浅谈测滑轮组和斜面的机械效率
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摘 要：近几年，广东中考考试中增加了实验考试分数，凸显了对学生实验能力的重视。这就要求教师必须在平时的实验教学中，培养学生动手、动脑分析和解决实际问题的能力。物理实验是研究物理学的重要方法和手段，加强实验教学，不仅可以提高物理教学效果，还可提高学生的实验素质，有助于培养学生的科学探究能力和创造性学习能力。
关键词：滑轮组；斜面；机械效率
[滑轮组的机械效率]
一、实验目的
1.通过实验掌握测定机械效率的方法，领会控制变量法的应用。
2.通过实验知道滑轮组的机械效率和物体所受重力的关系，知道提高测滑轮组的机械效率的方法。
二、实验器材
刻度尺、弹簧测力计、钩码、滑轮组两套、铁架台、细绳
三、实验步骤
1.用弹簧测力计测出钩码所受的重力G的值，并记录在表中。
2.按图安装好滑轮组，分别记下钩码和弹簧测力计的位置。
3.匀速拉动弹簧测力计使钩码升高到某一位置处，在运动中从弹簧测力计读出拉力F的数值。
4.用刻度尺分别测出钩码上升的高度（h）和细绳自由端通过的距离（s）。
5.根据W=Gh算出有用功，根据W=Fs算出拉力所做的功（即总功）W总，再用η=W有/W总=Gh/Fs计算机械效率。
6.改变钩码的数量，重复上面的实验，将实验数据记录在表格中。
数据表格
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四、交流讨论
1.在提升钩码的过程中，应注意什么？
要匀速提升钩码。
2.同一个滑轮组挂不同质量的钩码时，机械效率相同吗？
不相同，钩码质量越大，机械效率越高。
3.如图一，甲、乙两个滑轮组都挂相同的钩码时，机械效率是否相同？
不相同，动滑轮越多，机械效率越低。
4.滑轮组的机械效率都与哪些因素有关？
物体的重量，滑轮的重量。
实验结论：
影响滑轮组的机械效率有关因素：（1）被提物体的重量，G越大，机械效率越高；（2）滑轮自重，滑轮组如果越多，虽然省力但是无用功多，机械效率越小；（3）绳与滑轮之间的摩擦。
无关因素：（1）绕线方式；（2）物体被提高的距离；（3）提物体的速度。
提高滑轮组机械效率的方法：增大物体的重量和减小动滑轮的重量、摩擦等。
五、注意事项
1.实验中，如果我们使用的弹簧测力计量程较小（例如5N），那么重物（钩码）不可太少，否则示数过小，误差较大。
2.按国家教委（原教育部）的教学仪器标准规定，用J2122型单滑轮组吊起9.8N的重物实验，其机械效率一般不低于90%，用双并滑轮组吊起9.8N的重物实验，其机械效率不低于60%。若实验得出的机械效率太低，应检查滑轮的缆绳是否从滑轮槽中滑脱出来，或者线绳是否扭结。
3.以下因素会影响测力计读数的准确：测力计不是匀速地移动；测力计指针与刻度板摩擦；重物摆动。
六、实验拓展
为什么用双并滑轮组实验的机械效率比用单滑轮组实验低？（如图二）
提示：双并滑轮组比单滑轮组的滑轮多，自重较大，而且滑轮在运动中要克服摩擦力消耗功，使总功变大，机械效率变低。
例一：某实验小组在“测滑轮组机械效率”的实验中得到的数据如下表所示，第1、2、3次实验装置分别如图甲、乙、丙所示。
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（1）比较第1次实验和第2次实验，可得结论：使用同样的滑轮组，提起的钩码越重，滑轮组的机械效率越__________。
（2）第3次实验中所做的有用功是__________J，机械效率是__________。
（3）第3次实验中动滑轮个数比第2次实验多，动滑轮自重增大，对动滑轮所做的额外功__________（选填“增大”或“减小”），因而，由第2、3次实验可知：滑轮组的机械效率与动滑轮自重大小有关。
（4）综合上述结论，提高机械效率的方法有增大有用功，__________额外功（选填“增大”或“减小”）。
参考答案：（1）高；（2）0.4 72.7%；（3）增大；（4）减小
例二：实验题
1.（2011年福建省福州第29题，4分）如图一所示，在“测滑轮组机械效率”实验中，物体重为5.4N。
（1）实验时要竖直向上且________拉动弹簧测力计。若物体上升高度为10cm，此时弹簧测力计的示数如图一中所示，是 N，则滑轮组的机械效率是______。
（2）若仅增加物体的重，该滑轮组的机械效率将________（选填“增大”、“减小”或“不变”）。（不计摩擦）
2.测定如图二所示的滑轮组的机械效率。
（1）实验所需器材除钩码、弹簧测力计、滑轮、铁架台外，还需要_____和______。
（2）如果将两个1N的钩码匀速提升10cm，弹簧测力计的示数是0.81N，将实验数据填入下表：
