师:今天我们一起复习的内容是机械效率。什么是机械效率呢?我们来做个知识回顾。机械效率是有用功跟总功的比值,公式为η = W有 / W总 ,它表达的是我们在使用机械过程中,所做总功里有用功所占的百分比。这里,什么是有用功,什么是总功,这两个概念是我们要重点理解的,也是避免出错的关键。
好,接下来我们从“什么是功”开始进入今天的复习。请大家看第一题。为了更直观地反映物理量之间的关系,我们用作图方法把已知量标在图中。首先,物体受到水平向右的推力,大小为30牛;第二,物体还受到竖直向下的重力,大小为100牛;第三个条件是物体在水平方向上移动了10米的距离。由图可知,这个过程中推力对物体有做功,判断依据是物体受到了推力作用,并在推力方向上移动了10米的距离。推力做功为W推 = F推s = 30牛×10米 = 300焦耳。此时重力方向竖直向下,而物体在竖直方向上没有移动距离,所以重力对物体没有做功。这里用到了关于做功的知识。那什么是做功呢?我们也来回顾一下,做功的两个必要因素:一、作用在物体上的力;二、物体在力的方向上移动的距离,功的表达式为W = F×s 。下面我们来进行一道关于机械效率的求解问题。
小郑分享了他的解题过程,大家听听他是怎样分析的?
生:我认为不能因为有用功是Gh,题目不知道物体的重力,所以要测量。总功是拉力乘以距离,所以还要测量图2中对绳子的拉力F2,而绳子自由端移动的距离是2s。
听了小郑的解答,小荣有不同意见,我们也来听听。
生:题目虽然不知道物体的重力,但是在图一中,绳子对物体的拉力是F1,因为物体做匀速直线运动,受力平衡,F1 = G,所以这里就不需要测量G,直接用F1表示就可以了。
师:看来两位同学的主要分歧在于是否必须测量物体的重力。小荣在这里对物体进行了受力分析。物体受到竖直向下的重力,同时受到绳子对物体向上的拉力,也就是已知条件F1。因为物体做匀速直线运动,所以受力平衡,根据二力平衡条件可知F1 = G 。知道F1的情况下,物体的重力就不需要测量了。所以小荣的答案是正确的。那在这里我们明确一下什么是有用功。
大家还记得课本上的这个图吗?无论是否使用滑轮,钩码都被提升了,这部分功是必须要做的,叫做有用功。从概念出发,对照这个题目的情景,为了完成匀速提升物体这一任务,左图F1所做的功就是使用滑轮过程中所做的有用功,因此有用功直接可以通过W有 = F有s求出,并不需要绕弯去找物体的重力。好,有用功解决了,我们再来看总功的情况,小文有他的解答过程,我们听听他的想法。
生:总功等于拉力乘以绳端移动的距离,这里n = 2,所以距离是2s,F = 1/2(G物 + G动),将两者相乘,就是这个结果。
师:因为还存在摩擦,绳子自由端的拉力不应该等于1/2(G物 + G动)。确实,小文刚才所用到的关系F拉 = 1/2(G物 + G动)仅适用于忽略绳重和摩擦的情况。而实际上滑轮中存在摩擦还有绳重,所以这个关系不能使用,实际拉力比这个值要大一些。那有的同学提出来说,老师我能不能补测一个摩擦力和绳重,计算出拉力来呢。实际上滑轮中的摩擦力比较复杂,难以测量,所以没办法通过计算得到拉力。我们还有什么办法?
生:用弹簧测力计测量匀速拉动绳子自由端的拉力F2。此时绳子自由端移动的距离是2s,总功就是W总 = F2×2s 。
师:很好,那什么是总功呢?我们也来明确一下。课本是这样描述的,有用功与额外功之和是总共做的功,叫做总功。这道题中,当我们匀速拉动绳子自由端做功的过程中,不但对物体做功,即做有用功,还会对动滑轮做功、会克服摩擦做功等,即做额外功,因此右图中拉力F2所做的功就是总功,此处绳子自由端移动的距离为物体上升距离的两倍,因此总功为W总 = F2×2s 。综合同学们的讨论,我们就可以得到这道题的正确答案。我们还要在图2中用测力计测量匀速拉动绳子自由端的拉力F2 。η的表达式最后推导出来为F1 /(2F2)。我们接着来看下一道题。
请一位同学来讲讲他的解题思路。
生:题目说完成同样的任务,就是W有不变,A排除。根据η = W有 / W总 ,η变大,所以W总减小,选B。
师:讲得很好,我们在使用公式进行分析的时候,公式中的每一个物理量都要弄清楚。还有其他正确的选项吗?
