(wěn)定，應(yīng)該靜止讀數(shù)，他的想法　　　 (選填“正確”或“不正確”)，因?yàn)樗麤](méi)有考慮到　　　　對(duì)滑輪組機(jī)械效率的影響。
解析　小明的想法不正確。勻速拉動(dòng)彈簧測(cè)力計(jì)使鉤碼上升時(shí)，所做的額外功為對(duì)動(dòng)滑輪和繩子重力做的功，還有克服滑輪軸的摩擦、繩子與滑輪之間的摩擦所做的功，如果靜止讀數(shù)，會(huì)忽略了摩擦力對(duì)機(jī)械效率的影響；
不正確
摩擦力
(7)若將此滑輪組換一種繞繩方法，不計(jì)摩擦及繩重，提升相同的物體時(shí)，滑輪組的機(jī)械效率　　　(選填“變大”“變小”或“不變”)。
解析　同一滑輪組提升相同的物體時(shí)，不計(jì)摩擦及繩重，由η＝知，只改變繞繩方法時(shí)，滑輪組的機(jī)械效率不變。
不變

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