初中物理教學(xué)中機(jī)械效率影響因素探究

楊宏亮

無(wú)論是否使用機(jī)械，必須要做的功，叫做有用功。任何機(jī)械本身都受到重力的作用，相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件間又存在摩擦力，所以使用任何機(jī)械，除了做有用功外，都不可避免地要做額外功。這時(shí)動(dòng)力所做的總功等于有用功加額外功。有用功跟總功的比值叫機(jī)械效率，用符號(hào)η表示。若用W有表示有用功、W總表示總功，則有η=×100%，由于有用功總小于總功，故機(jī)械效率總小于1。

機(jī)械效率是初中物理的重要內(nèi)容，在教學(xué)過(guò)程中，只有讓學(xué)生以理性的思維方式，從數(shù)據(jù)分析的角度對(duì)機(jī)械效率的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行全面探究，才能使學(xué)生更好地掌握機(jī)械原理。

一、杠桿的機(jī)械效率及其影響因素

例：用如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量杠桿的機(jī)械效率。實(shí)驗(yàn)時(shí)，豎直向上勻速拉動(dòng)彈簧測(cè)力計(jì)，使掛在較長(zhǎng)杠桿下面的鉤碼緩緩上升。

通過(guò)計(jì)算得出增大有用功確實(shí)提高了杠桿的機(jī)械效率，但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)額外功增大了0.01J，這是為什么呢？經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)在增大物重的同時(shí)，不可避免地要克服杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的摩擦力，因?yàn)橥ㄟ^(guò)杠桿提升物體時(shí)克服杠桿重力所做的額外功不變，增大了物重即增大了杠桿與轉(zhuǎn)軸之間的壓力，從而增大了杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的摩擦力。所以增大物重可以提高杠桿的機(jī)械效率，減小額外功也可以提高杠桿的機(jī)械效率，那么如何減小杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的額外功呢？可以從兩個(gè)方面來(lái)減小額外功：①使用輕質(zhì)的杠桿；②在轉(zhuǎn)軸處加潤(rùn)滑油。

因此在教學(xué)的過(guò)程中，教師要設(shè)計(jì)對(duì)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理的教學(xué)活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生從數(shù)據(jù)分析的角度來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題，使他們更客觀地理解機(jī)械效率，從而增強(qiáng)學(xué)生對(duì)科學(xué)方法的認(rèn)知力度。

二、用滑輪組提升物體時(shí)的機(jī)械效率

實(shí)驗(yàn)前引導(dǎo)學(xué)生測(cè)量物重、動(dòng)滑輪重，從而有利于分析影響滑輪組機(jī)械效率的影響因素是什么。

例：用下圖所示的滑輪組將重為1000N的重物勻速提升0.5m，人對(duì)繩的拉力是400N，已知?jiǎng)踊喼?50N，求繩的自由端被拉下幾米？這個(gè)滑輪組的機(jī)械效率是多少？

解：分擔(dān)重力的繩子段數(shù)n=3，所以繩自由端被拉下的距離S=nh=3×0.5m=1.5m。

而克服動(dòng)滑輪重所做的功為W輪=G輪h=150N×0.5m=75J，∵ W額>W輪，∴額外功除了克服動(dòng)滑輪重做功外，還要克服繩重以及輪與軸之間的摩擦做功。

若上例中物重增大到2000N時(shí)，拉力是790N，有用功、額外功、總功和機(jī)械效率各是多少？

第二次提升物體的額外功增大了85J，為什么額外功增大了？分析后可知拉力F克服滑輪重和繩重所做的額外功沒變，物重增大，導(dǎo)致了輪與軸之間的摩擦增大，所以額外功增大。因此，滑輪組機(jī)械效率公式的推導(dǎo)，就要分兩種情況。

1. 考慮動(dòng)滑輪自重，摩擦阻力及繩重等所有額外功的情形，公式梳理過(guò)程如下：使用滑輪組做的總功為W總=Fs，有用功W有=Gh，因?yàn)槲矬w沿豎直方向被勻速提起，所以有：

所以影響滑輪組機(jī)械效率的因素分兩種情況考慮：①除物重和滑輪重外，還應(yīng)考慮到繩重和機(jī)械間的摩擦，這個(gè)機(jī)械間的摩擦指的是輪與軸之間的摩擦，而不是繩與輪之間的摩擦。所以提高滑輪組的機(jī)械效率的方法有增加物重、減小滑輪重和繩重、在輪與軸之間加潤(rùn)滑油。②忽略繩重及摩擦，提高滑輪組機(jī)械效率的方法為有增加物重、減小滑輪重。

三、用斜面提升物體時(shí)的機(jī)械效率及其結(jié)論性語(yǔ)言的準(zhǔn)確性

由于初中物理教學(xué)的特點(diǎn)，教師在進(jìn)行物理教學(xué)時(shí)，要特別注意在語(yǔ)言的準(zhǔn)確性。

例：如圖是小亮測(cè)定斜面機(jī)械效率的裝置圖。每次實(shí)驗(yàn)時(shí)，被拉的小車沿同一斜面勻速向上運(yùn)動(dòng)。上表是小亮設(shè)計(jì)的記錄數(shù)據(jù)的表格，分析表格中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，你能得到哪些結(jié)論？（要求寫兩個(gè)）

我們都知道影響斜面的機(jī)械效率的因素有兩個(gè)：斜面的傾斜程度；斜面的粗糙程度。所以正確的答案是：①粗糙程度一樣的斜面，斜面越陡，機(jī)械效率越高；或斜面傾斜程度一定時(shí)，斜面越粗糙，機(jī)械效率越低；②斜面越緩，越省力。

因此，“其他條件一定時(shí)，斜面越陡，機(jī)械效率越高；當(dāng)斜面長(zhǎng)一定時(shí)，斜面越高，機(jī)械效率越高”這結(jié)論性語(yǔ)言顯然是不夠準(zhǔn)確的，這是由于沒有真正理解影響斜面機(jī)械效率的因素。

責(zé)任編輯 羅 峰