初中物理簡單機械的機械效率探究題賞析

摘 要： 探究簡單機械的機械效率是各地中考的熱點，掌握斜面、滑輪組、杠桿的機械效率和什么因素有關和什么因素無關，是做對此類題目的關鍵。此文就三道典型的中考題的賞析，以期對同學們解決此類問題有所幫助。

關鍵詞： 初中物理教學 中考探究題 簡單機械 機械效率

在初中物理教學中，簡單機械是力學的一個重點知識，除了研究它是否省力以外，還可研究不同的力所做的功，即簡單機械的機械效率。無論什么版本的物理教材都把測簡單機械的機械效率作為學生必做的實驗，有關簡單機械機械效率的探究題也經常出現在各地中考的物理試卷中，由于此類題目綜合性較強，學生如果知識掌握不清，往往易造成丟分，現選精彩的三道題目，供大家欣賞評價，希望對同學們解決此類問題有所幫助。

1.探究斜面的機械效率

例1：下圖是某小組同學測量斜面機械效率的實驗裝置。實驗時，用木塊將帶有刻度的平木板墊起，構成一個斜面。

（1）用彈簧測力計拉著小車從底端位置A沿斜面勻速運動到位置B。彈簧測力計的示數為1.1N，此時斜面的機械效率為？搖 ？搖。

（2）若將木塊向右移，使木塊左端與長木板90cm處對齊，重復（1）中的實驗，彈簧測力計的示數為0.8N，此時斜面的機械效率為？搖 ？搖。比較（1）、（2）可知，斜面的機械效率與斜面的？搖 ？搖有關。

（3）若將小車四輪朝上倒置，重復（2）中的實驗，則彈簧測力計示數變？搖 ？搖，機械效率變？搖 ？搖。比較（2）、（3）可知，斜面的機械效率與接觸面的？搖 ？搖有關。

分析：考查知識：物體在斜面上勻速運動時受4個力，如下圖，期中克服重力做的功是有用功W■=Gh；拉力做的功是總功W■=FS；克服摩擦力做的功是額外功W■=fs；支持力N不做功。由W■=W■+W■有FS=Gh+fs；把重力分解，再利用數學公式，可推導出斜面效率：

η=■=■=■=■

可見：斜面的機械效率只和斜面的粗糙程度μ、傾斜程度α有關；斜面越粗糙，需克服摩擦力做的額外功越多，機械效率越小；斜面越陡峭，ctanα越小，機械效率越大。和物重G、物體在斜面上運動的距離s無關。

既然斜面的效率和物體在斜面上運動的距離無關，那么在第一問中物體從A運動到B和運動60cm的效率相同，可見無必要對AB的長度讀數。

解：（1）可認為s=60cm；h=30cm；G=2N；F=1.1N

η=■=■=90.9%

（2）同理，s=90cm；h=30cm；G=2N；F=0.8N；可解得η=83.3%

第2空填：傾斜程度。

（3）大；小；粗糙程度。

2.探究滑輪組的機械效率

例2：下表是小明測滑輪組機械效率時收集的有關數據。

（1）請在圖中畫出實驗中滑輪組的繞繩方法。

（2）第3次實驗時滑輪組的機械效率為？搖 ？搖。

（3）用同一滑輪組提升不同重物至同一高度，提升的物重增加時，除克服動滑輪重和繩重所做的額外功外，其他額外功將？搖 ？搖（選填“變大”、“變小”或“不變”）。進一步分析可知，在動滑輪和繩重一定的情況下，該滑輪組的機械效率與？搖 ？搖和？搖 ？搖有關。

（4）第一次實驗中，鉤碼上升0.1m所用的時間為1.5s，則繩端拉力的功率為？搖 ？搖W。

分析：（1）由s=3h的關系知，3段繩子承擔重物，繞繩方法略。

（2）η=■=■=66.7%。

（3）此問必須明確“其他額外功”指的是什么？指克服摩擦力做功。而摩擦力和壓力大小、接觸面的粗糙程度有關。故此問分別填：變大；物重；摩擦力大小。

（4）拉力F=0.7N，繩端移動s=0.3m，時間t=1.5s，而鉤碼上升0.1m的條件是迷惑你的，和拉力做功的功率無關。故：

p=■=■=■=0.14w

小結：滑輪組的機械效率和物重、動滑輪重、繩重及輪軸間的摩擦力大小有關。克服物重所做的是有用功，克服動滑輪重、繩重及輪軸間的摩擦力所做的是額外功；和繩子的繞法、物體被提升的高度、提升的速度無關。

3.探究杠桿的機械效率

例3：用如圖3所示的實驗裝置測量杠桿的機械效率。實驗時，豎直向上勻速拉動彈簧測力計，使掛在較長杠桿下面的鉤碼緩緩上升。

（1）實驗中，將杠桿拉至圖中虛線位置，測力計的示數F為？搖 ？搖N，鉤碼總重G為1.0N，鉤碼上升高度h為0.1m，測力計移動距離s為0.3m，則杠桿的機械效率為？搖 ？搖%。請寫出使用該杠桿做額外功的一個原因：？搖 ？搖。

（2）為了進一步研究杠桿的機械效率與哪些因素有關，一位同學用該實驗裝置，先后將鉤碼掛在A、B兩點，測量并計算得到下表所示的兩組數據：

根據表中數據，能否得出“杠桿的機械效率與所掛鉤碼的重有關，鉤碼越重其效率越高”的結論？答：？搖 ？搖；

請簡要說明兩條理由：①？搖 ？搖；②？搖 ？搖。

分析：（1）由圖3可知，此時彈簧測力計的示數為F=0.5N，則做的有用功為W■=Gh=1N×0.1m=0.1J，總功為W■=Fs=0.5N×0.3m=0.15J，因此杠桿的機械效率為η■=■=66.7%。在使用杠桿提升物體時，杠桿也被提升，因此克服杠桿的自身的重也要做功，以及在杠桿轉動的過程中，也要克服摩擦而做功，這些都屬于不需要而在使用杠桿時不得不做的額外功。

（2）根據表格可知，在實驗中雖然改變了所掛的鉤碼的重，但又將鉤碼分別掛在了A、B兩個位置，即沒有控制鉤碼在同一位置進行實驗，而且在實驗中只做二次實驗加以對比，實驗的結論具有偶然性，還不能總結出普遍規律。因此是不能得出“杠桿的機械效率與所掛鉤碼的重有關，鉤碼越重效率越高”這一結論。

注意：鉤碼懸掛點的位置變化了，阻力臂的大小就發生了變化，就相當于換了一個杠桿，當然機械效率會變化。此題若摩擦力做功不計，鉤碼重不變，僅將位置從A移到B，假設把桿杠提升物體的初末位置相同，即杠桿重心上升高度相同，則W■不變，但由圖3可知，鉤碼上升的高度增加了，即W■增大。機械效率會變高。

可見：機械效率的探究題實際上還是以探究的形式考查相關的物理知識，只有系統地掌握簡單機械在工作時影響效率變化的原因，才能讓自己在解題中立于不敗之地。

參考文獻：

[1]周國霞.中學生數理化（初中版.中考版）.探究機械效率典型題解析，2011，11.

[2]李盛.略談斜面的機械效率.中學物理，2011，16.