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学科：物理
教学内容：测滑轮组的机械效率

课前准备
一、新课标学习要求
1.知识与技能
会测定滑轮组的机械效率
2.过程与方法
在实验过程中，培养设计实验、收集实验数据、从实验中归纳科学规律的能力.
3.情感、态度与价值观
尊重实验事实、培养合作与交流的良好品质.
二、整体感知

三、相关知识
变速自行车变速的道理
自行车能够前进运动，是靠人用脚踩动脚蹬板来提供动力，驱使后轮转动产生摩擦力而形成的，而后轮的转动是通讨链条把中轴、后轴上的花盘轮和飞轮相连带动，两轮每个齿与各链条间的孔对应，花盘转过一个齿，飞轮也转过一个齿，绝不可能打滑.新型变速自行车中，中轴花盘上几个直径不同，齿数不同的齿盘，后轴飞轮有几个直径、齿数不同的齿盘，选择不同齿数的齿盘，通过链条相连带动，后轮转动快慢就改变了.
四、学法点拨
本节是节实验课，主要是研究滑轮组的机械效率及其影响因素，做好此实验的关键是正确测出物重、弹簧测力计的拉力、物体升高的高度和绳自由端移动的距离.在实验操作过程中要使弹簧测力计匀速上升，要注意与同学合作交流、共同完成.
教材知识全解
一、同定滑轮组的机械效率
深究：
提出问题：使用不同的滑轮组提升同一个物体，滑轮组的机械效率相同吗？
猜想与假设：不同的滑轮组的机械效率可能不同.
实验探究：
（1）用一个动滑轮和一个定滑轮组成的滑轮组提升四个钩码，记录钩码的重力、弹簧测力计的拉力、钩码上升的高度、绳自由端移动的距离.
（2）用两个动滑轮和两个定滑轮组成的滑轮组提升四个钩码，记录钩码的重力、弹簧测力计的拉力、钩码上升的高度、绳自由端移动的距离.
（3）分别计算出有用功、总功和机械效率.
通过与同学们交流讨论，你能得到什么结论？
二、机械效率总是一定的吗
探究：
提出问题：既然使用机械有一个效率问题，那影响机械效率的因素有哪些呢？
猜想与假设：机械本身的重或是机械之间的摩擦力大小可能会影响机械的效率.
（1）用水桶提水时，水桶越轻，我们对它做的额外功越少，则效率越大；
（2）同样用水桶提水时，装的水越多，我们做的总功会越大，而对水桶做的额外功也会相对越少，也可以提高效率；
（3）同理，在用滑轮组提升物体时，所提升的物体越重，会相对减少额外功，达到提高机械效率的目的.
说明
①机械的效率并不是固定不变的，而是随着不同的工作状态和环境而变化的.例如：一个组装好的滑轮组，其提起的物重越大，则其机械效率越高，因为此时的额外功（提起机械本身所需要的功）相对越小；当然，由于机械间的摩擦而造成的额外功并不会减小.
②提高机械效率，更充分地发挥机械设备的作用，有重要的经济意义.提高机械效率的主要办法是改进结构，使它更合理、更轻巧.在使用中按照技术规程经常保养，定时润滑，使机械处于良好的运转状态，对于保持和提高机械效率也有重要作用.
起重机的机械效率是40～50%，滑轮组的机械效率是50～70%，抽水机的机械效率是60～80%.
三、提高机械效率的方法
1.尽量减少额外力，采取减轻机械本身的重和加润滑油减小摩擦的办法.
2.当额外功一定时，在机械能承受的范围内尽可能增加每次提起重物的重力，充分发挥机械的作用.
典型例题精析
题型Ⅰ 面向全体、双基巩固
例1 用同一滑轮组分别把100N和200N的重物匀速提高5m，如果两种情况下的额外功相等，则( ).
A.所做的总功不相等 B.所做的有用功不相等
C.两次的机械效率相等 D.用于拉绳子的力两次相等
解析：匀速提高物体时，有用功W有=Gh，因为物重不同，所以两次用于拉绳子的力以及有用功必然不相等.在额外功一定的情况下，有用功越多，则有用功在总功中所占的比例也必然会增大，所以机械效率也就不会相同.
答案：B
注意
尽管是同一个滑轮组，但它们的机械效率却并不相同，要注意理解.
例2 不计摩擦，将一动滑轮改为定滑轮来提高重物，这样一定能( ).
A.提高机械效率 B.提高功率 C.改变用力方向 D.节省力
解析：使用定滑轮提高重物，只能改变力的方向，但不能省力；用动滑轮提高重物时，尽管省力，但要克服动滑轮的重力多做额外功，所以效率会很低.功率是反映做功快慢的，它的大小由做功的人来决定.如果慢慢地提高重物，则功率会很低，反之若很快地提起重物，则功率也会提高.所以B、D是错误的.
答案：AC
评注：若将定滑轮改为动滑轮使用，省力了但效率却降低，意味着效率高低与省力多少没有关系.
例3 （2004·广东省）用图9-6-1所示的滑轮组将重为G的物体匀速提升h，绳子移动的距离为 ；所做的有用功为 ；设所用的拉力为F，则该滑轮组的机械效率为 .

