由机械效率η=W有/W总剖析,影响机械效率的诱因就是W有和W总,而W总=W有+W额即W有和W额在W总中的比值。并且具体到不同的简单机械中,影响机械效率的诱因又是各不相同的。
1.影响斜面机械效率的诱因
影响斜面机械效率的诱因有:斜面的倾斜程度和斜面的粗糙程度。倾斜程度影响的是有用功,粗糙程度影响的是额外功。斜面越光滑,机械效率越高;斜面的倾斜程度越大,机械效率越高。
图1例1.如图1所示是探究斜面的机械效率跟哪些诱因有关的实验装置。
(1)实验器材有铁块、铁块、垫块、各处粗糙程度相同的长木板、弹簧测力计各一个,砝码若干,为了完成实验,还须要的检测工具是。
(2)实验时某同事在铁块或石块上放置不同的砝码,改变物块的重力,用弹簧测力计拉着物块沿斜面做匀速直线运动。实验的部份数据如下表:
实验
次数接触面粗糙
程度物块
重
G/N物块上
升的高
度h/m沿斜面
的拉力
F/N物块移
动的距
离l/m机械
效率1较粗糙
(铁块-木板)2.00.251.20.8052%2同上2.00.351.40.8063%3同上5.00.353.50.8063%4较光滑
(石块-木板)5.00.353.10.80①该朋友运用控制变量法探究的是斜面的机械效率与、、的关系。
②在第四次实验中,斜面的机械效率为。
解析:(1)剖析表中须要检测的数学量,进而晓得须要的检测工具。由表中数据可见须要检测的化学量有四个:物块的重力、沿斜面的拉力、物块上升的高度、物块联通的距离,其中前两个由弹簧测力计完成,后两个由刻度尺来完成,因而还须要补充的器材是刻度尺。
(2)①分析实验1、2,接触面的粗糙程度、物块重力相同,斜面的倾斜程度不同,机械效率不同,研究的是斜面的机械效率与斜面倾斜程度的关系(有关);
剖析实验2、3,斜面的倾斜程度、接触面的粗糙程度相同滑轮组机械效率与什么无关,物块重力不同,机械效率相同,研究的是斜面的机械效率与物块重力的关系(无关);
剖析实验3、4,斜面的倾斜程度、物块重力相同,接触面的粗糙程度不同,机械效率不同,研究的是斜面的机械效率与接触面粗糙程度的关系(有关)。
由此可见探究的是斜面的机械效率与接触面粗糙程度、物块重力、斜面倾斜程度的关系。
②斜面的有用功等于物块的重力和物块上升高度的乘积,即W有=Gh;总功等于沿斜面的拉力和物块联通距离的乘积,即W总=Fl。
斜面机械效率η=W有/W总=Gh/Fl=(5N×0.35m)/(3.1N×0.8m)≈71%。
所以,按照以上实验数据剖析,斜面的机械效率与接触面的粗糙程度和斜面的倾斜程度有关,与物体的重力无关。接触面越光滑,机械效率越高;斜面的倾斜程度越大,机械效率越高。
2.影响滑车架机械效率的诱因
在不考虑绳的重力,绳与轮、轮与轴之间的磨擦时,影响滑车架机械效率的诱因有:滑轮自身的重力和物体的重力。物体的重力影响的是有用功,动滑轮自身的重力影响的是额外功。物体的重力越大,滑车架的机械效率越高;动滑轮自身的重力越大,机械效率越低。
例2.在“探究影响滑车架机械效率的诱因”实验中,小明用图2所示的滑轮做了多次实验,实验中每位钩码重2N,测得的数据如下表:
化学量
实验次数钩码
总重
G/N钩码上升
的高度
h/m测力计
示数
F/N测力计移
动距离
s/m机械
效率
η140.11.80.3260.12.40.383%340.11.40.557%440.21.41.057%图2(1)第1次实验测得的机械效率为。(结果保留两位有效数字)
