第六章 · 第三节
机械效率
有用功 · 额外功 · 总功 · 机械效率 · 测量实验

📖 知识点学习

🎯 学习目标

  • 理解有用功、额外功和总功的概念
  • 掌握机械效率公式并能计算
  • 了解测量滑轮组机械效率的实验方法
  • 知道提高机械效率的方法
知识点一:有用功和额外功
📐 有用功
使用机械时,为了达到目的而必须做的功叫做有用功(W有用)
例如:用滑轮组提升重物时,提升重物所做的功就是有用功。W有用 = G·h
📐 额外功
使用机械时,并非我们需要但又不得不做的功叫做额外功(W额外)
例如:克服动滑轮自重、克服摩擦所做的功都是额外功。
知识点二:总功
W总 = W有用 + W额外
总功 = 有用功 + 额外功
📐 总功的概念
有用功和额外功之和叫做总功(W总)
使用滑轮组时,人拉绳做的功就是总功:W总 = F·s(F为拉力,s为绳端移动的距离)
知识点三:机械效率
η = W有用 / W总 × 100%
η:机械效率(百分比,无单位)
📐 机械效率的概念
有用功与总功之比叫做机械效率,用字母 η 表示。
因为有用功总是小于总功(W有用 < W总),所以机械效率总是小于1(即小于100%)
机械效率没有单位,通常用百分数表示。
知识点四:提高机械效率的方法
💡 提高机械效率的方法
  • 减小额外功:减小摩擦(加润滑油)、减轻动滑轮自重
  • 增大有用功:在额外功不变时,增大提升的物重
  • 具体措施:定期润滑、使用轻质材料的动滑轮、增大每次提升的物重

🎬 动画讲解

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🧪 互动实验:滑轮组机械效率

💡 拖动滑块改变物重 G、提升高度 h 和动滑轮重,计算机械效率
⚙️ 实验参数
有用功 W有用=Gh 80 J
额外功 W额外=G动h 20 J
总功 W总 100 J
机械效率 η 80%
📋 实验结论
机械效率 η = W有用/W总 × 100%。增大物重或减小动滑轮自重都能提高机械效率。有用功占总功的比例越大,机械效率越高。

📝 例题精讲

💡 提示:点击「下一步」按钮,逐步查看详细解题过程
例题 1 机械效率基本计算
用滑轮组将重 200N 的物体提升 2m,拉力为 80N,绳端移动了 6m。求有用功、总功和机械效率。
🔍 解题过程
1 计算有用功:W有用 = G·h = 200N × 2m = 400 J
2 计算总功:W总 = F·s = 80N × 6m = 480 J
3 计算机械效率:η = W有用/W总 × 100% = 400J/480J × 100% ≈ 83.3%
✅ W有用=400J,W总=480J,η≈83.3%
例题 2 滑轮组效率(考虑动滑轮重)
用一个动滑轮(重 20N)将重 80N 的物体匀速提升 3m,不计绳重和摩擦。求有用功、额外功、总功和机械效率。
🔍 解题过程
1 有用功:W有用 = G·h = 80N × 3m = 240 J
2 额外功:提升动滑轮做的功是额外功
W额外 = G动·h = 20N × 3m = 60 J
3 总功和效率:
W总 = W有用 + W额外 = 240J + 60J = 300 J
η = W有用/W总 × 100% = 240J/300J × 100% = 80%
✅ W有用=240J,W额外=60J,W总=300J,η=80%
例题 3 提高机械效率
某滑轮组的机械效率为 75%,用它在 10s 内将重 300N 的物体提升 4m。求:(1)有用功;(2)总功;(3)拉力的功率。
🔍 解题过程
1 有用功:W有用 = G·h = 300N × 4m = 1200 J
2 总功:由 η = W有用/W总
W总 = W有用/η = 1200J / 0.75 = 1600 J
3 功率:P = W总/t = 1600J / 10s = 160 W
✅ W有用=1200J,W总=1600J,P=160W

🚀 拓展提升

🔬 测量滑轮组机械效率实验

  • 实验器材:滑轮组、弹簧测力计、刻度尺、钩码
  • 测量量:物重G、提升高度h、拉力F、绳端移动距离s
  • 计算:W有用=Gh,W总=Fs,η=Gh/Fs×100%
  • 结论:同一滑轮组,提升物重越大,机械效率越高;不同滑轮组提升同一物体,动滑轮越轻,机械效率越高

💡 机械效率与功率的区别

  • 机械效率:反映有用功占总功的比例(质量指标),η越高越好
  • 功率:反映做功的快慢(速度指标),P越大做功越快
  • 机械效率高不一定功率大,功率大也不一定效率高
  • 例如:一台机器效率高但速度慢(功率小),另一台效率低但速度快(功率大)

📊 实际机械的效率

  • 滑轮组:50%~90%(取决于物重和动滑轮重)
  • 杠杆:通常较高(摩擦小),可达90%以上
  • 斜面:效率与倾斜角度和摩擦有关
  • 电动机:80%~95%(不是简单机械但概念相同)
  • 没有摩擦的理想机械效率为100%,但实际中总有损耗

✏️ 练习巩固

💡 提示:每道题作答后会立即显示解析,请认真思考后再作答
第 1 题 ★☆☆ 基础
关于机械效率,下列说法正确的是?
A机械效率是有用功与额外功之比
B额外功越小,机械效率越高
C机械效率总是小于100%
D机械效率越高,功率越大
第 2 题 ★☆☆ 基础
用滑轮组提升物体时,下列属于有用功的是?
A克服动滑轮重力做的功
B提升物体所做的功
C克服绳与轮之间摩擦做的功
D拉绳做的功
第 3 题 ★★☆ 巩固
有用功为 400J,总功为 500J,则机械效率为 ______%。
第 4 题 ★★☆ 巩固
下列措施中,能提高滑轮组机械效率的是?
A增加提升的高度
B增加动滑轮的个数
C增大提升的物重
D减慢提升的速度
第 5 题 ★★★ 拓展
用滑轮组将重 100N 的物体提升 3m,已知机械效率为 80%,则总功为 ______ J。
第 6 题★☆☆ 基础
关于总功、有用功和额外功的关系,下列说法正确的是?
A总功 = 有用功 - 额外功
B总功 = 额外功 - 有用功
C总功 = 有用功 + 额外功
D有用功 = 总功 + 额外功

🧠 知识点问答

老师来考考你!下面的问题都来自本节课的知识点,看看你掌握了多少。每次点击"再考一次"题目顺序都会随机打乱哦!
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课程完成!

恭喜你完成了「机械效率」的学习!

📌 本节核心要点回顾:
① 有用功W有用 = Gh(必须做的功)
② 额外功W额外 = 克服摩擦/动滑轮重(不得不做的功)
③ 总功 W总 = W有用 + W额外
④ 机械效率 η = W有用/W总 × 100%(总是小于100%)
⑤ 提高效率:减小额外功、增大物重