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九年级上册物理第11章简单机械和功
苏科版9上物理，第11章：简单机械和功详细知识点梳理，包含：①杠杆②滑轮③功④功率⑤机械效率等相关知识，使用其他版本教材的同学也可以正常使用。
编辑于2023-12-18 09:59:58- 机械效率
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九年级上册物理第11章简单机械和功
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简单机械和功
杠杆
杠杆
杠杆
物理学中，将在力的作用下可绕一固定点转动的硬棒称为杠杆
杠杆必须是硬棒
硬棒泛指有一定长度，在外力作用下不变形的物体
形状可以是任意的，既可以直，也可以弯
一根硬棒要成为杠杆，应具备两个条件
1.要有力的作用
2.能绕某固定点转动
固定点
相对于杠杆来说，这一点是不动的
杠杆五要素
图示
支点
杠杆绕着转动的点
通常用字母O表示
杠杆的支点一定要在杠杆上，可以在杠杆的一端，也可以在杠杆的其他位置
力
动力
作用在杠杆上，使杠杆转动的力
阻力
作用在杠杆上，阻碍杠杆转动的力
动力和阻力是相对的
动力和阻力都是指杠杆受到的力（力作用在杠杆上），而不是杠杆对别的物体施加的力
动力和阻力的作用点都在杠杆上
动力和阻力的作用效果使杠杆转动方向一定相反，（一个力使杠杆顺时针方向转动，则另一个力使杠杆逆时针方向转动）。但动力和阻力的方向不一定相反
有时不易区分哪个力是动力,哪个力是阻力，可设某一个力(如使杠杆顺时针方向转动的力)为动力,则另一个力(使杠杆逆时针方向转动的力)为阻力
力臂
力的作用线
经过力的作用点，沿着力的方向所引的直线叫力的作用线
延长线或反向延长线，要用虚线
概念
从支点到力的作用线的距离
由支点向力的作用线作垂线,支点与垂足间的距离,不能理解为支点到力的作用点的距离
点到线的距离，不是点到点的距离
力臂有时在杠杆上，有时不在杠杆上，如果力的作用线恰好通过支点，则力臂为零
分类
动力臂
从支点到动力作用线的距离
阻力臂
从支点到阻力作用线的距离
力臂的表示方法
可以用两端带箭头的线段表示，如图甲所示;也可以用大括号勾出，如图乙所示
力臂的画法
①定点
在杠杆的示意图上确定支点O
②画线
画好动力作用线及阻力作用线
如果需要，可用虚线将力的作用线延长
③作“垂线段”
从支点О向力的作用线引垂线,则从支点到垂足的距离就是力臂
④标符号
在图中标出力和力臂的符号
最长力臂
杠杆示意图的画法
注意
一个完整的杠杆示意图要能反映出杠杆的五要素
步骤
找支点
画力线
找出力的作用点和力的方向，沿力的方向画出力的作用线
作垂线
从支点向力的作用线作垂线，画出垂足
标力臂
用大括号或箭头勾出力臂，并在旁边写上表示动力臂阻力臂的字母
杠杆平衡的条件
杠杆的平衡
在力的作用下，如果杠杆处于静止状态或绕支点匀速转动，我们就说此时杠杆处于平衡状态
不一定是在水平位置平衡了
实验探究：杠杆平衡的条件
实验步骤
1
调节杠杆两端的螺母，使杠杆在不挂钩码时，保持水平并静止，达到平衡状态
在实验过程中，就不可以再调节平衡螺母了
保持水平静止
杠杆的重心落在支点上，杠杆重力的力臂为0，消除杠杆自重的影响
