初中物理教学中机械效率影响因素探究

杨宏亮

无论是否使用机械，必须要做的功，叫做有用功。任何机械本身都受到重力的作用，相对运动的零件间又存在摩擦力，所以使用任何机械，除了做有用功外，都不可避免地要做额外功。这时动力所做的总功等于有用功加额外功。有用功跟总功的比值叫机械效率，用符号η表示。若用W有表示有用功、W总表示总功，则有η=×100%，由于有用功总小于总功，故机械效率总小于1。

机械效率是初中物理的重要内容，在教学过程中，只有让学生以理性的思维方式，从数据分析的角度对机械效率的知识点进行全面探究，才能使学生更好地掌握机械原理。

一、杠杆的机械效率及其影响因素

例：用如图所示的实验装置测量杠杆的机械效率。实验时，竖直向上匀速拉动弹簧测力计，使挂在较长杠杆下面的钩码缓缓上升。

通过计算得出增大有用功确实提高了杠杆的机械效率，但同时也发现额外功增大了0.01J，这是为什么呢？经过分析发现在增大物重的同时，不可避免地要克服杠杆转动时的摩擦力，因为通过杠杆提升物体时克服杠杆重力所做的额外功不变，增大了物重即增大了杠杆与转轴之间的压力，从而增大了杠杆转动时的摩擦力。所以增大物重可以提高杠杆的机械效率，减小额外功也可以提高杠杆的机械效率，那么如何减小杠杆转动时所产生的额外功呢？可以从两个方面来减小额外功：①使用轻质的杠杆；②在转轴处加润滑油。

因此在教学的过程中，教师要设计对记录的数据进行分析、处理的教学活动，引导学生从数据分析的角度来解决实际问题，使他们更客观地理解机械效率，从而增强学生对科学方法的认知力度。

二、用滑轮组提升物体时的机械效率

实验前引导学生测量物重、动滑轮重，从而有利于分析影响滑轮组机械效率的影响因素是什么。

例：用下图所示的滑轮组将重为1000N的重物匀速提升0.5m，人对绳的拉力是400N，已知动滑轮重150N，求绳的自由端被拉下几米？这个滑轮组的机械效率是多少？

解：分担重力的绳子段数n=3，所以绳自由端被拉下的距离S=nh=3×0.5m=1.5m。

而克服动滑轮重所做的功为W轮=G轮h=150N×0.5m=75J，∵ W额>W轮，∴额外功除了克服动滑轮重做功外，还要克服绳重以及轮与轴之间的摩擦做功。

若上例中物重增大到2000N时，拉力是790N，有用功、额外功、总功和机械效率各是多少？

第二次提升物体的额外功增大了85J，为什么额外功增大了？分析后可知拉力F克服滑轮重和绳重所做的额外功没变，物重增大，导致了轮与轴之间的摩擦增大，所以额外功增大。因此，滑轮组机械效率公式的推导，就要分两种情况。

1. 考虑动滑轮自重，摩擦阻力及绳重等所有额外功的情形，公式梳理过程如下：使用滑轮组做的总功为W总=Fs，有用功W有=Gh，因为物体沿竖直方向被匀速提起，所以有：

所以影响滑轮组机械效率的因素分两种情况考虑：①除物重和滑轮重外，还应考虑到绳重和机械间的摩擦，这个机械间的摩擦指的是轮与轴之间的摩擦，而不是绳与轮之间的摩擦。所以提高滑轮组的机械效率的方法有增加物重、减小滑轮重和绳重、在轮与轴之间加润滑油。②忽略绳重及摩擦，提高滑轮组机械效率的方法为有增加物重、减小滑轮重。

三、用斜面提升物体时的机械效率及其结论性语言的准确性

由于初中物理教学的特点，教师在进行物理教学时，要特别注意在语言的准确性。

例：如图是小亮测定斜面机械效率的装置图。每次实验时，被拉的小车沿同一斜面匀速向上运动。上表是小亮设计的记录数据的表格，分析表格中的实验数据，你能得到哪些结论？（要求写两个）

我们都知道影响斜面的机械效率的因素有两个：斜面的倾斜程度；斜面的粗糙程度。所以正确的答案是：①粗糙程度一样的斜面，斜面越陡，机械效率越高；或斜面倾斜程度一定时，斜面越粗糙，机械效率越低；②斜面越缓，越省力。

因此，“其他条件一定时，斜面越陡，机械效率越高；当斜面长一定时，斜面越高，机械效率越高”这结论性语言显然是不够准确的，这是由于没有真正理解影响斜面机械效率的因素。

责任编辑 罗 峰