机械效率1.doc

二十五、机械效率
教学目的
1．知道有用功、额外功和总功及三者的关系．
2初步理解机械效率的概念，并能计算简单机械的效率．
3．培养学生对任何事情都要注意“效率”的科学态度．
重点与难点
对机械效率概念的理解．
教学过程
l·引入新课
师：由于近几天的连续阴雨，我们的教学楼上有的地方漏雨了，现在急需把100牛顿重的砂子运用9米高的楼上，做修理楼顶用．想想看，有哪些方法，可以把砂子运上去？
（找几个同学答，准备一桶砂子让学生提一提．）
生甲：可以把砂子装在桶里，人提上去，或用绳子拉上去．
生乙：可以用起重机吊上去．
生丙：还可以用动滑轮或滑轮组等简单机械将砂子运上去．
师：同学们回答得都很好．我们还可以提出许多办法将砂子运上楼去．现在我们选取其中的一种做个模拟实验．
师：［实验1」这是一定一动滑轮组（图25－1），选取最省力的绕法；用1牛顿代表10牛顿，用1厘米来代表30厘米；物体重10牛顿，每个滑轮重1牛．请同学们观察，现在是几段绳子承担物体与滑轮的总重？
生：三段．
师：把这桶100牛顿重的砂子运到9米高的楼上时，绳子末端通过的距离S为多少？
生：S=3h=27米．
（观察：把物体提高10厘米时绳子末端通过的距离——为30厘米）．
师：作用在绳子末端的力是多大呢？
（观察：与绳子末端相连的弹簧秤的示数——为4.5顿）．
师：由上面的模拟实验可知，通过滑轮组把重100牛顿的砂桶提高9米，实际用力（绳端）需45牛顿，绳端移动距离为27米。根据上节课学过的功的概念，我们一起来计算：（1）把100牛顿重的砂子运到9米高的楼上，需要做多少功？
［付板书1］w1＝G·h＝100牛 X 9米=900焦
师：（2）通过滑轮组将砂子运上去，实际做了多少功？
[付板书 2]w2＝ F·S＝ 45牛 X 27米= 1205焦
师；根据功的原理，这两个功应该相等，可实验结果，这两个功并不相等．想想看，是什么原因？
生甲：作用在绳子末端的力大了，因为动滑轮和桶都有自重，提高砂子时也要提高桶和动滑轮，F>所以实际做的功多了。
生乙：绳和滑轮之间还有摩擦，也需要做功．
师：我们的目的是把砂子运上楼，所以把100牛顿重的砂子运到9米高的楼上所做的功，无论采取哪种方法都是必须做的功，是有用功．用滑轮组将砂子运上去，在完成运砂子的有用功的同时，还不得不对桶、动滑轮做功，把它们也运了上去．此外还要克服绳与滑轮间的摩擦做功等等．这部分功是我们不需要做的，但又不得不做的功，是额外功．
［板书1］ ．有用功、额外功、总功
有用功：对人们有用的功．（W有）
额外功：对人们完成某种任务而言是没有用的，但又不得不做的功．（W额）
总功：有用功与额外功的和．（W总）
2．实验与讨论
（1）学生分组实验（分4个内容，每个内容6个小组，共24个小组，4个实验并进．每组的实验装置事先准备好，并将各内容的实验步骤写成实验报告，印发给每个小组）．
［实验2］测定：把重G=1．5牛顿的物体（木块）（各组都一样重），提高到h=0．2米的高度时：
A通过一定一动滑轮组所做的有用功、总功．（实验装置如图25－2）
B通过两定两动滑轮组所做的有用功、总功．（实验装置如图25－3）
C．通过较光滑斜面（木板表面，长S=0．6米）所做的有用功、总功．（实验装置如图25－4）．
D．通过较粗糙斜面（木板上贴有毛巾，长s=0. 6米）所做的有用功、总功．（实验装置如图25－5）

（上面实验内容可写在投影片上用投影仪映出．实验前应对弹簧秤的使用进行复习．注意提醒做A、B两个实验的同学，一定要使手通过弹簧秤拉绳子末端竖直向上匀速移动，在运动中记录下弹簧秤的读数；做C、D两个实验的同学要注意弹簧秤应与斜面平行，也应在匀速拉动物体的过程中记录下弹簧秤的示数）．
（2）实验记录
见表25－1
（事先在投影片上写好，只留下数据随堂由学生填写，“η”一项先空着不写，练习时再填）．
表25-1
实验内容
物重G
提升用力F
实验用力F
实移距离s
有用功W有=G·h
