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        談提高機(jī)械效率的常用方法

        2015-11-18 13:38:38趙業(yè)飛
        文理導(dǎo)航 2015年32期
        關(guān)鍵詞:常用方法機(jī)械效率初中物理

        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))

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