调节方法
哪端高，把平衡螺母向哪端调节
2
给杠杆两侧挂上不同数量的钩码，移动钩码的位置，使杠杆重新在水平位置平衡
这时杠杆两侧受到的作用力等于各钩码所受的重力
重新水平位置平衡
力臂与杠杆重合，便于在杠杆上直接读出力臂大小，即便于测量力臂
3
设右侧钩码对杠杆施加的力为动力，左侧钩码对杠杆施加的力为阻力；测出杠杆平衡时的动力臂和阻力臂。
力
设右侧钩码对杠杆施加的力为动力
左侧钩码对杠杆施加的力为组力
实验中钩码的重力不是动力或阻力
力臂
测出杠杆平衡时的动力臂和阻力臂：
实验中钩码的重力不是动力或阻力，动力或阻力是钩码通过挂钩作用在杠杆上的力，钩码的重力是由于地球的吸引使钩码受到的力，二者受力物体和施力物体都不同。但是当杠杆水平平衡时，动力和阻力与钩码的重力大小相等
4
再做几次实验
多次测量的目的
避免实验结论的偶然性，使得出的结论具有普遍性
结论
当杠杆平衡时，动力×动力臂=阻力×阻力臂，即
注意事项
1
调节杠杆在水平位置平衡，与调节天平平衡的方法一样，杠杆哪端高，就将平衡螺母向哪调，即左高左调，右高右调
2
使杠杆在水平位置平衡是为了使力臂的大小可以直接从杠杆上读出，测量力臂比较方便
3
探究平衡条件时，实验数据至少测三组，使实验结论更有说服力，不具有偶然性
4
杠杆的支点处于中央的目的
使杠杆重心落在支点上，排除杠杆自重对杠杆平衡产生的影响
5
将杠杆一端的砝码换成弹簧测力计的好处
能直接测出拉力的大小，实验操作更方便
6
弹簧测力计从竖直拉杠杆变成倾斜拉杠杆
拉力的力臂变小
弹簧测力计示数变大
平衡条件表达式
表达式
①
动力×动力臂=阻力×阻力臂
②
要准确画出杠杆的示意图，确定力臂的大小
单位要统一
力
力臂
表达式的意义
动力臂是阻力臂的几倍,动力就是阻力的几分之一
很多时候不用刻意区分动力和阻力，若其中一个力为动力，则另一个力为阻力
若涉及到杠杆的重力，注意要把重力示意图的起点画在杠杆的重心上
杠杆的分类
分类
省力杠杆
图示
力臂关系
动力臂比阻力臂长
力的关系
大小关系
动力小于阻力
力所移动的距离的大小关系
动力移动的距离大于阻力移动的距离
特点
省力
费距离
撬棒、钳子、羊角锤、起子等
费力杠杆
图示
力臂关系
动力臂比阻力臂短
力的关系
大小关系
动力大于阻力
力所移动的距离的大小关系
动力移动的距离小于阻力移动的距离
特点
费力
省距离
船桨、食品夹、筷子、镊子等
等臂杠杆
图示
力臂关系
动力臂与阻力臂相等
力的关系
大小关系
动力等于阻力
力所移动的距离的大小关系
动力移动的距离等于阻力移动的距离
特点
既不省力也不省距离，既不费力也不费距离
托盘天平、跷跷板等
不存在既省力又省距离的杠杆
判断杠杆类型的方法
看力臂
通过比较动力臂和阻力臂的大小进行判断,因此对于比较复杂的杠杆,最好找到支点、动力、阻力,然后画出动力臂和阻力臂进行比较
看应用
省力杠杆一般在阻力很大的情况下使用
费力杠杆一般用在阻力不大的情况下,是为了省距离,使用起来方便
看距离
比较动力和阻力移动的距离,例如切纸刀、侧刀，动力移动的距离明显大于阻力移动的距离，说明费距离但省力,是省力杠杆
判断杠杆类型时，也可以根据使用杠杆的目的，是省力还是省距离来判断
相关问题
杠杆的最小力
思路
寻找最长动力臂
由杠杆平衡条件可知，阻力和阻力臂乘积一定，当动力臂最大时，动力最小
