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10. 新素养 科学探究 在日常生活和工农业生产中,提高机械效率有着重要的意义.提高机械效率,要从研究影响机械效率的因素出发,寻求办法.
为了探究影响机械效率的因素,小明选取了大小相同的滑轮,利用图甲和图乙装置进行实验,并把数据整理记录在下表中.
(1)比较1和2两次实验发现:在所用滑轮组相同时,提升的钩码
(2)比较3和4两次实验发现:滑轮组的机械效率还与
(3)比较
(4)第5次实验是利用了图
(5)利用图甲的装置,把重6 N的物体用2.5 N的拉力匀速拉起,滑轮组的机械效率为
(6)小明利用图丙装置实验发现:斜面的机械效率与斜面的倾斜程度和摩擦有关,与物重无关.保持斜面倾斜程度不变,可以采用
(7)实验表明:额外功越小,总功越接近有用功.进一步推理得出:假设没有额外功,总功等于有用功.可见使用任何机械都
为了探究影响机械效率的因素,小明选取了大小相同的滑轮,利用图甲和图乙装置进行实验,并把数据整理记录在下表中.
(1)比较1和2两次实验发现:在所用滑轮组相同时,提升的钩码
越重
,机械效率越高.(2)比较3和4两次实验发现:滑轮组的机械效率还与
滑轮的材质
有关.(3)比较
2、3
两次实验发现:在所用滑轮组相同时,机械效率与提升钩码的高度无关.(4)第5次实验是利用了图
乙
的装置完成的.(5)利用图甲的装置,把重6 N的物体用2.5 N的拉力匀速拉起,滑轮组的机械效率为
$80\%$
.如果没有刻度尺,只有测力计,也可以测量出滑轮组的机械效率,测得的机械效率会不变
(选填“不变”“偏大”或“偏小”).(6)小明利用图丙装置实验发现:斜面的机械效率与斜面的倾斜程度和摩擦有关,与物重无关.保持斜面倾斜程度不变,可以采用
减小接触面粗糙程度
的方法提高斜面的机械效率.(7)实验表明:额外功越小,总功越接近有用功.进一步推理得出:假设没有额外功,总功等于有用功.可见使用任何机械都
不省功
.答案
10. (1) 越重 (2) 滑轮的材质 (3) 2、3 (4) 乙 (5) 80% 不变 (6) 减小接触面粗糙程度 (7) 不省功
解析
【分析】
这是一道探究影响机械效率因素的综合实验题，核心解题方法是控制变量法，解题时需要逐问明确对照实验中控制的不变量、改变的变量，结合实验数据的差异推导规律；同时结合机械效率的公式变形完成计算，最后关联功的原理的相关结论。具体思考路径：1. 对比两组实验的相同条件和不同条件，对应得出变量对机械效率的影响；2. 通过绳端移动距离和物体提升高度的关系判断装置类型；3. 利用滑轮组机械效率的推导公式完成计算，分析无刻度尺时的测量结果变化；4. 结合斜面额外功的来源得出提高斜面效率的方法，最后推理得到功的原理的结论。
【解析】
(1) 对比1、2两次实验，滑轮组完全相同，动滑轮自重、绕线方式均一致，仅提升钩码的重力不同，钩码越重，机械效率越高，因此可得结论：所用滑轮组相同时，提升的钩码越重，机械效率越高。
(2) 对比3、4两次实验，提升钩码重力、提升高度均相同，仅滑轮的材质不同，动滑轮自重不同，最终机械效率不同，说明滑轮组的机械效率还与滑轮的材质有关。
(3) 要验证滑轮组相同时机械效率与提升钩码的高度无关，需要控制滑轮组、钩码重力完全相同，仅改变提升高度，符合该条件的是2、3两次实验，两次实验机械效率几乎相等。
(4) 第5次实验中绳端移动距离等于钩码提升高度，说明该装置为定滑轮，没有随物体移动的动滑轮，对应图乙的装置。
(5) 图甲滑轮组的承担物重的绳子段数n=3，机械效率推导计算：
$\eta=\frac{W_{有}}{W_{总}}×100\%=\frac{Gh}{Fs}×100\%=\frac{Gh}{F· nh}×100\%=\frac{G}{nF}×100\%=\frac{6N}{3×2.5N}×100\%=80\%$；
由推导式可知物体提升高度h可以被约去，不需要测量h的大小，仅用测力计测量物重和拉力即可算出机械效率，因此测得的机械效率不变。
(6) 保持斜面倾斜程度不变时，额外功主要来自克服摩擦力做功，采用减小接触面粗糙程度的方法可以减小摩擦力，减少额外功，从而提高斜面的机械效率。
(7) 假设没有额外功时总功等于有用功，说明使用任何机械都不省功，这是功的原理的核心内容。
【答案】
(1) 越重 (2) 滑轮的材质 (3) 2、3 (4) 乙 (5) 80% 不变 (6) 减小接触面粗糙程度 (7) 不省功
【知识点】
机械效率影响因素；滑轮组效率计算；功的原理