总功W总=F·s
机械效率η=
A
1.5牛
0.2米
0.7牛
0.6米
0.42焦
0.42焦
71.4％
B
1.5牛
0.2米
0.5牛
1.0米
0.5焦
0.5焦
60％
C
1.5牛
0.2米
0.93牛
0.6米
0.56焦
0.56焦
53.6％
D
1.5牛
0.2米
1.1牛
0.6米
0.66焦
0.66焦
45.5％
（3）讨论与分析：
师：通过刚才的实验及对实验数据的分析，请同学们思考：第一，完成相同的一件事，即把重为1．5牛的木块提到0．2米的高处，每组所做的功是否一样？
生：不一样．
师：第二，每组所做的功是属于有用功呢？还是属于总功？
生：是总功．
师：第三，每组所做的有用功是多大呢？
生：都是W有＝G·h＝0.3焦．
师：第四，有无一种简单机械在做功时，可以不做额外功？
生：没有．额外功是不可避免的．
师：第五，不论使用哪一种简单机械，我们是希望有用功在总功中占的比例越大越好呢，还是越小越好？
生：越大越好．有用功在总功中占的比例越大，表明有用功与总功越接近，额外功越少．
师：在使用机械时我们最关心的是所做的这些总功中，有用功究竟占多少．因此，我们就用有用功在总功中占的比值来表示该种机械对总功的利用率的高低．为此我们引入一个新的物理量，叫做机械效率．
3．建立机械效率的概念
’[板书2］（写在板书1之上，黑板正中，出课题）
三、机械效率
2．机械效率的定义：有用功跟总功的比值叫做机械效率．用“η”表示．
3·机械效率的公式：η=
师：现在我们来计算一下同学们分组实验中所用的简单机械的效率．
（由学生计算后填入刚才实验记录的表格）．
师：由计算结果可知——
［板书3]小机械效率是个百分数，没有单位．
师：请同学们打开书（教材）第171页，看几种机械的效率的数值范围．
4思考与讨论
师：现在我们一起来讨论几个问题：（用投影片）．第一，一定一动滑轮组和两定两动滑轮组提起同样重的物体到同样高度，哪个省力？哪个机械效率高？
生甲：两定两动滑轮组是5段绳承担物体与滑轮的总重，一定一动滑轮组是3段绳承担物体和滑轮的总重，所以两定两动滑轮比一定一动滑轮组省力．
生乙：将同样重的物体提到同样的高度，需做的有用功是相同的．用一定一动滑轮组把物体提上去的同时要将一个动滑轮也提上去，而两定两动滑轮组要将两个动滑轮提上去，所以两定两动滑轮组做的总功更多一些，它的效率就比一定一动滑轮组要低些．
师：回答得很好．我们再看第二个问题：使用机械以后，既然都得做额外功，那么“功的原理”是否还成立？
师：我们先来复习一下“功的原理”的两种表述．
生丙：人们利用任何机械时所做的功，都等于不用机械而直接用手所做的功．
生丁：使用任何机械都不省功．
师：第一种表述是针对机械效率等于100％的理想机械而言的．第二种表述可对任何机械适用．“不省”有两层含义，一种是不省功也不费劲，如第一种表述；另一种是“费功”的意思．因为只要使用机械，就有机械自重问题，就有摩擦存在，就需要做额外功．所以，对于一个实际机械，WQ应理解为：克服有用阻力做的功与克服额外阻力所做的功之和．
机械
[板书4]5.W总 W有
W额
师：动力对机械所做的功等于机械克服全部阻力所做的
功．所以，有了机械效率后，功的原理仍然适用．
师：我们再看第三个讨论题：“机械效率丁的数值应在什么范围”？
生戊：因为WE总小于W。。，所以7小于1·
[板书5］6．机械效率总小于1。
师：那么，怎样才能提高机械的效率？
生已：减少额外功．
师：怎样减少额外功呢？
生庚：减轻机械的自重，减小机械零件间的摩擦等．
师：注意保养机械，定时润滑，使其处于良好的运转状态；改革设备，使其更轻巧、更合理，充分发挥作用等，对于提高机械的效率有很重要的作用．
师：现在我们回到最初讨论的问题上，即把100牛顿的砂子运到9米高的楼上，现在我给大家提供三种方法（如图25-6），你们分析一下哪种方法较好，为什么？

生：第三种方法较好，即把砂子装在口袋里，用动滑轮提上去的方法较好．因为使用动滑轮可以省力，用袋子比用桶轻，这样可以减少额外功，提高机械效率．