分析：动滑轮上有三股绳子，重物G上升h，则绳子自由端移动的距离为3h，有用功为W有=Gh.拉力F所做的功为W总=Fs=3Fh，机械效率为η=.
答案：3h Gh G/3F
题型Ⅱ 生活·物理·社会
例4 （2004·河北）如图9-6-2所示，某同学用一个动滑轮匀速提起一袋质量是18kg的面粉，所用的拉力是100N，则动滑轮的机械效率是 .若用此动滑轮匀速提起一袋质量是25kg的大米，此动滑轮重20N，当拉绳的速度是 m/s时，拉力的功率为54W.（g取10N/kg，绳重和摩擦不计）

解析：不计绳重和摩擦时，提起动滑轮所做的功为额外功的全部.当匀速提起25kg的大米，做功对象变化了，该动滑轮的机械效率将会发生改变.
答案：(1)提起面粉时的机械效率
η==90%
（2）动滑轮的重力因为有两段绳子连接着动滑轮，所以2F1=G1+G动
提起大米时所用的拉力大小 F2==135N
根据P=F2υ，则绳子自由端的速度
υ==0.4m/s.
例5 外力对水泵做7×1O5J的总功，水泵把5×1O3kg的水送到10m的高处，计算：
（1）水泵完成的有用功？
（2水泵的机械效率？
解析：(1)水泵完成的有用功W有=Gh=mgh=5×103kg×10N／kg×10m=5×105J
（2）该水泵的机械效率 η=≈71%.
答案：(1)5×105J （2）71%
例6 （2004·河南省）某建筑工地用图9-6-3所示的滑轮组搬运建筑材料，若工人用120N的拉力F将重300N的建筑材料匀速吊起，则滑轮组的机械效率为 .

解析：由于动滑轮上有3股绳子，建筑材料上升h，则绳自由端移动3h，由
η=便可求得.
答案：83.3%
题型Ⅲ 开放与创新
例7 （2003·河南省）在做“测滑轮组的机械效率”的实验中，小明和同学们测得图9-6-4中甲、乙两个滑轮组的机械效率不同.
（1）实验后小明想：对于同一个滑轮组，它的机械效率是否不变呢？经过思考后他认为：即使像图9-6-4中甲那样已绕好的滑轮组，机械效率也不是固定的，还应该与 有关，并用实验证明了自己的猜想是正确的.你认为小明的实验方法是： .
（2）小明将自己所做的上述实验告诉他的同学，大家探究的欲望更加强烈，大家认为：用滑轮组提升重物时，提升动滑轮所做的功是没有用的，所以 也应该是影响滑轮组机械效率高低的主要因素.小明说，其实大家已测得的甲、乙两个滑轮组的机械效率不同，就证明了这一点.
杨老师提醒同学们说：大家应该注意到，在探究影响滑轮组机械效率高低的因素时，我们没有考虑摩擦的因素.

解析：测一滑轮组的机械效率的原理是：η==，由它可以知道，同一套滑轮组，在同样情况下，提起了更多的物体，则有用功在总功所占的份额会越大，因此机械效率也就越高了；对于不同的滑轮组而言，同样情况下，动滑轮越多，提起动滑轮所做的额外功就会越多，因此效率会越低.
答案：（1）提升重物的多少在图9-6-4所示的滑轮组下挂不同数量的钩码，分别测出滑轮组的机械效率并进行比较 （2）动滑轮的个数
例8 某人站在岸上，利用滑轮组通过拉绳使停泊在水中的船匀速靠岸.已知滑轮组是由两个定滑轮和两个动滑轮组成（滑轮组的自重忽略不计），船重1.02×105N，船移动时受到水的阻力是船重的0.01倍.船受到滑轮组的拉力始终沿水平方向.此人水平拉绳的力为240N，船靠岸的速度是0.72km/h.
求：（1）滑轮组的机械效率；
（2）人拉绳的效率.
解析：人拉船前进时，用两个动滑轮和两个定滑轮组成的滑轮组.由于人站在岸上拉船靠近岸，所以滑轮组按如图9-6-5所示放置，共有5根绳拉船前进.