【点评】
本题是机械效率板块的经典探究实验题，综合考察了控制变量法在实验探究中的应用、机械效率的变形推导计算、斜面效率优化、功的原理等多个考点，易错点是忽略机械效率推导式中h可约去的特点，误以为无刻度尺会影响测量结果，整体能很好地检验学生对机械效率相关规律的理解程度。
【难度系数】
0.6
这是一道探究影响机械效率因素的综合实验题，核心解题方法是控制变量法，解题时需要逐问明确对照实验中控制的不变量、改变的变量，结合实验数据的差异推导规律；同时结合机械效率的公式变形完成计算，最后关联功的原理的相关结论。具体思考路径：1. 对比两组实验的相同条件和不同条件，对应得出变量对机械效率的影响；2. 通过绳端移动距离和物体提升高度的关系判断装置类型；3. 利用滑轮组机械效率的推导公式完成计算，分析无刻度尺时的测量结果变化；4. 结合斜面额外功的来源得出提高斜面效率的方法，最后推理得到功的原理的结论。
【解析】
(1) 对比1、2两次实验，滑轮组完全相同，动滑轮自重、绕线方式均一致，仅提升钩码的重力不同，钩码越重，机械效率越高，因此可得结论：所用滑轮组相同时，提升的钩码越重，机械效率越高。
(2) 对比3、4两次实验，提升钩码重力、提升高度均相同，仅滑轮的材质不同，动滑轮自重不同，最终机械效率不同，说明滑轮组的机械效率还与滑轮的材质有关。
(3) 要验证滑轮组相同时机械效率与提升钩码的高度无关，需要控制滑轮组、钩码重力完全相同，仅改变提升高度，符合该条件的是2、3两次实验，两次实验机械效率几乎相等。
(4) 第5次实验中绳端移动距离等于钩码提升高度，说明该装置为定滑轮，没有随物体移动的动滑轮，对应图乙的装置。
(5) 图甲滑轮组的承担物重的绳子段数n=3，机械效率推导计算：
$\eta=\frac{W_{有}}{W_{总}}×100\%=\frac{Gh}{Fs}×100\%=\frac{Gh}{F· nh}×100\%=\frac{G}{nF}×100\%=\frac{6N}{3×2.5N}×100\%=80\%$；
由推导式可知物体提升高度h可以被约去，不需要测量h的大小，仅用测力计测量物重和拉力即可算出机械效率，因此测得的机械效率不变。
(6) 保持斜面倾斜程度不变时，额外功主要来自克服摩擦力做功，采用减小接触面粗糙程度的方法可以减小摩擦力，减少额外功，从而提高斜面的机械效率。
(7) 假设没有额外功时总功等于有用功，说明使用任何机械都不省功，这是功的原理的核心内容。
【答案】
(1) 越重 (2) 滑轮的材质 (3) 2、3 (4) 乙 (5) 80% 不变 (6) 减小接触面粗糙程度 (7) 不省功
【知识点】
机械效率影响因素；滑轮组效率计算；功的原理
【点评】
本题是机械效率板块的经典探究实验题，综合考察了控制变量法在实验探究中的应用、机械效率的变形推导计算、斜面效率优化、功的原理等多个考点，易错点是忽略机械效率推导式中h可约去的特点，误以为无刻度尺会影响测量结果，整体能很好地检验学生对机械效率相关规律的理解程度。
【难度系数】
0.6
11. 如图所示,利用斜面将货物推进车厢,通常要比把货物直接从地面搬进车厢省力多了.某工人用沿斜面向上的推力将重800 N的货物从地面匀速推上车厢,已知斜面长3 m、高1.2 m,在这个过程中,工人所做的额外功为240 J.
(1) 工人如果直接把货物徒手搬上车厢,则至少要对货物做多少功?
(2) 斜面的机械效率是多大?
(3) 工人对货物沿斜面向上的推力是多大?
(1) 工人如果直接把货物徒手搬上车厢,则至少要对货物做多少功?
(2) 斜面的机械效率是多大?
(3) 工人对货物沿斜面向上的推力是多大?
答案
11. (1) 960 J (2) 80% (3) 400 N
解析:(1) 工人克服货物重力做的有用功 $W_{有用}=Gh=800\ \mathrm{N}×1.2\ \mathrm{m}=960\ \mathrm{J}$.(2) 工人推力做的总功 $W_总=W_{有用}+W_{额外}=960\ \mathrm{J}+240\ \mathrm{J}=1\ 200\ \mathrm{J}$,斜面的机械效率 $\eta=\frac{W_{有用}}{W_总}×100\%=\frac{960\ \mathrm{J}}{1\ 200\ \mathrm{J}}×100\%=80\%$.(3) 工人沿斜面向上的推力 $F=\frac{W_总}{s}=\frac{1\ 200\ \mathrm{J}}{3\ \mathrm{m}}=400\ \mathrm{N}$.
