影响机械效率因素的分析

王福星

由机械效率η=W有/W总分析，影响机械效率的因素就是W有和W总，而W总=W有+W额即W有和W额在W总中的比值。但是具体到不同的简单机械中，影响机械效率的因素又是各不相同的。

1.影响斜面机械效率的因素

影响斜面机械效率的因素有：斜面的倾斜程度和斜面的粗糙程度。倾斜程度影响的是有用功，粗糙程度影响的是额外功。斜面越光滑，机械效率越高；斜面的倾斜程度越大，机械效率越高。

图1例1.如图1所示是探究斜面的机械效率跟什么因素有关的实验装置。

（1）实验器材有木块、铁块、垫块、各处粗糙程度相同的长木板、弹簧测力计各一个，砝码若干，为了完成实验，还需要的测量工具是。

（2）实验时某同学在木块或铁块上放置不同的砝码，改变物块的重力，用弹簧测力计拉着物块沿斜面做匀速直线运动。实验的部分数据如下表：

实验

次数接触面粗糙

程度物块

重

G/N物块上

升的高

度h/m沿斜面

的拉力

F/N物块移

动的距

离l/m机械

效率1较粗糙

（木块-木板）2.00.251.20.8052%2同上2.00.351.40.8063%3同上5.00.353.50.8063%4较光滑

（铁块-木板）5.00.353.10.80①该同学运用控制变量法探究的是斜面的机械效率与、、的关系。

②在第四次实验中，斜面的机械效率为。

解析：（1）分析表中需要测量的物理量，从而知道需要的测量工具。由表中数据可见需要测量的物理量有四个：物块的重力、沿斜面的拉力、物块上升的高度、物块移动的距离，其中前两个由弹簧测力计完成，后两个由刻度尺来完成，因此还需要补充的器材是刻度尺。

（2）①分析实验1、2，接触面的粗糙程度、物块重力相同，斜面的倾斜程度不同，机械效率不同，研究的是斜面的机械效率与斜面倾斜程度的关系（有关）；

分析实验2、3，斜面的倾斜程度、接触面的粗糙程度相同，物块重力不同，机械效率相同，研究的是斜面的机械效率与物块重力的关系（无关）；

分析实验3、4，斜面的倾斜程度、物块重力相同，接触面的粗糙程度不同，机械效率不同，研究的是斜面的机械效率与接触面粗糙程度的关系（有关）。

由此可见探究的是斜面的机械效率与接触面粗糙程度、物块重力、斜面倾斜程度的关系。

②斜面的有用功等于物块的重力和物块上升高度的乘积，即W有=Gh；总功等于沿斜面的拉力和物块移动距离的乘积，即W总=Fl。

斜面机械效率η=W有/W总=Gh/Fl=(5N×0.35m)/(3.1N×0.8m)≈71%。

所以，根据以上实验数据分析，斜面的机械效率与接触面的粗糙程度和斜面的倾斜程度有关，与物体的重力无关。接触面越光滑，机械效率越高；斜面的倾斜程度越大，机械效率越高。

2.影响滑轮组机械效率的因素

在不考虑绳的重力，绳与轮、轮与轴之间的摩擦时，影响滑轮组机械效率的因素有：滑轮自身的重力和物体的重力。物体的重力影响的是有用功，动滑轮自身的重力影响的是额外功。物体的重力越大，滑轮组的机械效率越高；动滑轮自身的重力越大，机械效率越低。

例2.在“探究影响滑轮组机械效率的因素”实验中，小明用图2所示的滑轮做了多次实验，实验中每个钩码重2N，测得的数据如下表：

物理量

实验次数钩码

总重

G/N钩码上升

的高度

h/m测力计

示数

F/N测力计移

动距离

s/m机械

效率

η140.11.80.3260.12.40.383%340.11.40.557%440.21.41.057%图2（1）第1次实验测得的机械效率为。（结果保留两位有效数字）