师：请同学们进一步思考：第三种方法确实较好，可是为什么工地上最常用的是第二种方法呢？
生：是不是除了考虑机械效率外，还应考虑其他因素？
师：对．从机械效率这个角度看，第三种方法固然好，袋子比桶轻，可以减少额外功；可是从经济效率方面看，袋子没有桶耐用，捆扎袋口也费时费工；所以综合起来考虑，人们实际操作中常采用第二种方法．
5小结
师：以上我们讨论了机械的效率、提高机械效率的方法等．其实，在日常的生产、生活中，“效率”的含义很广泛．我们做任何事情都有一个效率问题．我们生活的社会，是一个现代 化的社会，是讲效率的社会，时时、事事、处处都要求高效率，以尽可能少的消耗去取得尽可能多的效益．我们在学习中，也应注意学习的效率，特别是提高45分钟的课堂效率，这是我们掌握知识、提高成绩的重要方法．
已巩固练习
（l）计算引课实验中所用机械的效率．
（2）（投影片）判断下列说法是否正确。
A．有用功多的机械，机械效率高．
B．总功少的机械，机械效率高．
C．额外功少的机械，机械效率高．
D．总功一定时，有用功多的机械，机械效率高．
7布置作业
课本第171页，练习1、2．
教学说明
1．本节课的设计思想
本节课力求体现“以教师为主导，以学生为主体，以实验为主线，以落实知识、培养能力为中心”的教学思想，为此设计本课时注重了以下几个方面：

（l）增加了学生实验．
这节课设计了四个学生实验：即用两种简单机械分四种不同情况，分别讨论在完成相同的有用功时所做总功的多少．为提高课堂效率，这四个实验采用同时并进的方法．通过实验和讨论，使学生认识到：A不同的机械，V不同；B．同种机械， 也可能不同；C．省力的机械对不一定高．
（2）加强对概念物理意义的讨论．
如： 的大小表示什么意义？为什么 总小于1？怎样提高机械的 值？在学生对机械效率概念有了一个较全面的认识后，再引入对“功的原理”的讨论，纠正学生那种认为“功的原理”只有在不考虑 的理想情况下才适用的错误认识．
（3）重视创设物理情景。
这节课的情景设计，主要体现在以下三个方面：
A．以“阴雨天楼房漏雨，修理时需要将砂子运上楼”的生活实例，通过学生提砂子、想办法及教师的演示实验，创设一种与研究课题紧密相关的特定情景，为引人概念，讲情意义，突破难点，做好铺衬．
B．在引入机械效率概念的基础上，让学生计算各自实验中所用机械的效率，在热烈的学习氛围中使其去认识引入新知识的必要性．
C．在本课结束前，老话重提“运砂子”问题，教师给出三种方法让学生讨论。通过讨论不仅使学生在本课学到的知识得到落实，更重要的在于让学生明确，学习物理，就是要从生活中学习，在生活中应用．
2．使用本教案需注意的问题
（1）本节课的教学要求制定得较高，课堂的密度也比较大，又有不同内容的并进式学生实验。因此本教案比较适合于生源素质较好的班级。对于一般班级的学生，可采用分成两节课内容教学的方法：第一节课在引入了“有用功、额外功、总功”后，教师带领学生通过分析〔实验1]的数据，总结建立机械效率的概念，计算[实验1」所用滑轮组的机械效率，思考讨论“4．思考与讨论”中的第三个问题“ 的数值应在什么范围？怎样提高机械的效率”，然后引入到对教师提供的“三种方法”，的讨论上．而将“2·实验与讨论”中的学生实验及“4·思考与讨论”中的第一。第二讨论题改在第二节课进行，结合书上的实验课内容，合并为一节学生实验课．
（2）本节课的四个学生实验，上课前教师应将它全部准备好，如：木块要事先称量好，要一样重；测量高度的刻度尺要固定在铁架台上，并在0.2米处做出显著标记；滑轮组的线绳可事先穿好；做“粗糙斜面”用的长木板上面的毛巾要事先贴好；还要检查弹簧秤的“三要素”是否合乎要求等等．
实验时可将学生编成2人一组，每6组做一个内容的实验，所以每套器材需准备6份．
实验中所需器材有：
一定一动滑轮组、两定两动滑轮组、长木板、贴有毛巾的长木板各6件；木块、弹簧秤、铁架台、刻度尺各24件．