(2)剖析表中数据可知:第2次实验是用图做的;第4次实验是用图做的。(填“甲”、“乙”或“丙”)
(3)剖析第1、2次实验数据可知:使用同一滑车架,可以提升滑车架的机械效率;剖析第1、3次实验数据可知:使用不同的滑车架,提高相同的重物,动滑轮个数越多(即动滑轮总重越重),滑车架的机械效率。
(4)剖析第3、4次实验数据可知,滑车架的机械效率与物体被提高的高度。
解析:(1)第一次实验测得的机械效率η=W有/W总=Gh/Fs=(4N×0.1m)/(1.8N×0.3m)≈74%。
(2)同一装置的滑车架,物体越重,机械效率越高;拉同一重物,动滑轮越重(动滑轮个数越多),机械效率越低。所以第二次实验机械效率最高,应当是用乙图做的;第四次实验机械效率最低,应当是用丙图做的。
(3)剖析第1、2次实验数据可知:使用同一滑车架,减小所拉物体的重力可以提升滑车架的机械效率;剖析第1、3次实验数据可知:使用不同的滑车架,提高相同的重物,动滑轮个数越多(即动滑轮总重越重),滑车架的机械效率越低。
(4)剖析第3、4次实验数据可知,滑车架的机械效率与物体被提高的高度无关。
按照以上实验可知,滑车架的机械效率与滑车架中动滑轮的重力和物体的重力有关。在被提高的重物一定时,滑车架中动滑轮的重力越大(动滑轮个数越多)时,机械效率越低;使用同一滑车架所拉物体的重力越大时,机械效率越高。
3.影响杠杆机械效率的诱因
在不考虑磨擦时,影响杠杆机械效率的诱因有:杠杆自身的重力和物体的重力,物体的重力影响的是有用功,杠杆自身的重力影响的是额外功。
图3例3.某实验小组借助图3所示装置研究杠杆的机械效率,实验的主要步骤如下:
①用轻绳悬挂杠杆一端的O点作为支点,在A点用轻绳悬挂总重为G的钩码,在B点用弹簧测力计拉住杠杆,使杠杆保持水平;
②竖直向下带动弹簧测力计平缓匀速上升(保持O点位置不变),在此过程中弹簧测力计的读数为F,借助刻度尺分别测出A、B两点上升的高度为h1、h2。
回答下述问题:
(1)杠杆机械效率的表达式为η=。(用已知或检测的数学量符号表示)
(2)本次实验中,若提高的钩码重一定,则影响杠杆机械效率的主要诱因是。
(3)若只将钩码的悬挂点由A移至C,O、B位置不变,仍将钩码提高相同的高度,则杠杆的机械效率将(填“变高”、“变低”或“不变”)。
解析:(1)杠杆机械效率的表达式为η=W有/W总=Gh/Fs=Gh1/Fh2。
(2)若提高的钩码重一定,则影响杠杆机械效率的主要诱因是杠杆的自重。由于使用杠杆时须要克服杠杆自重、摩擦力等做功,这是使用杠杆的额外功。
(3)若只将钩码的悬挂点由A移至C滑轮组机械效率与什么无关,O、B位置不变,仍将钩码提高相同的高度,克服杠杆自重做的额外功不变,而在拉力提高同样高度时,重物提高的高度降低,做的有用功减小,所以机械效率变高。
综上所述,无论是斜面、滑车架还是杠杆,它们的机械效率并不是固定不变的,都与机械本身的装置、所拉物体的重力有关。
机械装置本身不随物体一起运动的斜面的机械效率,与物体的重力无关;与斜面的粗糙程度和倾斜程度有关,斜面越光滑,额外功就越小,机械效率越高;斜面的倾斜程度越大,有用功就越大,机械效率越高。
机械装置本身随物体一起运动的滑车架、杠杆的机械效率,与机械本身的重力和物体的重力有关,在所拉物体一定的前提下,机械自身重力越小,额外功就越小,机械效率越高;物体重力越大,有用功就越大,机械效率越高。