（2）分析表中数据可知：第2次实验是用图做的；第4次实验是用图做的。（填“甲”、“乙”或“丙”)

（3）分析第1、2次实验数据可知：使用同一滑轮组，可以提高滑轮组的机械效率；分析第1、3次实验数据可知：使用不同的滑轮组，提升相同的重物，动滑轮个数越多（即动滑轮总重越重），滑轮组的机械效率。

（4）分析第3、4次实验数据可知，滑轮组的机械效率与物体被提升的高度。

解析：（1）第一次实验测得的机械效率η=W有/W总=Gh/Fs=(4N×0.1m)/(1.8N×0.3m)≈74%。

（2）同一装置的滑轮组，物体越重，机械效率越高；拉同一重物，动滑轮越重（动滑轮个数越多），机械效率越低。所以第二次实验机械效率最高，应该是用乙图做的；第四次实验机械效率最低，应该是用丙图做的。

（3）分析第1、2次实验数据可知：使用同一滑轮组，增大所拉物体的重力可以提高滑轮组的机械效率；分析第1、3次实验数据可知：使用不同的滑轮组，提升相同的重物，动滑轮个数越多（即动滑轮总重越重），滑轮组的机械效率越低。

（4）分析第3、4次实验数据可知，滑轮组的机械效率与物体被提升的高度无关。

根据以上实验可知，滑轮组的机械效率与滑轮组中动滑轮的重力和物体的重力有关。在被提升的重物一定时，滑轮组中动滑轮的重力越大（动滑轮个数越多）时，机械效率越低；使用同一滑轮组所拉物体的重力越大时，机械效率越高。

3.影响杠杆机械效率的因素

在不考虑摩擦时，影响杠杆机械效率的因素有：杠杆自身的重力和物体的重力，物体的重力影响的是有用功，杠杆自身的重力影响的是额外功。

图3例3.某实验小组利用图3所示装置研究杠杆的机械效率，实验的主要步骤如下：

①用轻绳悬挂杠杆一端的O点作为支点，在A点用轻绳悬挂总重为G的钩码，在B点用弹簧测力计拉住杠杆，使杠杆保持水平；

②竖直向上拉动弹簧测力计缓慢匀速上升（保持O点位置不变），在此过程中弹簧测力计的读数为F，利用刻度尺分别测出A、B两点上升的高度为h1、h2。

回答下列问题：

（1）杠杆机械效率的表达式为η=。（用已知或测量的物理量符号表示）

（2）本次实验中，若提升的钩码重一定，则影响杠杆机械效率的主要因素是。

（3）若只将钩码的悬挂点由A移至C，O、B位置不变，仍将钩码提升相同的高度，则杠杆的机械效率将(填“变高”、“变低”或“不变”)。

解析：（1）杠杆机械效率的表达式为η=W有/W总=Gh/Fs=Gh1/Fh2。

（2）若提升的钩码重一定，则影响杠杆机械效率的主要因素是杠杆的自重。因为使用杠杆时需要克服杠杆自重、摩擦力等做功，这是使用杠杆的额外功。

（3）若只将钩码的悬挂点由A移至C，O、B位置不变，仍将钩码提升相同的高度，克服杠杆自重做的额外功不变，而在拉力提升同样高度时，重物提升的高度增加，做的有用功增大，所以机械效率变高。

综上所述，无论是斜面、滑轮组还是杠杆，它们的机械效率并不是固定不变的，都与机械本身的装置、所拉物体的重力有关。

机械装置本身不随物体一起运动的斜面的机械效率，与物体的重力无关；与斜面的粗糙程度和倾斜程度有关，斜面越光滑，额外功就越小，机械效率越高；斜面的倾斜程度越大，有用功就越大，机械效率越高。

机械装置本身随物体一起运动的滑轮组、杠杆的机械效率，与机械本身的重力和物体的重力有关，在所拉物体一定的前提下，机械自身重力越小，额外功就越小，机械效率越高；物体重力越大，有用功就越大，机械效率越高。