答案：(1)动滑轮对船的拉力做的功是有用功，该拉力大于等于船前进所受的阻力.阻力为船重的0.01倍，即f=0.01G=0.01.02×105N=1.02×103N.船前进的距离（s0）是绳子自由端前进距离（s）的1/5，滑轮组的机械效率为：
η===85%
（2）船的速度
υ0=0.72km／h=0.2m／s
船前进的距离（s0）是绳子自由端前进距离（s）的1/5，所以不难得出绳子自由端移动的速度是船移动速度的5倍，所以人拉力的功率
P==Fυ=F·5υ0=240N×5×O.2m／s=240W
评注：解决滑轮组的问题，一定要认清其连接方式.本题要求人在岸上拉绳，也就是绳子最后通过动滑轮，才能确定有5根绳子拉绳.若题目改为人站在船上拉，则绳索最后通过的是定滑轮，为用4根绳拉船前进.
滑轮组可将重物拉起，也可拉动物体水平前进.两种情况的原理完全相同，只是力的方向、大小不同.拉起重物时克服重力做功，水平拉物时克服阻力做功.
题型Ⅳ 学科渗透
例9 （2004·黑龙江）一个工人用如图9-6-6所示的滑轮组匀速提起2000N的货物，所用的拉力是600N，绳子自由端被拉下4m.求：
（1）此滑轮组的机械效率多大？
（2）你认为此滑轮组的机械效率与哪些因素有关？
解析：测定滑轮组机械效率的原理是：η==，由此可知，只要求出有用功和总功即可求出.而影响机械效率的因素很多，可能是物重、动滑轮重、摩擦等因素，只要分析合理都算正确.
答案：（1）η==≈83.3%
（2）与物体重有关；与动滑轮重有关；与绳重有关（或者与绳和滑轮之间摩擦有关或者与滑轮和轴之间摩擦有关）

例10 （2004·江苏泰州）滑轮组既能省力又能改变力的方向.亮亮用自制的滑轮组来提起500N的重物（如图9-6-7所示），绳自由端的拉力F=200N，重物以0.2m／s的速度匀速上升，不计摩擦和绳重，则动滑轮重 N，拉力做功的功率是 W，该滑轮组的机械效率等于 .当被提起的重物变重时，滑轮组的机械效率就 （填“变大”、“变小”或“不变”）
解析：因动滑轮上有三股绳子，由F=（G物+G轮）可求出：G轮=3F-G物=100N，由P=Fυ，η=便可求出功率和滑轮组的机械效率.
答案：100 120 83.3% 变大
题型Ⅴ 探究学习
例11 （2004·南京）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：
次数
钩码重/N
钩码上升的高度/cm
弹簧测力计的示数/N
弹簧测力计移动的距离/cm
1
2
10
0.8
40
2
5
5
0.5
20
（1）此实验所用滑轮的个数至少是 个，其中动滑轮有 个.
（2）实验中应 拉弹簧测力计.
（3）第一次实验测得滑轮组的机械效率为 ，第二次实验时滑轮组的机械效率
（选填“大于”“小于”或“等于”）第一次的机械效率.
解析：分析表格中钩码上升的高度与弹簧测力计移动的距离可知动滑轮上有4股绳，从而能判断出动滑轮、定滑轮的个数，根据η=便可求出滑轮组的机械效率并做比较.
答案：（1）3 2 （2）匀速竖直 （3）62.5% 大于
例12 （2004·江苏南通）图9-6-8为测量滑轮组机械效率的实验装置，每个钩码重1N.
（1）实验时要竖直向上 拉动弹簧测力计，由图9-6-8可知拉力大小为 N.若弹簧测力计向上移动15cm，则钩码上升高度为 cm，该滑轮组的机械效率为 .
（2）若仅增加钩码的个数，该滑轮组的机械效率将 .（选填“增大”“减小”或“不变”）

解析：从9-6-8图中可看出测力计示数为1.2N，滑轮由3股绳子承担，则s=3h，h=s=5cm，η==83.3%.由η=可知，提起的重物越重，有用功在总功中占的比率越大，机械效率越高.
答案：（1）匀速 1.2 5 83.3% （2）增大
课标理念剖析
一、开放性问题剖析
开放性试题是以多端性、变通性、独特性为特点的创造性思维方法，培养学生发散思维能力.解题中要对问题从不同角度进行探索，从不同层面进行分析，从正反两极进行比较.要克服思维定势，避免思维僵化和单一，从而有助于对问题的全面深刻认识，处理方法灵活多样，在求知中产生创新和有所突破.常见的试题有：条件开放、过程开放、结论开放三种形式.
例1 （2003·青海）站在地面上的人用滑轮组把重960N的货物由地面匀速提升到4m的高处（如图9-6-9甲），所用的时间是8s，人作用在绳子自由端的拉力为600N.（不计绳重和摩擦）
（1）依据题意在图9-6-9甲中画出绳子的绕法.
（2）请根据已知条件设疑并解答（至少求出4个物理量）.

