機械效率的計算與速度的大小有關嗎? - 葉老師物理

2021-02-08 葉老師物理

這兩天在群裡看到老師們都在討論物理問題,感到十分欣慰。這樣下去,老師們的困惑越來越少,原來沒想到的問題想得並得以解決,原來模糊的問題得以澄清。久而久之,我們的物理教學水平必將邁上一個新的高度。

在群裡看到三十一中的老師對八年級下冊《簡單機械》訓練題中的關於斜面的機械效率一題存在疑問,原題如下:

固定在水平地面上的斜面長L,高h,用大小為F的沿斜面向上的恆定拉力將重力為G的小物塊拉到斜面頂端。在此過程中所做的無用功的大小是____________,斜面的機械效率是_________。若該斜面粗糙程度增加,斜面的機械效率_________(均選填「變大」、「變小」或「不變」),你判斷的依據是________________________。

機械效率的定義是有用功與總功的比值。總功比較容易理解且易於分辨,產生疑問的地方是有用功,產生模糊認識的地方是課本上的總功等於有用功加額外功。我們先來看看課本上關於機械效率中對有用功的定義:

釐清了有用功,我們來看看上述兩個實驗的前提條件:緩慢——勻速。

下面我們來做兩個思想實驗。

一、假設有兩組學生在做同樣的實驗,只是勻速上升的速度大小不同

很明顯,如果兩組學生都是勻速拉動物體,儘管物體的速度大小不同,但實驗結果不變。也就是說機械效率與物體的速度無關。

二、假設一組學生勻速拉動、另一組學生加速拉動物體

在有用功相同的情況下,加速拉動物體的一組學生會發現彈簧測力計的示數要大於剛才勻速拉動時的示數,總功變大。機械效率變小。從這個角度來看沒有問題,如果從總功等於有用功與額外功之和來看,就會發現額外功變大。那麼,增大的額外功是什麼呢?增大的額外功就是物體(滑輪)增加的動能。

通過上述分析我們發現,同一裝置,在有用功相同的情況下,勻速拉動物體時的機械效率與物體的速度大小無關;加速拉動物體時,裝置的機械效率與物體的速度有關且物體的速度越大機械效率越小。

有了上述結論,我們再來看看斜面的機械效率。值得注意的是,關於斜面的機械效率都是建立在勻速拉動物體的前提下。如圖所示:

假設在力F的作用下,物體沿斜面勻速運動,則有:

W有=Gh、W總=FL=(Gsinα+Gcosα)L

所以,斜面的機械效率為:

η=W有/W總=h/(sinα+cosα)L=sinα/(sinα+cosα)

由此可見,勻速拉動物體時,斜面的機械效率取決於斜面的傾角和粗糙程度。

同樣的裝置,如果是加速拉動物體(F>Gsinα+Gcosα),則:

W有=Gh、W總=FL

斜面的機械效率為:

η=W有/W總=Gh/FL=Gsinα/F

由此可見,加速拉動物體時,斜面的機械效率只取決於斜面的傾角。

至此,問題得以解決。

上述研討的意義在於,我們在引導學生學習物理概念和規律時,一定要注重概念和規律成立的前提條件。實際上我們都知道,沒有前提,結論也就沒有意義。此外,相信老師們也會發現,注重過程遠比注重結果重要。

祝老師們愉快!

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