趙業(yè)飛

【摘 要】機(jī)械效率是建立在有用功和總功的基礎(chǔ)上的。有用功是我們需要的，有價(jià)值的功，一般情況下，計(jì)算公式為W有用=G·h；若在水平方向移動(dòng)物體時(shí)，則計(jì)算公式為W有用=f·S（即克服被移動(dòng)物體受到的摩擦力所做的功）。為提高機(jī)械效率，我們?cè)谑褂脵C(jī)械時(shí)，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(jī)械效率的常用方法作了闡述。

【關(guān)鍵詞】初中物理；機(jī)械效率；常用方法；影響因素

課標(biāo)中要求：理解機(jī)械效率，了解提高機(jī)械效率的途徑和意義。初中階段我們主要學(xué)習(xí)有關(guān)滑輪組的機(jī)械效率，初學(xué)時(shí)，往往對(duì)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(jì)算公式

1.機(jī)械效率的基本概念

機(jī)械效率（mechanical efficiency）是反映機(jī)械性能優(yōu)劣的重要標(biāo)志之一。物理學(xué)中，有用功跟總功的比值叫機(jī)械效率，用機(jī)械效率來表示機(jī)械對(duì)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(jī)械對(duì)總功的利用率就越高，機(jī)械的性能就越好。由于任何機(jī)械本身都受到重力的作用，相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零部件間又存在摩擦，所以使用任何機(jī)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(jī)械的效率總小于1。機(jī)械效率是一個(gè)比值，通常用百分?jǐn)?shù)表示，且它沒有單位。

機(jī)械效率是建立在有用功和總功的基礎(chǔ)上的。有用功是我們需要的，有價(jià)值的功，一般情況下，計(jì)算公式為W有用=G·h；若在水平方向移動(dòng)物體時(shí)，則計(jì)算公式為W有用=f·S（即克服被移動(dòng)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(jī)械運(yùn)作過程中，克服機(jī)械自身的重力、摩擦力等所做的功，對(duì)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(dòng)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(jī)械做功時(shí)，作用在機(jī)械上的動(dòng)力對(duì)機(jī)械做的功就是總功，即W總=Fs。在解決實(shí)際的問題中，如何判斷有用功、額外功和總功是關(guān)鍵，進(jìn)而解決有關(guān)機(jī)械效率的問題。

2.使用滑輪組提升重物時(shí)，計(jì)算機(jī)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(jì)繩子的重力、動(dòng)滑輪的重力和滑輪與其轉(zhuǎn)軸之間的摩擦力，機(jī)械效率為100%，即η=1；

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

第三種：在實(shí)際真實(shí)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(dòng)滑輪的重力，此時(shí)，機(jī)械效率也小于100%，計(jì)算公式為：

二、影響因素和提高方法

由機(jī)械效率的概念和計(jì)算公式可知，機(jī)械效率由有用功和總功兩個(gè)因素共同決定，比較機(jī)械效率高低時(shí)不能只考慮其中一個(gè)因素，不能理解成“有用功多，機(jī)械效率就高”；或“總功多，機(jī)械效率就高（或低）”。應(yīng)理解為：當(dāng)總功一定時(shí)，機(jī)械所做的有用功越多或額外功越少，機(jī)械效率就越高；當(dāng)有用功一定時(shí)，機(jī)械所做的總功越少或額外功越少，機(jī)械效率就越高；當(dāng)額外功一定時(shí)，機(jī)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(jī)械效率就越高。此外，還值得我們注意的是：一、機(jī)械效率與功率無關(guān)。雖然它們都是反映機(jī)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(shí)間的長(zhǎng)短兩個(gè)因素決定的。它們分別表示機(jī)械的不同性能，沒有必然的聯(lián)系；二、機(jī)械效率與機(jī)械是否省力無關(guān)。機(jī)械是否省力，是指動(dòng)力和阻力相比較而言，當(dāng)動(dòng)力比阻力小就省力，它與機(jī)械效率之間也沒有必然的聯(lián)系。

對(duì)滑輪組來說，影響因素主要有四個(gè)：物體的重力（G物）、動(dòng)滑輪的重力（G動(dòng)，包括動(dòng)滑輪的個(gè)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(jì)繩重和摩擦，則滑輪組機(jī)械效率的主要影響因素是物體的重力（G物）和動(dòng)滑輪的重力（G動(dòng)，包括動(dòng)滑輪的個(gè)數(shù)），當(dāng)動(dòng)滑輪重一定時(shí)，被拉物體越重，機(jī)械效率越大；當(dāng)被拉物重一定時(shí)，所用動(dòng)滑輪越重（或動(dòng)滑輪的個(gè)數(shù)越多），機(jī)械效率越小。所以，在分析機(jī)械效率的高低時(shí)，不能只看一個(gè)因素。

此外，滑輪組的機(jī)械效率與物體上升高度（h）和拉力移動(dòng)的距離（s）無關(guān)（因?yàn)閟=nh，最終s和h會(huì)被削掉）、與重物提升的速度和拉力移動(dòng)的速度無關(guān)、與細(xì)繩的繞線方法無關(guān)。

由此可見，提高機(jī)械效率的常用方法是：增大有用功或減少額外功。對(duì)滑輪組來說，提高機(jī)械效率的方法有：增加物重、減少動(dòng)滑輪的重力（如使用輕質(zhì)滑輪、減少動(dòng)滑輪的個(gè)數(shù)等）、減小機(jī)械自身零部件的摩擦（如給滑輪添加潤(rùn)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(jì)繩重和摩擦?xí)r，可增加物重、減少動(dòng)滑輪的重力。

總之，為提高機(jī)械效率，我們?cè)谑褂脵C(jī)械時(shí)，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(shí)際應(yīng)用時(shí)選擇好適合的機(jī)械，千萬不要出現(xiàn)“用直升機(jī)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(gè)滑輪組提升重物，下列措施中能提高機(jī)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(duì)滑輪組來說，若要提高機(jī)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(jī)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(guān)，故選B。

鏈接中考：例如把重170N的沙子運(yùn)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(dòng)滑輪吊上去；方法③：用袋子裝沙子由動(dòng)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(jī)械效率最高的是方法____（選填序號(hào)）。

（作者單位：江蘇省南京市浦口區(qū)第三中學(xué)）