解析：因为人是站在地面上拉动绳子的，所以最终拉力的方向是向下.另外题目已知货物的重力G、人作用在绳子自由端的拉力F、运动的时间t以及物体上升的高度h，所以我们可以完成有用功、总功、额外功、机械效率、速度、功率等的相关计算.
答案：(1)滑轮组的连线情况如图9-6-9乙所示.
（2）问题一：人所做的有用功大小？
解：W有=Gh=960N×4m=3840J
（3）问题二：人做的总功大小？
解：W总=Fs=F2h=600N×2×4m=4800J
（4）问题三：滑轮组的机械效率多大？
解：η==80%
（5）问题四：人做的额外功大小？
解：W额=W总-W有=4800J-3840J=960J
（6）问题五：动滑轮的重力大小？
解：因为不计绳重和摩擦，所以克服动滑轮重力所做的功即为额外功
G动==240N
（7）问题六：物体被提升的速度？
解：υ物==0.5m/s
（8）问题七：人做功的功率大小？
解：人做的功为总功
P总==60Ow
评注：这是一道开放性的题目，答案不是惟一的，可以锻炼同学们综合运用知识的能力.除了题目中给出的问题外，我们还可以计算人做有用功的功率、做额外功的功率、绳子自由端移动的速度等.
二、科学探究性问题剖析
科学过程是探究，也就是科学家运用科学法，通过探究的途径去发现人们尚未认识的科学事物及其规律.有关滑轮组的机械效率，可让学生经历一个完整的探究过程，以培养学生动手操作，解决实际问题的能力.
例2 某同学做“测定滑轮组机械效率”的实验时：
（1）所用的器材除钩码、铁架台、滑轮组、细绳外，还需要 和 .
（2）实验原理是 .
（3）向上拉弹簧测力计时，应使钩码做 运动.
（4）实验测量数据如下表所示：
钩码重
G（N）
弹簧测力计示数
F（N）
钩码上升高度
h（m）
绳端向上移动的距离
s（m）
1.5
0.4
0.1
0.5
（5）总功W总= J.有用功W有= J.滑轮组机械效率η= .
答案：（1）刻度尺 弹簧测力计
（2）η=W有/W总.
（3）匀速直线运动（否则弹簧测力计读数是变化的，从而大小不定.）
（5）根据实验数据计算：W总=F·s=0.4N×0.5m=0.2J
W有=G·h=1.5N×O.1m=0.15J
机械效率η=W有／W总=0.15J／0.2J=75%
课标中考链接
一、考点分析
测滑轮组的机械效率的实验是各地普遍考查的重点，尤应引起重视.题型多以填空题、选择题、作图题及实验题为主.
二、热点考题研究
例 （2004·辽宁省）某同学用如图9-6-10装置测定滑轮组机械效率，在实验前，请你帮他猜想该装置中可能影响其效率高低的主要因素有哪些？（要求写出两种即可）
猜想（1）
猜想（2）

分析：这是一道开放性命题，着重考查实验探究的第二环节：猜想与假设.在解答此类试题时，要紧扣影响机械效率高低这一问题，进行合理的猜想与假设，从而培养学生科学探究的欲望.
答案：猜想：(1)动滑轮重力可能影响滑轮组的机械效率.
（2）摩擦及绳重可能影响滑轮组机械效率.
（3）提升物体的重力可能影响滑轮组的机械效率.
课后小结
一、知识梳理

二、方法规律总结
1.在探究滑轮组的机械效率时，要使物体匀速上升时读取弹簧测力计的示数，这是整个实验的难点.
2.根据η==分析影响机械效率的因素，提出合理的猜想和假设，并通过实验来验证，是本节实验的提升.
三、思维误区
在滑轮组中，判定绳子自由端移动的距离与物体移动距离的关系，分清有用功和总功是解决机械效率问题的关键.
例 （2004·陕西省）如图9-6-11所示是起重汽车起吊2t货物时的实物图.当货物以1m/s的速度上升2m后再水平移动3m.已知滑轮组的机械效率是80%.（g取10N/kg，起吊货物时支架与吊臂相对固定）

（1）观察实物图，在图9-6-12中画出滑轮组钢绳的绕法.
（2）起重机起吊该货物时的有用功率是多少？
（3）起重机起吊该货物时，每段钢绳的拉力有多大？
解：（1）绕法如图9-6-13所示

（2）W有=Gh=mgh=2000kg×10N／kg×2m=4×104J.
t==2s
P有==2×104W=20kW
（3）W总==5.0×104J
W总=Fs=3Fh
F==8.3×103N