解析:(1) 工人克服货物重力做的有用功 $W_{有用}=Gh=800\ \mathrm{N}×1.2\ \mathrm{m}=960\ \mathrm{J}$.(2) 工人推力做的总功 $W_总=W_{有用}+W_{额外}=960\ \mathrm{J}+240\ \mathrm{J}=1\ 200\ \mathrm{J}$,斜面的机械效率 $\eta=\frac{W_{有用}}{W_总}×100\%=\frac{960\ \mathrm{J}}{1\ 200\ \mathrm{J}}×100\%=80\%$.(3) 工人沿斜面向上的推力 $F=\frac{W_总}{s}=\frac{1\ 200\ \mathrm{J}}{3\ \mathrm{m}}=400\ \mathrm{N}$.
解析
【分析】
这道题围绕斜面的功和机械效率展开，解题思路可以分三步对应三个小问：
1. 第一问直接搬货物上车厢，要让货物刚好上升到车厢高度，至少做的功等于克服货物重力做的功，直接用重力做功公式W=Gh，代入货物重力和车厢高度即可算出结果。
2. 第二问求斜面机械效率，首先明确对货物做的功就是有用功，也就是第一问算出的克服重力的功，题目已经给出额外功，总功就是有用功加额外功，再代入机械效率的定义式η=W有用/W总就能算出机械效率。
3. 第三问求沿斜面的推力，工人推力做的功就是总功，已知斜面的长度也就是推力移动的距离，根据功的公式W=Fs变形得到F=W总/s，代入总功和斜面长度就能算出推力大小。
【解析】
解：
(1) 直接把货物徒手搬上车厢，至少做的功等于克服货物重力做的功：
$W_{有用}=Gh=800\ \mathrm{N} × 1.2\ \mathrm{m}=960\ \mathrm{J}$
(2) 已知额外功$W_{额外}=240\ \mathrm{J}$，工人推力做的总功为：
$W_{总}=W_{有用}+W_{额外}=960\ \mathrm{J}+240\ \mathrm{J}=1200\ \mathrm{J}$
斜面的机械效率：
$\eta=\frac{W_{有用}}{W_{总}} × 100\% =\frac{960\ \mathrm{J}}{1200\ \mathrm{J}} × 100\% =80\%$
(3) 已知斜面长$s=3\ \mathrm{m}$，由$W=Fs$可得工人沿斜面的推力：
$F=\frac{W_{总}}{s}=\frac{1200\ \mathrm{J}}{3\ \mathrm{m}}=400\ \mathrm{N}$
【答案】
(1) 960 J (2) 80% (3) 400 N
【知识点】
功的计算，机械效率，斜面省力原理
【点评】
本题是斜面机械效率的基础常规题型，直接给出额外功简化了计算过程，重点考察学生对有用功、额外功、总功三者关系的理解，掌握机械效率的基本计算方法，同时也能直观验证斜面可以省力的特点，属于功和机械效率章节的必掌握基础题。
【难度系数】
0.8
这道题围绕斜面的功和机械效率展开，解题思路可以分三步对应三个小问：
1. 第一问直接搬货物上车厢，要让货物刚好上升到车厢高度，至少做的功等于克服货物重力做的功，直接用重力做功公式W=Gh，代入货物重力和车厢高度即可算出结果。
2. 第二问求斜面机械效率，首先明确对货物做的功就是有用功，也就是第一问算出的克服重力的功，题目已经给出额外功，总功就是有用功加额外功，再代入机械效率的定义式η=W有用/W总就能算出机械效率。
3. 第三问求沿斜面的推力，工人推力做的功就是总功，已知斜面的长度也就是推力移动的距离，根据功的公式W=Fs变形得到F=W总/s，代入总功和斜面长度就能算出推力大小。
【解析】
解：
(1) 直接把货物徒手搬上车厢，至少做的功等于克服货物重力做的功：
$W_{有用}=Gh=800\ \mathrm{N} × 1.2\ \mathrm{m}=960\ \mathrm{J}$
(2) 已知额外功$W_{额外}=240\ \mathrm{J}$，工人推力做的总功为：
$W_{总}=W_{有用}+W_{额外}=960\ \mathrm{J}+240\ \mathrm{J}=1200\ \mathrm{J}$
斜面的机械效率：
$\eta=\frac{W_{有用}}{W_{总}} × 100\% =\frac{960\ \mathrm{J}}{1200\ \mathrm{J}} × 100\% =80\%$
(3) 已知斜面长$s=3\ \mathrm{m}$，由$W=Fs$可得工人沿斜面的推力：
$F=\frac{W_{总}}{s}=\frac{1200\ \mathrm{J}}{3\ \mathrm{m}}=400\ \mathrm{N}$
【答案】
(1) 960 J (2) 80% (3) 400 N
【知识点】
功的计算，机械效率，斜面省力原理
【点评】
本题是斜面机械效率的基础常规题型，直接给出额外功简化了计算过程，重点考察学生对有用功、额外功、总功三者关系的理解，掌握机械效率的基本计算方法，同时也能直观验证斜面可以省力的特点，属于功和机械效率章节的必掌握基础题。
【难度系数】
0.8
