機械效率和杠桿平衡

秦泗軍

科學探究是當前物理教學和中考改革的熱點。每個省份的物理中考都涉及了實驗探究,主要體現(xiàn)在實驗考題上,在選擇題目里面也有涉及。探究型試題旨在引導學習重心從過分強調(diào)知識的傳承、積累向知識的探究過程轉(zhuǎn)變,從而使學生由被動接受知識向主動獲取知識轉(zhuǎn)變,逐漸培養(yǎng)學生的科學探索能力和實事求是的科學態(tài)度以及敢于創(chuàng)新的精神,突出了學生的自主發(fā)展,體現(xiàn)了對學生的創(chuàng)新精神和實踐能力的要求。探究型試題的主要特點:體現(xiàn)過程展示、方法與操作、主觀開放。下面以“測滑輪組的機械效率”和 “探究杠桿的平衡條件”兩類實驗為例,看一看這兩類實驗題目的類型以及如何解答這兩類實驗探究題。

一、數(shù)據(jù)處理型

例1 在探究“測滑輪組的機械效率”的實驗中,馬剛同學用圖1所示的同一滑輪組進行了三次實驗,實驗記錄如下表:

(1)將實驗序號2、3所對應(yīng)的機械效率填入相應(yīng)表格中的空白處。

(2)根據(jù)以上實驗可得到的結(jié)論是:在滑輪組的串繞繩子的方式不變時,機械效率與_____________________有關(guān),與_____________________無關(guān)。

解析 根據(jù)機械效率的計算公式,可以計算出第二次和第三次實驗的機械效率分別是90.1%、83.3%。根據(jù)表格中的數(shù)據(jù)分析可以看出,第1次和第3次實驗的機械效率相同,說明在提高的重物相同情況下,機械效率與速度沒有關(guān)系;第1次和第2次實驗中鉤碼重量不同,機械效率不同,說明機械效率與被提高重物的重量有關(guān)。

答案:(1)90.1%;83.3%。(2)物重;速度。

例2 在探究“杠桿的平衡條件”的實驗中,某同學記錄了三次實驗數(shù)據(jù)如下表:

(1)這三次實驗數(shù)據(jù)中有一次是錯誤的,錯誤數(shù)據(jù)的實驗序號是____________,由正確實驗結(jié)果可得杠桿的平衡條件是_____________________________________。

(2)如圖2所示,當在A處掛了三個鉤碼時,要使杠桿平衡,應(yīng)在C處掛_____個鉤碼。(每個鉤碼的質(zhì)量相等)

解析 本題考查的是杠桿的平衡條件。由于第2次實驗數(shù)據(jù)不滿足杠桿的平衡條件,所以這組實驗數(shù)據(jù)是錯誤的。根據(jù)第1次和第3次實驗數(shù)據(jù)可得到杠桿的平衡條件是:動力×動力臂=阻力×阻力臂。在本題的第(2)問中,根據(jù)杠桿平衡條件可得應(yīng)掛4個鉤碼。

答案:(1)2;動力×動力臂=阻力×阻力臂。(2)4。

點評 以上兩個實驗題的共同特點是要對實驗數(shù)據(jù)進行進一步的分析和處理,進行相關(guān)運算和數(shù)據(jù)的分析歸納出實驗的結(jié)論。這就要求同學們有親自動手做實驗的經(jīng)歷及會對實驗的數(shù)據(jù)進行分析處理,有較強的實驗分析和處理數(shù)據(jù)能力是解答此類試題的關(guān)鍵。

二、設(shè)計及完善實驗步驟型

例1 (2008?北京)實驗臺上有如下實驗器材:一個帶支架的杠桿、一個量程為0~5 N的彈簧測力計、六個質(zhì)量均為100 g的鉤碼和兩段細繩。請利用上述實驗器材設(shè)計一個實驗,證明“在杠桿平衡時,如果動力臂和阻力臂保持不變,則動力跟阻力成正比”。

(1)在你所設(shè)計的實驗中,如果用點A表示鉤碼作用在杠桿上的位置,用點B表示彈簧測力計作用在杠桿上的位置,請在圖3中的杠桿上標出A點和B點。

(2)請寫出主要實驗步驟。

解析 動力作用點和阻力作用點的位置可以隨便選擇,最好不要選擇一點(即重合),再在A點依次向上掛鉤碼,并讀出對應(yīng)的B點的彈簧測力計的示數(shù),最后對數(shù)據(jù)進行分析。

答案:(1)見圖4。

(2)①用細繩做成兩個繩套,分別拴牢在杠桿的A點和B點處,調(diào)節(jié)杠桿使其在水平位置平衡。將彈簧測力計固定在B點并調(diào)節(jié)指針到零刻線位置。

②在A點處依次掛1個、2個、3個、4個、5個、6個鉤碼,在B點處依次豎直向上拉彈簧測力計,分別使杠桿在水平位置平衡。將每次實驗操作中掛在杠桿上的鉤碼的總質(zhì)量和相應(yīng)的彈簧測力計示數(shù)記錄在表格中。

點評 本題解答具有開放性,特別是第(1)問,A、B兩點的位置并不是唯一的。其實,這是探究杠桿平衡條件實驗的一個拓展實驗,要求同學們對探究杠桿平衡條件的實驗理解得更深刻,只有這樣才能更靈活地應(yīng)用杠桿平衡條件來完成這個拓展實驗。