最长动力臂
支点到杠杆上离支点最远一点的距离
步骤
①定点（找最小力作用点）
在杠杆上找出离支点最远的点就是最小力的作用点
②连线（找最长力臂）
支点与最小力作用点的连线就是最长力臂
③定向
力作用线与最长力臂垂直且能使杠杆平衡
定向原则:动力与阻力使杠杆转动的方向相反
杠杆的动态平衡
思路
分析力臂变化
阻力一般不发生变化，则动力的变化取决于动力臂和阻力臂的变化情况
由杠杆的平衡条件可知
当动力臂变小或阻力臂变大时，动力变小
当动力臂和阻力臂都发生变化，但其比值不变时，动力不变
力始终垂直
图示
说明
动力臂不变
阻力（大小等于物体重力G）不变
阻力臂先变大后变小
动力F先变大后变小
规律特点
动力随阻力臂的变化而变化
力始终水平
图示
说明
阻力臂变大
动力臂变小
阻力不变
动力F变大
规律特点
动力变大
力始终竖直
图示
说明
阻力臂变大
动力臂变大
阻力臂和动力臂的比值不变
阻力不变
动力F不变
规律特点
动力和阻力平行,动力大小不变
判断杠杆能否平衡
思路
常规法→变化量法→极限法
常规法
通过比较变化后动力动力臂乘积与阻力阻力臂乘积的大小关系，判断杠杆是否平衡
变化量法
初始状态时
通过比较等式左右（力与力臂的乘积）的变化量，判断能否再次平衡
当力不变、力臂变化时，乘积的变化量为
当力臂不变、力变化时，乘积的变化量为
极限法
把变化放大至极限，判断能否再次平衡
比如悬挂的重物都向支点移动等距离时（不越过支点），可选取极限值：某一重物移至支点，另一重物没有移至支点
利用杠杆测密度
思路
列式相除，得浮重比
根据杠杆的平衡条件，列出杠杆每个平衡状态的平衡方程。注意用物体的重力和浮力表达动力或阻力
化简两等式，得出浮重比
根据公式得出待求物体密度
滑轮
滑轮
定义
一个周边有槽，能够绕轴转动的小轮
分类
定滑轮
图示
定义
轴的位置固定不动的滑轮叫定滑轮
物体动，滑轮不动
特点
可以改变力的方向
不省力也不省距离
本质
图示
等臂杠杆
支点是转动轴，动力臂和阻力臂都等于滑轮的半径
使用情况
忽略绳重和摩擦
F=G
s=h
F=f
由于轮与轴之间存在摩擦力,所以实际的拉力比物重要稍大一些
使用定滑轮时，施加的拉力F无论朝哪个方向，定滑轮都是一个等臂杠杆，忽略绳重和摩擦时，拉力的F大小都等于物体重力
动滑轮
定义
轴的位置随被拉动的物体一起运动的滑轮
物体与滑轮一起运动
图示
特点
可以省力，但不能改变力的方向
费距离
使用单个动滑轮最多只能省一半的力
理想情况下成立，即忽略绳重、摩擦和动滑轮重时
本质
图示
省力杠杆
动力臂为阻力臂2倍的省力杠杆
动滑轮使用情况
只忽略绳子的重力和轴间摩擦力时
s=2h
忽略动滑轮的重力和绳子的重力和轴间摩擦力时
s=2h
相当于物体的重力由两段绳子来承担，每段承担
忽略绳重和摩擦，水平移动的滑轮同时忽略滑轮重力
使用单个动滑轮提升物体,只有当绳子自由端被竖直向上匀速拉动时,动滑轮才能省一半的力,当绳子自由端斜向上拉动时,动力臂小于阻力臂的两倍,动滑轮就不能省一半的力
使用动滑轮时，施加的拉力F若不沿竖直方向，F的力臂将变小，拉力会变大
滑轮的结构
图示
滑轮的结构
轮、轴、吊环、挂钩等
轴通过支架与吊环或挂钩相连，定滑轮的吊环可以固定在天花板等位置上，动滑轮的挂钩与提升的物体相连
绳子绕过带有凹槽的轮,拉动绳子时,轮转动而轴不转动，所以轮与轴之间会有摩擦
