初中物理教學(xué)中機械效率影響因素探究

楊宏亮

無論是否使用機械，必須要做的功，叫做有用功。任何機械本身都受到重力的作用，相對運動的零件間又存在摩擦力，所以使用任何機械，除了做有用功外，都不可避免地要做額外功。這時動力所做的總功等于有用功加額外功。有用功跟總功的比值叫機械效率，用符號η表示。若用W有表示有用功、W總表示總功，則有η=×100%，由于有用功總小于總功，故機械效率總小于1。

機械效率是初中物理的重要內(nèi)容，在教學(xué)過程中，只有讓學(xué)生以理性的思維方式，從數(shù)據(jù)分析的角度對機械效率的知識點進行全面探究，才能使學(xué)生更好地掌握機械原理。

一、杠桿的機械效率及其影響因素

例：用如圖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。

通過計算得出增大有用功確實提高了杠桿的機械效率，但同時也發(fā)現(xiàn)額外功增大了0.01J，這是為什么呢？經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)在增大物重的同時，不可避免地要克服杠桿轉(zhuǎn)動時的摩擦力，因為通過杠桿提升物體時克服杠桿重力所做的額外功不變，增大了物重即增大了杠桿與轉(zhuǎn)軸之間的壓力，從而增大了杠桿轉(zhuǎn)動時的摩擦力。所以增大物重可以提高杠桿的機械效率，減小額外功也可以提高杠桿的機械效率，那么如何減小杠桿轉(zhuǎn)動時所產(chǎn)生的額外功呢？可以從兩個方面來減小額外功：①使用輕質(zhì)的杠桿；②在轉(zhuǎn)軸處加潤滑油。

因此在教學(xué)的過程中，教師要設(shè)計對記錄的數(shù)據(jù)進行分析、處理的教學(xué)活動，引導(dǎo)學(xué)生從數(shù)據(jù)分析的角度來解決實際問題，使他們更客觀地理解機械效率，從而增強學(xué)生對科學(xué)方法的認(rèn)知力度。

二、用滑輪組提升物體時的機械效率

實驗前引導(dǎo)學(xué)生測量物重、動滑輪重，從而有利于分析影響滑輪組機械效率的影響因素是什么。

例：用下圖所示的滑輪組將重為1000N的重物勻速提升0.5m，人對繩的拉力是400N，已知動滑輪重150N，求繩的自由端被拉下幾米？這個滑輪組的機械效率是多少？

解：分擔(dān)重力的繩子段數(shù)n=3，所以繩自由端被拉下的距離S=nh=3×0.5m=1.5m。

而克服動滑輪重所做的功為W輪=G輪h=150N×0.5m=75J，∵ W額>W輪，∴額外功除了克服動滑輪重做功外，還要克服繩重以及輪與軸之間的摩擦做功。

若上例中物重增大到2000N時，拉力是790N，有用功、額外功、總功和機械效率各是多少？

第二次提升物體的額外功增大了85J，為什么額外功增大了？分析后可知拉力F克服滑輪重和繩重所做的額外功沒變，物重增大，導(dǎo)致了輪與軸之間的摩擦增大，所以額外功增大。因此，滑輪組機械效率公式的推導(dǎo)，就要分兩種情況。

1. 考慮動滑輪自重，摩擦阻力及繩重等所有額外功的情形，公式梳理過程如下：使用滑輪組做的總功為W總=Fs，有用功W有=Gh，因為物體沿豎直方向被勻速提起，所以有：

所以影響滑輪組機械效率的因素分兩種情況考慮：①除物重和滑輪重外，還應(yīng)考慮到繩重和機械間的摩擦，這個機械間的摩擦指的是輪與軸之間的摩擦，而不是繩與輪之間的摩擦。所以提高滑輪組的機械效率的方法有增加物重、減小滑輪重和繩重、在輪與軸之間加潤滑油。②忽略繩重及摩擦，提高滑輪組機械效率的方法為有增加物重、減小滑輪重。

三、用斜面提升物體時的機械效率及其結(jié)論性語言的準(zhǔn)確性

由于初中物理教學(xué)的特點，教師在進行物理教學(xué)時，要特別注意在語言的準(zhǔn)確性。

例：如圖是小亮測定斜面機械效率的裝置圖。每次實驗時，被拉的小車沿同一斜面勻速向上運動。上表是小亮設(shè)計的記錄數(shù)據(jù)的表格，分析表格中的實驗數(shù)據(jù)，你能得到哪些結(jié)論？（要求寫兩個）

我們都知道影響斜面的機械效率的因素有兩個：斜面的傾斜程度；斜面的粗糙程度。所以正確的答案是：①粗糙程度一樣的斜面，斜面越陡，機械效率越高；或斜面傾斜程度一定時，斜面越粗糙，機械效率越低；②斜面越緩，越省力。

因此，“其他條件一定時，斜面越陡，機械效率越高；當(dāng)斜面長一定時，斜面越高，機械效率越高”這結(jié)論性語言顯然是不夠準(zhǔn)確的，這是由于沒有真正理解影響斜面機械效率的因素。

責(zé)任編輯 羅 峰