測量滑輪組的機械效率的實驗改進

田曉娜　韓敘虹

摘 要：測量滑輪組的機械效率是初中物理的一個重要實驗，對于學生理解能量的轉(zhuǎn)化及比較機械性能的優(yōu)劣有重要作用。實驗方案改進后，通過數(shù)據(jù)分析可以得出影響機械效率的更多因素以及哪些因素對其影響較大，有助于學生對機械效率概念的理解。

關鍵詞：滑輪組的機械效率；提高；改進

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2017）12-0014-3

1 原實驗方案 [1]

【實驗原理】：η=

【實驗器材】：兩個單滑輪、兩個雙滑輪、重物、彈簧測力計、刻度尺、細繩。

【實驗步驟】：（1）如圖1甲所示組裝一定一動滑輪組，測量并記錄適量鉤碼的重力G，把鉤碼掛在動滑輪的下方，用彈簧測力計鉤住繩子的自由端豎直向上勻速拉動，記錄拉力大小F、重物被提升的高度h、繩子自由端移動的距離s，如圖1乙。由公式η=計算得到滑輪組的機械效率，實驗數(shù)據(jù)記錄在表1中。

（2）改變重物的重力重復步驟1的操作2次，并且把得到的數(shù)據(jù)記錄在表1中。

（3）組裝兩定兩動滑輪組如圖1丙所示，重復步驟1、2的操作，并且把得到的數(shù)據(jù)記錄在表1中。

【實驗數(shù)據(jù)記錄】：

【實驗結論】：被提升重物的重力越大，滑輪組的機械效率越高，動滑輪的重力越大，滑輪組的機械效率越低。

2 改進后的實驗方案

【實驗原理】：η=

【實驗器材】：重力不同的滑輪、重物、彈簧測力計、刻度尺、細繩、鐵鏈，組裝后的器材如圖2所示。各組器材不完全相同，圖3給出了組間器材的區(qū)別。

【實驗步驟】：同原實驗方案步驟1，但需要在改變提升高度的情況下做三遍。

【實驗數(shù)據(jù)記錄】：

每小組實驗數(shù)據(jù)記錄表格如表2：

全班四大組實驗數(shù)據(jù)記錄表格如表3：

每一小組完成實驗時將數(shù)據(jù)記錄在表2中，完成實驗后，將本組得到的機械效率的平均值記錄在表3相應的組別中，供大家來分析。

【實驗結論】：被提升重物的重力越大，滑輪組的機械效率越高。動滑輪的重力越大，滑輪組的機械效率越低。繩子重力越大，機械效率越低。重物上升的高度不影響滑輪組的機械效率。

3 改進后的實驗在課堂教學中的應用

3.1 情景引入

如圖4，用大滑輪吊起小水杯，請學生談感受，分別從力的角度和能量的角度分析其不合理性。

結合情景，通過投入產(chǎn)出的類比及生活中的成語——“事半功倍”“事倍功半”來理解有用功、總功、滑輪組機械效率等概念。類比的方法有助于學生理解抽象的概念，結合具體的情景分析問題，可以加深學生對有用功、總功、機械效率這些重點概念的認識。

3.2 測量效率

【設計實驗】：教師和同學們一起經(jīng)歷測量性實驗的實驗設計過程。先從測量性實驗的理論依據(jù)即實驗原理出發(fā)，分析所需要測量的物理量及所需的實驗器材。然后來分析測量這些物理量的過程中需要注意的點（如彈簧測力計豎直向上勻速拉動等），測量的先后次序怎樣最合理。最后，帶領學生一起按照先自變量后因變量、先直接測量量后間接測量量及物理量測量的先后次序設計實驗記錄表格。

【進行實驗】：同學們動手操作，教師巡視答疑，提醒同學們操作上不規(guī)范的地方。每大組同學的實驗器材不完全相同，第一大組用鐵鏈子，不同于其他三個大組的棉線；第四大組用1 N的重物，不同于其他大組的2 N；一二大組動滑輪重力0.3 N，三四大組動滑輪重力0.15 N。這樣每相鄰的兩組之間器材只有一點不同，具體見圖2和圖3。