判断滑轮的类型时，看滑轮的轴是否随物体一起移动，如果轴不随物体一起移动，为定滑轮；如果轴随物体一起移动，则为动滑轮
使用滑轮时，同一根绳上的拉力是相等的
使用动滑轮可以省一半的力成立的条件
①动力作用在绳上，阻力作用在滑轮轴上
②不计动滑轮重、绳重和摩擦
③动力方向和阻力方向平行
滑轮组
概念
将定滑轮和动滑轮组合在一起构成滑轮组
特点
既可以省力，也可以改变力的方向
用滑轮组吊物体时的关系式
关系式
滑轮组竖直放置
力的关系式
不计绳重及绳轮间摩擦
考虑动滑轮重
距离关系式
速度关系式
滑轮组水平放置
力的关系式
距离关系式
速度关系式
F
拉力
G
物重
动滑轮重力
n
动滑轮上承担重物的绳子股数
绳子自由端移动的距离
h
重物移动的距离
绳子自由端移动的速度
物体上升速度
在滑轮组问题中，力、距离、速度都有两个，务必分清是绳子自由端的还是物体的
研究对象
一般把物体和动滑轮当做一个整体，进行受力分析
绳子的段数n，可以理解为与受力分析研究对象接触的绳子
n的判断方法
只看动滑轮，即数直接与动滑轮相连的绳子股数，即为n的值
在定滑轮和动滑轮之间画一条虚线，想象成把装置一分为二，然后看分开后直接作用在动滑轮上的绳子有几段，n就等于几
滑轮组的组装
步骤
1.确定绕绳的有效段数n
方法1
绳子段数n等于绳子自由端移动距离s与物体上升高度h的比值
方法2
由多少股绳子承担重力
忽略绳重、摩擦及动滑轮重时
忽略绳重及摩擦时（动滑轮有重力）
计算后用“收尾法”取整数值n，则n即为绳子的有效段数
2.确定动滑轮个数(N)
n为偶数时，动滑轮的个数是
n为奇数时，动滑轮的个数是
3.确定定滑轮个数
一动配一定，偶数减一定，变向加一定
①在不改变施力方向时，以动滑轮个数为基数，按“一动配一定，偶数减一定”来确定定滑轮的个数。当n为偶数时，定滑轮的个数等于动滑轮的个数减一个
②在需要改变施力方向时，仍以动滑轮个数为基数，按“变向加一定”确定定滑轮个数。即在“一动配一定，偶数减一定”的基数上，再加上一个定滑轮
4.组装滑轮组
确定好滑轮数后，再确定绳子的起始点
有方向规定
反绕法
当拉力方向向上时,可先将绳子的末段绕在最下面的动滑轮上,然后顺次绕过每个滑轮,最后将绳子固定在滑轮挂钩上即可,如图甲所示
当拉力方向向下时,可先将绳子的末段绕在最上面的定滑轮上,然后顺次绕过每个滑轮,最后将绳子固定在滑轮挂钩上即可,如图乙所示
没有方向规定
奇动偶定，由内向外
n为奇数时，绳子的起始点从动滑轮开始
n为偶数时，绳子的起始点从定滑轮开始
5.滑轮组绕线
①所画线要直，并且要与两个滑轮外侧相切
②绕绳不可交叉
③动滑轮、定滑轮上的挂钩不可连在一起
绳子自由端一般要画上表示力的方向的箭头，箭头旁标“F”
使用的动滑轮的个数为N，且使用时要求最省力，则绳子的固定端应接在动滑轮上。此时，承担物重的绳子股数n=2N+1
若使用时要求既省力又能改变方向，则绳子的固定端应接在定滑轮上，此时n=2N
注意拉力方向不同时，所需要的定滑轮个数也不同
“人货同车（筐）”
说明
由于人既是动力的施力者，有事被拉物体之一，所以，人拉的这根绳子即使是从定滑轮拉出的，也是承担拉力的绳子段数之一，即承担拉力的绳子段数N=n＋1，其中n是拉动滑轮的绳子段数，“1”是人从定滑轮拉出的一段绳子
图示
承担物重的绳子段数是3，而不是2