例2 (2008?蘭州)如圖5是測定滑輪組機械效率時所用的滑輪,若使繩端的拉力沿向上的方向,并且最省力。

(1)請在圖5中畫出該滑輪組的繩子繞法。

(2)完善下列實驗步驟:

A. 按組裝圖把實驗器材裝配好;

B. 用彈簧秤測量出重物的重力;

C. 在動滑輪下面掛上重物,并分別記下重物和彈簧秤的位置;

D. ________________拉彈簧秤,使重物上升一段距離,讀出___________________;

E. 用刻度尺分別量出___________和__________移動的距離;

F. 由測得的數(shù)據(jù),求出滑輪組的機械效率。

(3)在這個實驗中,若物重4 N,重物上升了0.1 m,彈簧秤示數(shù)為2 N,請計算該滑輪組的機械效率η=_______。

(4)你能分析一下效率不是100%的原因嗎?請你試著寫出兩條:____________________________________、

____________________________________________。

解析 根據(jù)題設(shè)的條件“使繩端的拉力沿向上的方向并且最省力”,很容易畫出繩子的繞法。在第(2)題中,步驟基本給出,考查的是在實驗的過程中應(yīng)該注意的一些問題,比設(shè)計實驗步驟簡單。D步驟中,在拉動彈簧測力計時一定要豎直勻速拉動,最后讀出彈簧測力計的示數(shù);E步驟中是用刻度尺測量出物體上升的高度和繩子自由端移動的距離,機械效率的計算利用η==即可得出。

答案:(1)如圖6所示。(2)豎直勻速;彈簧秤讀數(shù);重物上升的距離;繩的自由端。(3)η=66.7%。(4)沒有考慮動滑輪及繩子所受重力;沒有考慮繩子與滑輪間的摩擦。

點評 這道實驗題主要是考查實驗過程中應(yīng)該注意的問題、機械效率的計算和影響機械效率的因素。這就要求學生在實驗過程中對實驗的步驟及應(yīng)該注意的問題都要掌握,否則就容易出錯。

三、綜合型

例 (2008?大連)在探究“杠桿的平衡條件”實驗中,所用的實驗器材有杠桿、支架、刻度尺、細線、質(zhì)量相同的鉤碼若干。

(1)將杠桿裝在支架上,發(fā)現(xiàn)杠桿右端下沉,如果將杠桿右側(cè)的平衡螺母向左調(diào)到頭了,杠桿右端仍下沉,此時應(yīng)將杠桿左側(cè)的平衡螺母向_________調(diào),直到杠桿在水平位置平衡為止。

(2)某同學進行正確的實驗操作后,得到的數(shù)據(jù)為F1=6 N、l1=20 cm、F2=4 N和l2=30 cm。該同學根據(jù)這些數(shù)據(jù)能否得出探究結(jié)論?____________________________。理由是:____________________________________________

_________________________________________________

_________________________________________________

_________________________________________________

(3)使杠桿在傾斜一定角度的位置做實驗,也能得出杠桿平衡條件。這種實驗方案與杠桿在水平位置做實驗的方案相比較,你認為哪種實驗方案好并說明理由:_________________________________________________

_________________________________________________

_________________________________________________

________________________________________________。

(4)如圖7所示,杠桿在水平位置平衡。如果在兩側(cè)鉤碼下再各掛一個相同的鉤碼,則杠桿_____________端將下沉。

解析 調(diào)節(jié)杠桿平衡和調(diào)節(jié)天平的方法是一樣的,當右端下沉時,杠桿左右兩端的平衡螺母都應(yīng)該向左調(diào)節(jié);如果杠桿左端下沉,則杠桿左右兩端的平衡螺母都應(yīng)該向右調(diào)節(jié)。我們在做實驗時,一般不能只分析一組數(shù)據(jù)就得出結(jié)論,這樣有很大的片面性,實驗數(shù)據(jù)也不可靠。在做探究“杠桿平衡條件”的實驗時,一般要讓杠桿在水平位置平衡,因為這時杠桿標尺上的長度能直接讀出,這樣最容易確定動力臂和阻力臂的長度,否則,力臂的長度不易確定。根據(jù)杠桿平衡條件可知,力臂與力的乘積大的一段會下沉。

答案:(1)左。(2)不能得出探究結(jié)論;一次實驗得出的數(shù)據(jù)具有偶然性,不能歸納出規(guī)律。(3)杠桿在水平位置的實驗方案好,這樣便于測力臂。(4)右。

點評 這類實驗題在中考中出現(xiàn)較多,它考查范圍廣,能夠考查學生的綜合實驗?zāi)芰?對學生的能力要求較高。

實驗題在中考中是必考的題型,現(xiàn)在也恰是這類題的一個發(fā)展階段,考查方式和手段多樣化,涉及內(nèi)容廣?？梢哉f,這類題是同學們失分較多的一類。這就要求各位同學在平時的學習中要積極的設(shè)計實驗、參與實驗、分析實驗、總結(jié)實驗,要總結(jié)實驗過程中的“得與失”,不斷地進行積累,提高自己掌控實驗的能力。也只有這樣,同學們才能以不變應(yīng)萬變,在考試中取得高分。