孟健
與滑輪組有關(guān)的機(jī)械效率問(wèn)題是中考一類常見(jiàn)題型,解題時(shí)首先要審清題意,明確動(dòng)滑輪重力是否可以忽略,若題干中沒(méi)有忽略動(dòng)滑輪重的敘述或者暗示(如“輕質(zhì)滑輪”),則必須考慮這一因素。下面舉例介紹。
例1 (2021·浙江·寧波)反思是一種良好的學(xué)習(xí)品質(zhì)。在“動(dòng)滑輪”實(shí)驗(yàn)中,小寧通過(guò)如圖1所示裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn),得到結(jié)論:使用動(dòng)滑輪勻速提升物體,豎直向上的拉力F小于物重G。小寧思考后認(rèn)為,即使不計(jì)摩擦和繩重,上述結(jié)論要成立,物重G和動(dòng)滑輪重G動(dòng)之間也必須滿足一定條件。請(qǐng)你說(shuō)出這一條件,并予以證明。
解析:使用動(dòng)滑輪勻速提升物體時(shí),若不計(jì)摩擦和繩重,則拉力F? =? [12](G + G動(dòng)),若拉力F < G,則[12](G + G動(dòng)) < G,所以G > G動(dòng)。
即使用動(dòng)滑輪勻速提升物體,滿足豎直向上的拉力F小于物重G的條件是:物重G大于動(dòng)滑輪重G動(dòng)。
答案:條件:物重G大于動(dòng)滑輪重G動(dòng)。
點(diǎn)評(píng):通過(guò)本題我們可以看出,“動(dòng)滑輪省一半力”是有條件的,解題時(shí)不能陷入思維定式。
例2 (2021·湖北·襄陽(yáng))如圖2所示,工人用300 N的拉力把一重為G = 500 N的貨物用滑輪組提升了3 m(忽略摩擦及繩重)。求:
(1)工人做的有用功;
(2)滑輪組的機(jī)械效率(結(jié)果保留一位小數(shù));
(3)動(dòng)滑輪重。
解析:(1)工人做的有用功:W有 = Gh = 500 N × 3 m = 1500 J;
(2)由2圖可知,滑輪組繩子的有效股數(shù)n = 2,則繩子自由端移動(dòng)的距離:s = nh = 2 × 3 m = 6 m,繩子自由端拉力做的功:W總 = Fs = 300 N × 6 m = 1800 J,滑輪組的機(jī)械效率:η [=W有W總] = [1500 J1800 J] ≈ 83.3%;
(3)忽略摩擦及繩重,由F = [1n](G + G動(dòng))可得,動(dòng)滑輪重:G動(dòng) = nF - G = 2 × 300 N - 500 N = 100 N。
答:(1)工人做的有用功為1500 J;(2)滑輪組的機(jī)械效率為83.3%;(3)動(dòng)滑輪重為100 N。
點(diǎn)評(píng):滑輪組的有用功計(jì)算分為兩種情形:豎直滑輪組的動(dòng)滑輪掛鉤承擔(dān)物重G,有用功W有 = Gh,水平滑輪組的動(dòng)滑輪掛鉤承擔(dān)水平路面對(duì)重物的摩擦力f,有用功W有 = fs物?;喗M的總功計(jì)算則是一樣的:繩子自由端的拉力做總功,因此若有n段繩子承擔(dān)重物或者水平路面的摩擦力,則總功W總 = Fs拉力 = nFh物 = nFs物。
例3 (2021·內(nèi)蒙古·興安盟)建筑工人用如圖3甲所示的滑輪組勻速提升建材,每次運(yùn)送量不定,滑輪組的機(jī)械效率η隨物重G的變化圖象如圖3乙所示。忽略繩重、吊籃重及摩擦。求:
(1)動(dòng)滑輪的自重;
(2)當(dāng)滑輪組的機(jī)械效率為75%時(shí),提升的物重是多少?
解析:(1)忽略繩重、吊籃重及摩擦,則滑輪組的機(jī)械效率:
η = [W有用W總] = [W有用W有用+W額] = [GhGh+G動(dòng)h] = [GG+G動(dòng)],
由圖象可知,當(dāng)提起的建材重G = 150 N時(shí),機(jī)械效率η = 60%,
則60% = [150 N150 N+G動(dòng)],解得G動(dòng) = 100 N。
(2)當(dāng)滑輪組的機(jī)械效率為75%時(shí),有75%? = [G'G'+100 N],解得G′ = 300 N。
答:(1)動(dòng)滑輪的自重為100 N;
(2)當(dāng)滑輪組的機(jī)械效率為75%時(shí),提升的物重是300 N。
點(diǎn)評(píng):結(jié)合做功公式和功率公式以及滑輪組機(jī)械效率公式,利用好η = [GG+G動(dòng)]是解題關(guān)鍵。
(作者單位:江蘇省鹽城市鹿鳴路初級(jí)中學(xué))