“费力”动滑轮的分析
说明
利用动滑轮提升物体,拉力F作用在动滑轮的轴上,是动滑轮的“费力应用”
关系式
忽略动滑轮重、绳重及摩擦
忽略绳重及摩擦
分析滑轮问题,无论是定滑轮、动滑轮,还是滑轮组,都可以把滑轮作为研究对象进行受力分析,根据滑轮受力平衡找出力的关系
滑轮组的分析与计算
思路
受力分析法＋平衡方程法
把物体和动滑轮当做整体进行受力分析，一般可得平衡方程
注意
竖直滑轮组需要忽略绳重和轴摩擦，水平滑轮组还需要忽略动滑轮重力
物体不与动滑轮直接相连或运动方向不一致时，需要隔离分析动滑轮和物体
其他简单机械
轮轴
定义
由两个半径不等的圆柱固定在同一轴线上组成，大的称为轮，小的称为轴
实质
一个可以连续转动的杠杆，是一种省力机械
特点
轮半径是轴半径的几倍，加在轮上的力就是加在轴上的力的几分之一
功能
1.改变用力大小
2.改变物体的运动速度
使用轮轴通常是为了省力,但有时也可以是费力省距离，如果动力作用在轴上,阻力作用在轮上,那就是费力省距离的轮轴
例如,学生跳远测距离时用的皮卷尺,收卷尺时转动小摇把,就是利用费力省距离的轮轴
汽车方向盘
门把手
扳手
斜面
定义
一个与水平面成一定夹角的倾斜平面
特点
斜面是一种省力的简单机械
若忽略摩擦，斜面长是斜面高的几倍，拉力就是物体所受重力的几分之一
F
沿斜面的拉力
G
物体的重力
L
斜面长
h
斜面高
盘山公路原理
斜面越长，越省力
简单机械作图
说明
简单机械作图主要包括
杠杆作图
滑轮组作图
杠杆作图主要有作力臂、作动力或阻力的示意图、作最小力示意图等
滑轮组作图主要是滑轮组的绕线,限制条件一般有力的方向和最省力等
作力臂的一般步骤
①找点
找出杠杆的支点
②找线
找出动力或阻力的作用线
可延力的方向或反方向用虚线延长力的作用线
③作垂线段
从支点到力的作用线作垂线段(标出垂直符号)
④标符号
用括号或双箭头标出力臂,并在力臂旁标出力臂的符号
作杠杆动力或阻力的一般步骤
①找作用点
找出动力或阻力的作用点
②定方向
根据动力、阻力使杠杆转动的方向相反判断力的方向
③作有向线段
从作用点为起点沿力的方向作线段,在线段末端标上表示力的方向的箭头
④标符号
标出动力或阻力的符号
作杠杆“最小力”的一般步骤
①找作用点
在杠杆上找出离支点最远的点就是最小力的作用点
②找最大力臂
连接支点与最小力的作用点即为最长力臂
③定方向
根据动力、阻力使杠杆转动的方向相反判断最小力的方向
④标符号
标出最小力的符号
组装滑轮组的一般方法
确定滑轮个数
n为奇数时,绳子从动滑轮为起始
用一个动滑轮时有三段绳子承担,其后每增加一个动滑轮增加两段绳子
如: n=5,则需两个动滑轮(3＋2)
n为偶数时,绳子从定滑轮为起始
这时所有动滑轮都只用两段绳子承担
如: n=4,则需两个动滑轮(2+2)
绕线方式
由内向外（无人）
确定挂点
根据“奇动偶定”原则确定绳端是固定在动滑轮上还是固定在定滑轮上,然后由里向外绕线
图示
由外向内（有人）
确定施力点
有人时,应先确定绳端施力点在人手上,然后由外向里绕线
图示
功
功
概念
如果一个力作用在物体上，物体在这个力的方向上移动了一段距离，就说这个力对物体做了功
物理学中，把力与物体在力的方向上通过的距离的乘积称为机械功，简称功
做功的两个必要条件
1.作用在物体上的力
2.物体在力的方向上通过一定的距离