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（3）根据测量数据，求此滑轮组的机械效率，写出计算过程。
参考答案：
1.（1）匀速，2.4，75%；（2）增大
2.（1）细绳，刻度尺，（2）2，0.8，10，30
（3）W有=Gh=2N×10m=20J
W总=Fs=0.8N×30m=24J η=■=■=83.3%
[测定斜面的机械效率]
一、实验目的
1.理解总功和有用功的意义，并知道利用斜面拉物体时其测定的方法。
2.学会机械效率的测定方法，领会控制变量法在实验中的应用。
3.通过实验，总结提高斜面的机械效率的方法。
二、实验器材
弹簧测力计、刻度尺、斜面、小木块。
三、实验原理
将物体沿斜面拉动，测出此过程中的总功并计算出相应的有用功，运用公式η=W有/W总=Gh/Fs就可以得出斜面的机械效率。
四、实验步骤
1.用刻度尺测出斜面长S和斜面高h，将数据记录在表1中。
2.用弹簧测力计测出木块的重量G，将数据记录在表格中。
3.用弹簧测力计拉着木块沿斜面匀速上升，读出测力计的示数F，将数据记录在表格中。
4.改变木板的倾斜程度，重做上面的实验，将数据记录在表格中。
5.计算各次实验中斜面的机械效率，并进行比较。
6.改用粗糙程度不同的斜面，重复实验步骤1～3，将数据记录在表格2中，计算各次实验中斜面的机械效率，并进行比较。
五、记录数据表格
1.斜面的机械效率跟倾斜程度关系
表1
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2.斜面的机械效率跟粗糙程度关系
表2
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实验结论：
1.斜面光滑程度相同时，斜面倾斜程度越大，斜面机械效越高，但越费力。
2.斜面倾斜角度相同时，斜面越粗糙，机械效率越低。
例三：长1000m、高250m的斜坡，将一辆重6×103N的矿车以2m/s的速度由坡底拉到坡顶，如果拉力是2×103N，求：
（1）由坡底到达坡顶所用的时间；
（2）拉力做的有用功；
（3）拉力做功的功率；
（4）利用此斜面做功的机械效率。
参考答案：（1）500s；（2）1.5×106J；（3）4×103W；（4）75%
例四：探究斜面的机械效率
如图所示，该实验器材有：不同的三个斜面、小车、________和________.
1.研究斜面的机械效率与斜面光滑程度的关系：
在实验过程中，应选用三个________相同而________不同的斜面进行实验，只有这样才能得出斜面的机械效率与斜面光滑程度的关系。
实验中需要测出的物理量有：小车的重力，斜面的_____及斜面的______，小车在三个不同斜面向上______运动时的三个拉力的大小最后计算出有用功和总功，从而算出不同斜面的机械效率。
结论：__________________________________________。
2.研究斜面的机械效率与斜面倾斜程度的关系：
在此实验中，应选用三个_____相同而______不同的斜面进行实验，测出不同斜面的______以及小车在不同斜面上______运动时的拉力大小，通过计算，最后得出结论。
结论：_________________________________________。
3.该实验说明斜面的机械效率与斜面的______和______有关。
参考答案：弹簧测力计；刻度尺
1.倾斜程度；光滑程度；长；高；匀速；在倾斜程度相同的条件下，斜面越光滑，其机械效率越高。
2.光滑程度；倾斜程度；长和高；匀速；在光滑程度相同条件下，斜面越陡，机械效率越高。
3.光滑程度；倾斜程度。
例四：为了证实其中的部分猜想，学习了机械效率知识后，某物理兴趣小组的同学对“斜面的机城效率跟什么因素有关”这一课题提出了一些猜想：A.跟斜面的粗糙程度有关；B.跟斜面的倾斜程度有关；C.跟物体的重力有关；D.跟斜面的长度有关。
小明同学设计方案并用相同材料的斜面和物块进行探究，下表反映了他的探究过程。
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1.请你替小明在表中两个空格处填上适当的数据
2.通过对比________两次（填实验次数的序号）实验数据，可验证猜想A.
3.通过对比实验①③数据，可以得出的探究结论是：当其他条件一定时，斜面倾斜程度越大，斜面的机械效越_______。
4.若要验证猜想C，应控制不变的量是：斜面长、斜面的倾斜程度和_______，需要改变的量是_______。
参考答案：
1.0.7，78；2.①，②；3.高（大）；4.斜面的粗糙程度，物体重力