探究滑輪組機械效率的影響因素

摘 要：在實際生活之中，提升滑輪的機械效率是很重要的，如果滑輪組機械效率低下，那么，它將不會被投入生產，并且會計算滑輪組的機械效率也很重要，其實掌握滑輪組機械效率的定義式是非常重要的，定義式是機械效率的基礎，它是一個點，所有的一切有關機械效率的題目都是由這個點延伸出來的，由此，我們設計了以下實驗來探究哪些因素會影響滑輪組的機械效率.

關鍵詞：滑輪組;機械效率;影響因素

中圖分類號：G632 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1008-0333（2021）32-0070-02

收稿日期：2021-08-15

作者簡介：王雷（1984.3-），男，江蘇省徐州人，本科，中小學一級教師，從事初中物理教學研究.

一、設計測定滑輪組機械效率的相關實驗

例1 如圖1所示，這是由小明和小蘭兩位同學為了測定出哪些會影響滑輪組的機械效率而設計出來的滑輪組裝配，他們兩個以小組為單位與老師、其他小組的同學們一起交流他們的實驗結果，這時，老師提出了一個問題：倘若每個小組都不改變繩子的纏繞方式，保持原本的滑輪，其他因素全部改變，那么這時滑輪組的機械效率是否會產生變化呢？如果會，那么又會產生怎樣的變化呢？

根據上面老師提出的問題，大家都積極思考，改變實驗因素，積極探索，并且提出了自己的猜想：

猜想1：是勻速提升的速度影響了滑輪組的機械效率;

猜想2：是被提升的鉤碼重力影響了滑輪組的機械效率;

猜想3：是勻速提升的速度大小和被提升的鉤碼重力大小共同影響了滑輪組的機械效率;

猜想4：是鉤碼被提升的高度影響了滑輪組的機械效率.

小明和小蘭兩個同學分別根據自己的想法做出了實驗，改變自己認為可能的影響因素，努力去證實各自的猜想，他們做出的實驗記錄如下圖所示：

根據提供的實驗數據，請回答以下問題：

（1）表中的數據不全，請幫助小明同學完成表格之中的一項計算;

（2）根據圖中的實驗記錄結果，請同學們分別寫出哪些因素會影響滑輪組的機械效率;

（3）根據小明和小蘭的探究結果，請你歸納一下，并得出影響滑輪組機械效率因素的結論.

解析 本題考察的知識點是影響滑輪組機械效率的因素，根據上面的不完整的實驗記錄表格，同學們需要運用到機械效率的計算公式，一般地，要知道某個物理量的影響因素，我們可以從這個物理量的定義式或者計算式出發，在這里，我們還需要用到一個物理實驗方法：控制變量法，即控制其他變量不變，只改變其中一個變量來觀察它對這個物理量是否影響.在定義式中，控制其他變量，只改變你所需的變量，這樣就可以達到目的了，從而得出結論.

本題的運算過程是比較簡單的：

有η=W有W總=15N×h6N×3h=83.3%

從小明的實驗記錄來看，我們可以知道，當勻速提升的速度相同時，鉤碼的重力越大，滑輪組的機械效率也越大;而從小蘭的實驗記錄之中我們可以看出，當鉤碼的重力相同時，無論怎么改變鉤碼被提升的速度，滑輪組的機械效率都不發生改變，即滑輪組的機械效率在鉤碼重力相同之時，與鉤碼被提升的速度是毫無關聯的.

點評 該題目考查了同學們對影響滑輪組機械效率因素的知識點的熟識程度，從這道題目出發，小明和小蘭兩個人的實驗記錄數據只探究了滑輪組機械效率與鉤碼的重力以及鉤碼被提升的高度還有鉤碼被勻速提升的速度大小，因此，也只能得出三個因素的結論，其實，根據我們所學的知識可以知道，影響滑輪組機械效率的因素還可以是動滑輪的重力大小、繩子的自重以及滑輪和繩子之間的摩擦力大小.

二、計算滑輪組機械效率的相關試題

滑輪組機械效率的計算題型常常發生變化，最典型的一個類型是碰見滑輪組需要提升的重物的重力大小發生改變，那么，這種題型又該如何解答呢？請仔細閱讀以下例題及其解析.

例2 工人們為了將貨物提升一定高度，設計了一個滑輪組，它由一個動滑輪和一個定滑輪組成，現已知該貨物的重力為400N，并且貨物經過10s的時間從地面上被勻速提升到了高為4m處的地方，而此時工人們只提供了250N的拉力，試問：

（1）工人們在此過程中做功的功率為多少？

（2）倘若將此貨物換為重為800N的貨物，將其在相同時間內勻速提升相同高度，工人們需要提供多大的拉力？

解析 因為工人們是站在地面上向下拉動繩子才將貨物勻速提升起來，所以我們可以在腦子中構造出這個裝置圖，由這個裝置圖我們可以知道，吊起動滑輪的繩子有兩段，則;

（1）P=Wt=250N×4m×210s=200 W

（2）η=W有W總=400N×4m250N×8m=80%

∵摩擦和繩子的自重可以忽略不計

又∵F=12（G+G動）

∴G動=2×250N-400N

=100N.

∴F=12×（800N+100N）

=450N.

點評 由以上解析我們可以知道，對于同一個滑輪組，動滑輪的重力是一個定值，而重物的重力卻是可以改變的，重物變成了800N，所以滑輪組的機械效率也隨之發生了改變，因此，我們在計算拉力時不可以再用之前的機械效率了，這是一處易錯點，同學們更應該注意，在這種情況下，只可以先求出動滑輪的重力，由它再計算出拉力大小，又因為摩擦力和繩子的重力忽略不計，則動滑輪的重力為F=1n（G+G動），最后再利用公式F=1n（G+G動）求出拉力.

通過上述影響滑輪組機械效率的實驗以及滑輪組機械效率的有關計算的思路分析，我們可以知道機械效率的定義式的重要性，在影響因素之中，我們可以利用定義式，控制其他變量不變，只改變其中的一個變量，即控制變量法來幫助我們確定影響因素;而在計算題中，這個定義式更是重中之重，很多變形式都是由定義式延伸出來的，因此，同學們更應該注重基礎，不要一味地追求高難度，扎實基礎，才能向更難更高發展.

參考文獻：

[1]管余.影響滑輪組機械效率的因素[J].數理天地（初中版），2011（12）：33-34.

[2]陳正國.關于滑輪組機械效率的問題探究[J].數理化學習（初中版），2008（2）：50-51.

[責任編輯：李 璟]