力对物体不做功的三种情况
1. 有力无距离（劳而无功）
现象
小孩用很大的力也没有推动石头
现象分析
物体受到力的作用，但没有移动距离
2. 有距离无力（不劳无功）
现象
冰壶在光滑冰面上滑动
现象分析
靠惯性运动的物体，没有力对它做功
3. 力与距离垂直（垂直无功）
现象
人提着水桶,沿水平路面行走了一段距离
现象分析
物体受到力的作用，同时也运动了一段距离，但两者相互垂直
判断力是否做功
关键是看力与距离是否具有同时性、同向性和同体性
描述功的方法
某力做功
物体A对物体B做功
克服某力做功
力和物体的运动方向相反
重力方向竖直向下，当物体向上运动时，可以称为克服重力做功
功的计算
公式
W=Fs
F
作用在物体上的力
s
物体在力的方向上移动的距离
W
力F做的功
克服重力做功
W=Gh
G:物体的重力
h:物体上升的高度
单位
国际单位
焦耳，简称焦，J
1J=1N×1m=1N·m
计算
先明确做功的力
哪个力对哪个物体做功
哪个施力物体对哪个受力物体做功
再找在力的方向上移动的距离
力与物体移动的距离方向必须一致，对应同一物体、同一段时间
求变力做功时，要分段计算，再求和
常见值
1. 将2个鸡蛋举高1m，做功大约1J
2. 体重为500N的中学生从一楼走到二楼，做功约为1500J
功的原理
使用任何机械都不省功
“不省功”有两层含义
对于理想机械,使用机械所做的功跟不用机械所做的功相等
对于非理想机械,使用机械要费功
费功是指使用机械时,人们所做的功要大于不用机械而直接用手做的功,多做的那一部分功,就是克服机械自重和摩擦所做的功
使用机械要么省力，要么省距离，不可能同时省力和省距离
功率
功率
现象探究：做功快慢
①
现象
起重机用了0.5min将100块砖搬到楼顶,而小明将100块砖搬到楼顶却用了25min
分析
起重机与小明对砖做的功是相同的,但用的时间不同,做功的快慢不同。起重机做功快
②
现象
在5min内,工人用铁锹在地上挖出了一小堆土,而挖掘机却挖了一大汽车土
分析
工人与挖掘机用的时间相同,但挖出的土的多少不同,即做的功不同,做功的快慢不同。挖掘机做功快
探究归纳
①若做功相同,所用时间越少,做功越快;所用时间越多,做功越慢
②若做功时间相同,做功越多,做功越快;做功越少,做功越慢。
说明做功的快慢与做功的多少和做功的时间这两个因素都有关系
定义
功与做功所用时间之比叫功率，大小等于单位时间内所做的功
比值定义法
在物理学中,采用时间相同，比较做功多少的方法来比较做功的快慢，比较符合人们的思维习惯
物理意义
表示物体做功快慢的物理量
功率只能反映做功的快慢，不能表示做功的多少
做功多少由功率和做功时间共同决定
功率大,表示做功快,但做功不一定多
做功多的机械，功率也不一定大
单位
瓦特，W
1W=1J/s
换算
1KW=1000W
1MW=1000KW
计算
定义式
W
功
t
做功所用的时间
表示做功的物体在t时间内的平均功率，不是某一时刻的瞬时功率
无论受力物体运动状态如何，此公式普遍适用
推导式
速度：v
速度的单位必须是m/s，计算出来的功率单位才是W
速度必须是物体在力的方向上移动的速度
v是F作用点移动的速度
可以表示物体的瞬时功率
功率一定时，机器的牵引力与速度成反比
汽车在平路上，需要的牵引力较小，时速就可大些