【報告數(shù)據(jù)】：每一大組同學有五個小組，每個小組可以把自己的測量結果報上來，供全班同學分析，如表4。

3.3 分析效率

同一大組的五個數(shù)據(jù)非常接近，如表4。相鄰兩個大組的數(shù)據(jù)卻差異比較大，如表5。

由一二大組數(shù)據(jù)可以看出機械效率不同是因為繩重不同，第一組繩子重力大，滑輪組機械效率低。由二三大組數(shù)據(jù)可以看出機械效率不同是因為動滑輪重力不同，第二組動滑輪重力大，滑輪組機械效率低。由三四大組數(shù)據(jù)可以看到重物重力不同，機械效率也不同，第三組重物重力大，滑輪組機械效率高。小組內(nèi)數(shù)據(jù)對比可以看出在實驗器材完全相同的情況下，物體被提升高度不同，機械效率卻是基本相同的，說明物體被提升的高度并不影響機械效率。若忽略軸的摩擦和繩重，利用公式η=，二三四組機械效率分別是87%、93%、87%，大于實際測量值但與其比較接近，說明了軸的摩擦和繩子比較輕時繩重帶來的額外功對機械效率的影響不大，處理實際問題時我們忽略軸的摩擦和繩重是比較合理的。棉線和滑輪之間的摩擦屬于靜摩擦，此處不會有熱量出現(xiàn)，不會帶來額外功，所以不影響機械效率。

3.4 得出結論

動滑輪重力越大，機械效率越低。物體重力越大，機械效率越高。

當繩子重力較小（如材質(zhì)為棉線）時，可以忽略繩子重力對滑輪組機械效率的影響，軸的摩擦對滑輪組機械效率的影響也較小，處理具體問題時忽略繩重和軸的摩擦是合理的。

重物上升高度不影響機械效率。

3.5 學以致用

如何提高滑輪組的機械效率？學生已經(jīng)由實驗數(shù)據(jù)分析得出影響機械效率的因素，自然可以理解增加被提升物體的重力、減小動滑輪的重力、減小軸的摩擦和繩重等等都可以提高滑輪組的機械效率。

新課引入時用大滑輪提升水杯時機械效率為多少？G=10 N，G杯=2 N，不計軸的摩擦和繩重，η==16.7%。若考慮軸的摩擦和繩重，機械效率還會更低。從能量角度體會用大滑輪組提升水杯的不合理性及提高機械效率的必要性。

4 改進后的實驗方案的優(yōu)點[2]

（1）每個小組做3組實驗，相比原方案的6組實驗節(jié)約了時間，同學們有更充分的時間交流討論，獲得更多的信息，體現(xiàn)了高效課堂。同時，實驗裝置不改變做三次實驗，減小了偶然因素對實驗結果的影響，實驗數(shù)據(jù)更具說服力。

（2）分析數(shù)據(jù)的過程中，同學們經(jīng)歷了從信息中分析、歸納規(guī)律的過程，并且多次使用控制變量法，鍛煉了分析、概括能力和解決問題的能力。

（3）數(shù)據(jù)得到了更充分的應用，同一大組內(nèi)各小組的數(shù)據(jù)對比，以及各大組間的數(shù)據(jù)對比，都體現(xiàn)了交流、分享的理念，培養(yǎng)了同學們合作學習的精神和語言表達能力等。

（4）大數(shù)據(jù)分析可以得到更多的結論。首先，是得到更多影響機械效率的因素，如動滑輪的重力、重物的重力、繩子的重力等。其次，用實驗數(shù)據(jù)證明了重物上升的高度不影響滑輪組的機械效率。最后，可以說明我們分析問題時忽略繩重和軸的摩擦的合理性。

（5）原方案重測量，新方案不僅有對機械效率的測量而且有探究影響機械效率的因素。同學們合作分享、動腦分析，有助于同學們理解并掌握機械效率這個核心概念；提升推理、分析、綜合的邏輯思維能力；同時也培養(yǎng)了尊重事實的科學精神和喜歡探究的科學品質(zhì)，提升了同學們的科學素養(yǎng)。

參考文獻：

[1]課程教材研究所物理課程教材研究開發(fā)中心.物理八年級下冊（義務教育教科書）[M].北京：北京師范大學出版社，2012：116-119.

[2]中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準[S].北京：北京師范大學出版社，2011：5-7.

（欄目編輯 趙保鋼）endprint