师：同学们好，今天我们要学习第十一章第三节“如何提高机械效率”，请大家准备好学习任务单，跟着老师一起开启今天的学习。中国是世界上机械发展最早的国家之一，抛石机、滑车、水车等机械的使用，蕴藏着中国古人的智慧。人们使用机械，有时可以省力，有时可以省距离。但机械功原理告诉我们，使用任何机械都不能省功，这是怎么回事呢？
下面，让我们把目光投向繁忙的建筑工地。在滑轮组提升重物和挖掘机挖掘泥土的场景中，动力对哪些物体做了功？哪些功是人们完成工作必须要做的？哪些功是我们不需要但又不得不做的呢？
通过分析我们发现，用滑轮组提起重物时，拉力对重物、动滑轮、绳子以及克服各部件之间的摩擦力都做了功。其中，提升重物做的功是我们需要的功，对动滑轮、绳子以及克服摩擦所做的功是我们不需要但又不得不做的功。用挖掘机挖掘泥土时，挖掘机对泥土、抓斗以及克服各部件之间的摩擦力都做了功。其中，提升泥土所做的功是我们需要的功，对抓斗以及克服摩擦所做的功是我们不需要但又不得不做的功。
在上述活动中，滑轮组和挖掘机提升重物所做的功，是我们需要的、有价值的功，叫做有用功，记作 (W_{有用})。在这个过程中，动力对机械做的功叫总功，记作 (W_{总})。当我们使用机械做功时，必须要克服机械自身部件的重力和摩擦力等，做一定量的功。这部分对人们既无利用价值又不得不做的功，叫做额外功，记作 (W_{额外})。显然，在实际使用机械做功时，总功等于有用功与额外功之和，即 (W_{总}=W_{有用}+W_{额外}) 。
下面请同学们思考，当你用动滑轮提升一只箱子时，你希望选用什么样的滑轮？为什么呢？
生：我们希望选择又轻巧又坚固的动滑轮，因为这样可以减少额外功。
师：非常好。由此可见，在使用机械做功时，额外功是不可避免的，但我们总希望做的额外功越少越好，也就是有用功在总功中所占的比例越大越好。有用功在总功中所占比例的高低，是表征机械性能的重要指标。有用功占总功的比例越大，说明机械工作的效率越高。在物理学中，我们把有用功与总功的比值叫做机械效率。如果用希腊字母 (\eta) 表示机械效率，那么机械效率的公式为 (\eta=\frac{W_{有用}}{W_{总}}\times100%) 。由于机械效率是有用功和总功的比值，是一个纯数字，通常用百分数表示，没有单位。人们使用任何机械都不可避免地要做额外功，有用功总是小于总功，因此机械效率总是小于1。
现在我们来看一道例题：使用一个动滑轮将0.98牛的钩码匀速提升0.05米，所用的拉力 (F) 为0.6牛，此动滑轮的机械效率是多少呢？
分析可知，动滑轮提升重物所做的功为有用功。动滑轮匀速提升重物所用的力与物体所受的重力大小相等，因此，动滑轮提升重物所做的有用功 (W_{有用}=Gh = 0.98) 牛 (\times0.05) 米 ( = 0.049) 焦。弹簧测力计拉力所做的功为总功，即拉力的大小乘以绳端移动的距离。根据题意可知，吊起动滑轮绳子的股数 (n) 为2，绳子移动的距离 (s = nh = 2\times0.05) 米 ( = 0.1) 米。拉力所做的总功为 (W_{总}=Fs = 0.6) 牛 (\times0.1) 米 ( = 0.06) 焦。因此，动滑轮的机械效率 (\eta=\frac{W_{有用}}{W_{总}}\times100%=\frac{0.049焦}{0.06焦}\times100%\approx81.7%) 。
我们知道，在生活中滑轮组应用非常广泛，而滑轮组的机械效率一般在50% - 70% 。那么滑轮组的机械效率是如何测算的？又该如何提高滑轮组的机械效率呢？这都是我们非常关心的问题。
首先我们来看如何测算滑轮组的机械效率。根据机械效率公式 (\eta=\frac{W_{有用}}{W_{总}}\times100%) ，我们只要测出有用功和总功，就能算出滑轮组的机械效率了。但是有用功和总功无法直接测量，该怎么办呢？我们发现使用滑轮组的目的是匀速提升重物，因此滑轮组提升重物所做的有用功可以用公式 (W = Gh) 进行计算。滑轮组的额外功来源于克服机械自重及摩擦，难以测量，利用 (W_{总}=W_{有用}+W_{额外}) 测算总功显然不方便。但是总功也是弹簧测力计拉力所做的功，我们可以利用公式 (W = Fs) 进行计算。因此，测算滑轮组的机械效率的实验原理为 (\eta=\frac{W_{有用}}{W_{总}}\times100%=\frac{Gh}{Fs}\times100%) 。
根据实验原理，需要测量的物理量有物重 (G) 、物体被提升的高度 (h) 、拉力 (F) 、绳子自由端移动的距离 (s) 。需要的实验器材有铁架台、滑轮、细线。根据需要测量的物理量，我们还需要钩码、弹簧测力计和刻度尺。
实验中需要注意：要缓慢匀速竖直向上拉动弹簧测力计，在匀速竖直向上拉动弹簧测力计的过程中，读出弹簧测力计的示数，不能静止时读数。下面我们来看实验视频。
（此处开始模拟实验过程讲解）
我们通过实验测量滑轮组的机械效率，实验目的有两个：一是学会安装滑轮组，二是会测滑轮组的机械效率。我们无法直接测出机械效率，根据公式 (\eta=\frac{W_{有用}}{W_{总}}) ，可以使用图中的器材进行实验。为了操作方便，老师自制了实验板，可以代替铁架台和刻度尺。
我们把棉线的一端拴在动滑轮挂钩上，为了防止棉线在缠绕过程中脱离滑轮槽，可在滑轮下方挂一重物向定滑轮绕线，这样线就绕好了。我们继续绕两定两动滑轮组，连线一端挂在动滑轮挂钩上，下端挂重物，先绕定滑轮，这样线就绕好了。这是已调零的弹簧秤。我们要选择提升的物体是钩码，这些钩码规格相同，我先测出一个钩码所受重力，一个钩码重2牛，提升两个钩码，物重4牛。我们选择钩码的上沿和绳端的绳结处作为参考位置，初始位置物体在5厘米处，绳端在15厘米处。竖直向上匀速提升弹簧秤，此时弹簧秤示数是1.7牛。物体静止后，标记物体的末位置对应的刻度线，绳端末位置对应刻度线，物体由5厘米到10厘米处上升了5厘米，绳端由15厘米处上升到30厘米处移动了15厘米。下面我们把实验数据计入表中。
根据数据我们可以算出：有用功 (W_{有用}=Gh = 4) 牛 (\times0.05) 米 ( = 0.2) 焦，总功 (W_{总}=Fs = 1.7) 牛 (\times0.15) 米 ( = 0.255) 焦。机械效率 (\eta=\frac{W_{有用}}{W_{总}}=\frac{0.2焦}{0.255焦}\approx78.4%) 。