汽车在上坡时，需要的牵引力大，就需要改用低速行驶
功率的测量
测量原理
公式
根据公式可知,要想测出功率,需先测出力、物体在力的方向上通过的距离、做功所用的时间,然后根据公式进行计算
方法步骤（以测量人爬楼的功率为例）
①人爬楼时的力用于克服自身重力,而人的重力可以通过测量人的质量得到,即 F=G=mg,故应先测出人的质量m
②测量出人爬楼的高度,比较好的方法是测量出一级台阶的高度h,再数出台阶的级数n,就可算出爬楼的高度
③测量人爬楼所用的时间t
④计算
测量的是楼层的高度，而不是楼梯的长度
完成功的时间越短,测量误差越大,因此要适当增加做功所用时间，以减小测量的误差
爬楼问题
公式
爬楼时克服重力做功
W=Gh
爬楼时克服重力做功的功率
注意：使用爬楼的高度，而不是楼梯的长度
机车问题
公式
机车发电机的功率
机车的牵引力或动力
机车的速度
机车做匀速直线运动时
机械效率
实验探究：使用机械不省功
提出问题
使用机械有的可以省力,有的可以省距离,然而使用机械可以省功吗?
制定计划
如图所示,用弹簧测力计沿竖直方向匀速拉动滑轮来提升钩码
图示
进行实验与收集数据
①分别测出绳受到的拉力F、弹簧测力计上升的高度s、钩码所受的重力G和钩码上升的高度h
②改变钩码的数量,重复上述步骤
③设计表格,将实验数据填入表中
探究归纳
从三次实验可以看出,拉力F做的功总是大于动滑轮对钩码做的功,使用动滑轮不能省功
实验中应注意以下三点
①弹簧测力计应沿竖直方向匀速拉动滑轮来提升钩码
②实验中通常只用一把刻度尺,无法同时测出s和h的数值,可以只测量h的数值,再利用s和h的关系:s=nh,求出s的数值
③应该多次更换钩码，进行多次实验,排除偶然性,找到普遍的规律
基本概念
有用功
在物理学中，把完成某项任务时有实用价值的功（对人们有用的功），叫有用功
有用功
人们需要做的功,也就是目的功
等于人们不用机械而直接用手时做的功
额外功
人们为达到目的,并不需要但又不得不做的功，叫额外功
额外功产生的原因
克服摩擦做的功
克服机械自身重力做的功
对包装或盛放容器等做的功
总功
是人们在达到一定目的的过程中，实际做的功，一般指动力F做的功
有用功和额外功的判断
确定工作的目的
从井中打水
工作目的
打水
对水做的功是有用功
对水桶和绳子做的功是额外功
从井中捞桶
工作目的
捞桶
对桶所做的功是有用功
对桶里的水所做的功是额外功
三种简单机械的有用功、总功、额外功
机械效率
机械效率
概念
物理学中，将有用功与总功的比值叫机械效率
符号
η
读“yita”
η是一个没有单位的量，常用百分数表示
使用机械做功，额外功是不可避免的，任何实际机械的机械效率η都小于1
公式
使用任何机械都不能省功
有用功一定时
额外功越大，η越小
额外功一定时
有用功越大，η越大
使用机械要多做额外功，效率更低
理解
机械效率是标志机械做功性能好坏的物理量，机械效率越高，这个机械在这方面的性能越好
机械效率的高低并不决定使用机械是省力还是费力，效率高只说明有用功在总功里所占的比例大
机械效率不是机械的一种固定性能，在完成不同任务的过程中，同一机械的机械效率可能不同
功率大，机械效率不一定高；机械效率高，功率不一定大
提高机械效率的方法
有用功一定时
减小额外功
比如：减小机械自身重力和摩擦
额外功一定时
增大有用功
比如：在机械承受范围内，增加提起物体的重力
