測量滑輪組的機械效率

馬騰飛　蘇丹丹

機械效率是衡量機械性能的重要指標，也是學習其他效率的基礎，具有十分重要的現實意義.與滑輪組的機械效率有關的試題也是各類考試的難點.常考的知識點主要涉及“滑輪組機械效率的計算”和“影響滑輪組機械效率的因素分析”.只有對測量滑輪組的機械效率實驗有了深刻理解，我們才能靈活解決上述問題.

滑輪組機械效率的測量

測量滑輪組機械效率的原理是η=W有/W總=Gh/Fs，實驗裝置如圖1所示.需要測量的物理量有拉力F、鉤碼上升高度h、鉤碼重G、繩子自由端移動的距離s.主要實驗步驟為：

（1）按圖1所示，組裝滑輪組，算出鉤碼所受的重力G.并記下鉤碼和繩子上標定點A點的位置.

（2）勻速豎直緩慢拉動彈簧測力計.使鉤碼緩慢上升.讀出拉力F的值，并用刻度尺測出鉤碼上升的高度h和繩端移動的距離s.

（3）算出有用功W有、總功W總、機械效率η，并填入表1.

（4）改變鉤碼的數量，重復上述實驗.

（5）實驗完畢，整理實驗器材，

拓展實驗：用動滑輪質量不同的兩個滑輪組吊起相同的重物.比較兩個滑輪組機械效率的高低.

實驗結束，通過數據分析，我們不難得出：

（1）同一滑輪組，提起物體越重，機械效率越高.滑輪組的效率與物體重有關.

（2）提起同一物體，動滑輪越重，機械效率越低.滑輪組的效率與動滑輪重有關.

影響滑輪組機械效率的因素分析

從機械效率的定義來分析.影響滑輪組機械效率的因素是有用功和額外功.有用功越大.額外功越小，機械效率越高.根據公式W有=Gh可知，影響有用功的因素是物體重G和物體提升的高度h.由于物體上升的高度h與拉力移動的距離s有著特殊關系（s=nh），在推導式中h會被約掉.因此提升重物越重，有用功越大：影響額外功的因素主要是動滑輪重、繩子和輪之間的摩擦力（通常忽略繩重），這兩者越小，額外功越小.所以從定義角度來分析影響機械效率的因素主要有三個：物體重、動滑輪重和摩擦力.

綜上分析可知，提高滑輪組機械效率的方法有：（1）增加物重.（2）減小動滑輪重.（3）減小機械間的摩擦.

實驗過程中我們要注意：

（1）彈簧測力計要豎直勻速緩慢拉動.物體勻速上升，物體受到的拉力才等于彈簧測力計的示數.如果加速拉動，拉力的測量值將會偏大，會導致機械效率偏小.

（2）不能在彈簧測力計靜止時讀數.由于忽略了摩擦力對滑輪組機械效率的影響，測出的數據會有一定誤差.

（3）實驗中可改進方案，省略刻度尺的使用，利用η=G/ nF來計算，結果更精確.

例（2019.自貢）小明和小強在測“滑輪組機械效率”的實驗中，一同學組裝好如圖2所示的實驗裝置，他們分別記下了鉤碼和彈簧測力計的位置.

（1）實驗時，小明____豎直向上拉動彈簧測力計，使鉤碼升高，彈簧測力計讀數為0.5 N，同時小強也用刻度尺測出鉤碼被提升的高度為10 cm.以上測量結果準確無誤，其他被測物理量和計算數據記錄如表2.

（2）小明和小強通過計算得出該滑輪組機械效率為100%.他們意識到出現了錯誤，請你幫他倆找出錯誤的原因：____.

（3）該滑輪組的機械效率實際為____ .

（4）在實驗中，若將鉤碼重增加到6N，則該滑輪組的機械效率將____（填“變大”“變小”或“不變”）.

解析：（1）在實驗時，應豎直勻速緩慢拉動彈簧測力計，根據二力平衡可知，彈簧測力計的示數等于繩子的拉力.（2）由圖可知，滑輪組中承重的繩子數n=3：鉤碼上升的高度h=0.1 m.根據s=nh，則s=3x0.1 m=0.3 m，實驗表格中s計算錯誤，這道題考查的雖然也是s=nh這個考點，但是問法十分隱秘，很容易被同學們忽略.增加了難度，這提示同學們，誤差和錯誤的分析，要關注多方面，如機械效率的影響因素，測量工具的讀數及使用問題，相關物理量的計算等.（3）根據滑輪組機械效率的推1N×01 m導式η= W總= Fs =0.5 Nx0.3 m =66.7%. （4）物體重G增大，即有用功增加，有用功在總功中占的比重增大，則該滑輪組的機械效率將變大.

答案：（1）勻速 （2）彈簧測力計提升的高度應該是0.3 m （3）66.7% （4）變大

責任編輯 蔡華杰