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        談提高機械效率的常用方法

        2015-11-18 13:38:38趙業(yè)飛
        文理導航 2015年32期
        關鍵詞:常用方法機械效率初中物理

        趙業(yè)飛

        【摘 要】機械效率是建立在有用功和總功的基礎上的。有用功是我們需要的,有價值的功,一般情況下,計算公式為W有用=G·h;若在水平方向移動物體時,則計算公式為W有用=f·S(即克服被移動物體受到的摩擦力所做的功)。為提高機械效率,我們在使用機械時,總希望有用功在總功中所占比例越大越好,或者說額外功在總功中所占的比例越小越好。本文就提高機械效率的常用方法作了闡述。

        【關鍵詞】初中物理;機械效率;常用方法;影響因素

        課標中要求:理解機械效率,了解提高機械效率的途徑和意義。初中階段我們主要學習有關滑輪組的機械效率,初學時,往往對其概念陌生難懂,思維不通、前后矛盾,還常與功率相混淆。

        一、基本概念和計算公式

        1.機械效率的基本概念

        機械效率(mechanical efficiency)是反映機械性能優(yōu)劣的重要標志之一。物理學中,有用功跟總功的比值叫機械效率,用機械效率來表示機械對總功的利用率,有用功占總功的比值越大(或者說所做的有用功與總功越接近),機械對總功的利用率就越高,機械的性能就越好。由于任何機械本身都受到重力的作用,相對運動的零部件間又存在摩擦,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(即W額外>0),使得總功總大于有用功(W總>W有用),機械的效率總小于1。機械效率是一個比值,通常用百分數(shù)表示,且它沒有單位。

        機械效率是建立在有用功和總功的基礎上的。有用功是我們需要的,有價值的功,一般情況下,計算公式為W有用=G·h;若在水平方向移動物體時,則計算公式為W有用=f·S(即克服被移動物體受到的摩擦力所做的功)。額外功是并非我們需要的,但又不得不做的功,額外功具體就是指機械運作過程中,克服機械自身的重力、摩擦力等所做的功,對滑輪組來說,額外功是指滑輪組克服滑輪與其轉(zhuǎn)軸之間的摩擦力做功、提升重物過程中克服動滑輪以及其它輔助用品(如繩子、裝物品的容器等)的重力做功等??偣κ怯杏霉皖~外功的總和,人們利用機械做功時,作用在機械上的動力對機械做的功就是總功,即W總=Fs。在解決實際的問題中,如何判斷有用功、額外功和總功是關鍵,進而解決有關機械效率的問題。

        2.使用滑輪組提升重物時,計算機械效率的公式通常有三種

        第一種:在理想化的情況下,即不計繩子的重力、動滑輪的重力和滑輪與其轉(zhuǎn)軸之間的摩擦力,機械效率為100%,即η=1;

        第二種:在較理想情況下,即不計繩子的重力和滑輪與其轉(zhuǎn)軸之間的摩擦力,但考慮動滑輪的重力,此時,機械效率小于100%,計算公式為:

        第三種:在實際真實情況下,既考慮繩子的重力和滑輪與其轉(zhuǎn)軸之間的摩擦力,又考慮動滑輪的重力,此時,機械效率也小于100%,計算公式為:

        二、影響因素和提高方法

        由機械效率的概念和計算公式可知,機械效率由有用功和總功兩個因素共同決定,比較機械效率高低時不能只考慮其中一個因素,不能理解成“有用功多,機械效率就高”;或“總功多,機械效率就高(或低)”。應理解為:當總功一定時,機械所做的有用功越多或額外功越少,機械效率就越高;當有用功一定時,機械所做的總功越少或額外功越少,機械效率就越高;當額外功一定時,機械所做的總功越多或有用功越多,有用功在總功中所占的比例就越大,機械效率就越高。此外,還值得我們注意的是:一、機械效率與功率無關。雖然它們都是反映機械性能的物理量,但兩者是完全不同的概念。功率是表示物體做功快慢的物理量,它是由做功的多少和所需時間的長短兩個因素決定的。它們分別表示機械的不同性能,沒有必然的聯(lián)系;二、機械效率與機械是否省力無關。機械是否省力,是指動力和阻力相比較而言,當動力比阻力小就省力,它與機械效率之間也沒有必然的聯(lián)系。

        對滑輪組來說,影響因素主要有四個:物體的重力(G物)、動滑輪的重力(G動,包括動滑輪的個數(shù))、繩重和摩擦,其中物體的重力直接影響有用功,其余的直接影響額外功。若不計繩重和摩擦,則滑輪組機械效率的主要影響因素是物體的重力(G物)和動滑輪的重力(G動,包括動滑輪的個數(shù)),當動滑輪重一定時,被拉物體越重,機械效率越大;當被拉物重一定時,所用動滑輪越重(或動滑輪的個數(shù)越多),機械效率越小。所以,在分析機械效率的高低時,不能只看一個因素。

        此外,滑輪組的機械效率與物體上升高度(h)和拉力移動的距離(s)無關(因為s=nh,最終s和h會被削掉)、與重物提升的速度和拉力移動的速度無關、與細繩的繞線方法無關。

        由此可見,提高機械效率的常用方法是:增大有用功或減少額外功。對滑輪組來說,提高機械效率的方法有:增加物重、減少動滑輪的重力(如使用輕質(zhì)滑輪、減少動滑輪的個數(shù)等)、減小機械自身零部件的摩擦(如給滑輪添加潤滑油等)、以及減小其它輔助用品的重力(如用質(zhì)量小的繩子、容器等),在不計繩重和摩擦時,可增加物重、減少動滑輪的重力。

        總之,為提高機械效率,我們在使用機械時,總希望有用功在總功中所占比例越大越好,或者說額外功在總功中所占的比例越小越好。因此還要注意在實際應用時選擇好適合的機械,千萬不要出現(xiàn)“用直升機吊木料到二樓家中”的現(xiàn)象。

        三、典例分析和鏈接中考

        例:用一個滑輪組提升重物,下列措施中能提高機械效率的是( )

        A.改變繞線方法 B.增加提升的物重

        C.增大重物的提升高度 D.增加重物的提升速度

        分析:對滑輪組來說,若要提高機械效率,就要增加有用功,也就是要增加提升的物重,或減少額外功,也就是減少繩重、機械自重等額外的功。而與繞線方法、提升重物的高度和速度都無關,故選B。

        鏈接中考:例如把重170N的沙子運到三樓,圖中給出了三種。方法①:用桶由體重為400N的人沿樓梯提上去;方法②:用桶裝沙子由動滑輪吊上去;方法③:用袋子裝沙子由動滑輪吊上去。這三種方法中,做的有用功 (選填“相等”或“不相等”),其中機械效率最高的是方法____(選填序號)。

        (作者單位:江蘇省南京市浦口區(qū)第三中學)

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