三种简单机械的机械效率的计算方法
杠杆
忽略摩擦
克服杠杆自身重力做的功为额外功
G
被提升物体受到的重力
h
物体升高的高度
F
动力
s
动力作用点在力的方向上移动的距离
H
杠杆重心上升的高度
滑轮
竖直提升重物
①
②
若忽略绳重和摩擦，额外功只是滑轮重，则有
结论
在提起同样重的物体时，动滑轮越重、摩擦力越大，其机械效率越小
滑轮组的机械效率还与所提重物有关
同一滑轮组，所提重物的重力越大，其机械效率越大
提高滑轮组机械效率的方法
尽量使用轻质滑轮（减小滑轮重力）
在滑轮的转轴处加润滑油，以减小轮与轴之间的摩擦
在机械强度允许的前提下，尽量增大被提升的物重，使滑轮组在满载的情况下工作
用滑轮组的时候，做有用功的这个力一般就是：滑轮组直接作用在物体上的力
注意
非常规滑轮组，需要根据实际情况推导，不能直接套用
水平拉物体
f
重物与水平面间的摩擦力
F
拉力
重物移动的距离
绳子自由端移动的距离
n
承担摩擦力的绳子段数
斜面
G为物体重力
h为上升物体的高度
F为拉力
为物体移动的路程
f为摩擦力
当斜面光滑时
注意:拉着物体沿斜面做匀速直线运动时,拉力F和摩擦力f不是一对平衡力
测量滑轮组的机械效率
实验原理
实验器材
刻度尺、钩码、弹簧测力计、铁架台、由一个定滑轮和一个动滑轮组成的滑轮组、由两个定滑轮和两个动滑轮组成的滑轮组、长约2m的细绳
实验装置图
探究问题
用不同的滑轮组提升相同的钩码
实验过程
①在甲滑轮组上挂一个钩码,记录钩码受到的重力、弹簧测力计的拉力、钩码上升的高度、绳自由端移动的距离(方法如图甲、乙)
②在甲滑轮组上分别挂两个、多个钩码,重复上面的实验
③分别求出挂不同钩码时滑轮组的机械效率
实验结论
随着钩码个数的增多,滑轮组的机械效率增大
实验结论分析与讨论
利用滑轮组提升钩码时,额外功是克服绳重、摩擦及动滑轮重做的功,其中绳重及摩擦较小,所以额外功主要是克服动滑轮重做的功。若将绳重、摩擦忽略不计，则有如下公式
当钩码重G增大时，η增大
用同一滑轮组提升不同的钩码
实验过程
①用甲、丙两个滑轮组分别挂相同个数的钩码,分别记录钩码受到的重力、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分别计算出两个滑轮组的机械效率
实验结论
提升相同的钩码,滑轮组的动滑轮个数越多,机械效率越低
实验结论分析与讨论
若忽略绳重与摩擦,将钩码提升相同的高度,使用两个不同的滑轮组提升相同钩码时所做的有用功相同，但由于丙滑轮组的动滑轮个数多,动滑轮受到的重力较大
使用丙滑轮组时所做的额外功多，因而机械效率低
探究归纳
①滑轮组的机械效率与滑轮组自身有关
②滑轮组的机械效率还与所提重物有关，同一滑轮组，所提重物的重力越大，其机械效率越大
③在提起同样重的物体时，动滑轮越重、摩擦力越大，其机械效率越小
弹簧测力计沿竖直方向向上匀速拉动绳子的目的
使弹簧测力计示数与拉力相等
影响滑轮组机械效率大小的因素
物体的重力
机械间的摩擦力
动滑轮的重力
提高滑轮组机械效率的方法
增大物重
减轻动滑轮重力
减小机械间的摩擦
控制变量法的使用
控制动滑轮的重力或数量相同，通过改变所吊钩码的数量，来探究滑轮组的机械效率与物重的关系
控制滑轮组所吊钩码数量相同，通过改变动滑轮的重力或数量，来探究滑轮组的机械效率与动滑轮的重力的关系