测量滑轮组的机械效率的实验改进

2018-01-22田晓娜韩叙虹

物理教学探讨 2017年12期

关键词：改进提高

田晓娜　韩叙虹

摘要：测量滑轮组的机械效率是初中物理的一个重要实验，对于学生理解能量的转化及比较机械性能的优劣有重要作用。实验方案改进后，通过数据分析可以得出影响机械效率的更多因素以及哪些因素对其影响较大，有助于学生对机械效率概念的理解。

关键词：滑轮组的机械效率；提高；改进

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）12-0014-3

1 原实验方案 [1]

【实验原理】：η=

【实验器材】：两个单滑轮、两个双滑轮、重物、弹簧测力计、刻度尺、细绳。

【实验步骤】：（1）如图1甲所示组装一定一动滑轮组，测量并记录适量钩码的重力G，把钩码挂在动滑轮的下方，用弹簧测力计钩住绳子的自由端竖直向上匀速拉动，记录拉力大小F、重物被提升的高度h、绳子自由端移动的距离s，如图1乙。由公式η=计算得到滑轮组的机械效率，实验数据记录在表1中。

（2）改变重物的重力重复步骤1的操作2次，并且把得到的数据记录在表1中。

（3）组装两定两动滑轮组如图1丙所示，重复步骤1、2的操作，并且把得到的数据记录在表1中。

【实验数据记录】：

【实验结论】：被提升重物的重力越大，滑轮组的机械效率越高，动滑轮的重力越大，滑轮组的机械效率越低。

2 改进后的实验方案

【实验原理】：η=

【实验器材】：重力不同的滑轮、重物、弹簧测力计、刻度尺、细绳、铁链，组装后的器材如图2所示。各组器材不完全相同，图3给出了组间器材的区别。

【实验步骤】：同原实验方案步骤1，但需要在改变提升高度的情况下做三遍。

【实验数据记录】：

每小组实验数据记录表格如表2：

全班四大组实验数据记录表格如表3：

每一小组完成实验时将数据记录在表2中，完成实验后，将本组得到的机械效率的平均值记录在表3相应的组别中，供大家来分析。

【实验结论】：被提升重物的重力越大，滑轮组的机械效率越高。動滑轮的重力越大，滑轮组的机械效率越低。绳子重力越大，机械效率越低。重物上升的高度不影响滑轮组的机械效率。

3 改进后的实验在课堂教学中的应用

3.1 情景引入

如图4，用大滑轮吊起小水杯，请学生谈感受，分别从力的角度和能量的角度分析其不合理性。

结合情景，通过投入产出的类比及生活中的成语——“事半功倍”“事倍功半”来理解有用功、总功、滑轮组机械效率等概念。类比的方法有助于学生理解抽象的概念，结合具体的情景分析问题，可以加深学生对有用功、总功、机械效率这些重点概念的认识。

3.2 测量效率

【设计实验】：教师和同学们一起经历测量性实验的实验设计过程。先从测量性实验的理论依据即实验原理出发，分析所需要测量的物理量及所需的实验器材。然后来分析测量这些物理量的过程中需要注意的点（如弹簧测力计竖直向上匀速拉动等），测量的先后次序怎样最合理。最后，带领学生一起按照先自变量后因变量、先直接测量量后间接测量量及物理量测量的先后次序设计实验记录表格。

【进行实验】：同学们动手操作，教师巡视答疑，提醒同学们操作上不规范的地方。每大组同学的实验器材不完全相同，第一大组用铁链子，不同于其他三个大组的棉线；第四大组用1 N的重物，不同于其他大组的2 N；一二大组动滑轮重力0.3 N，三四大组动滑轮重力0.15 N。这样每相邻的两组之间器材只有一点不同，具体见图2和图3。

【报告数据】：每一大组同学有五个小组，每个小组可以把自己的测量结果报上来，供全班同学分析，如表4。

3.3 分析效率

同一大组的五个数据非常接近，如表4。相邻两个大组的数据却差异比较大，如表5。

由一二大组数据可以看出机械效率不同是因为绳重不同，第一组绳子重力大，滑轮组机械效率低。由二三大组数据可以看出机械效率不同是因为动滑轮重力不同，第二组动滑轮重力大，滑轮组机械效率低。由三四大组数据可以看到重物重力不同，机械效率也不同，第三组重物重力大，滑轮组机械效率高。小组内数据对比可以看出在实验器材完全相同的情况下，物体被提升高度不同，机械效率却是基本相同的，说明物体被提升的高度并不影响机械效率。若忽略轴的摩擦和绳重，利用公式η=，二三四组机械效率分别是87%、93%、87%，大于实际测量值但与其比较接近，说明了轴的摩擦和绳子比较轻时绳重带来的额外功对机械效率的影响不大，处理实际问题时我们忽略轴的摩擦和绳重是比较合理的。棉线和滑轮之间的摩擦属于静摩擦，此处不会有热量出现，不会带来额外功，所以不影响机械效率。

3.4 得出结论

动滑轮重力越大，机械效率越低。物体重力越大，机械效率越高。

当绳子重力较小（如材质为棉线）时，可以忽略绳子重力对滑轮组机械效率的影响，轴的摩擦对滑轮组机械效率的影响也较小，处理具体问题时忽略绳重和轴的摩擦是合理的。

重物上升高度不影响机械效率。

3.5 学以致用

如何提高滑轮组的机械效率？学生已经由实验数据分析得出影响机械效率的因素，自然可以理解增加被提升物体的重力、减小动滑轮的重力、减小轴的摩擦和绳重等等都可以提高滑轮组的机械效率。

新课引入时用大滑轮提升水杯时机械效率为多少？G=10 N，G杯=2 N，不计轴的摩擦和绳重，η==16.7%。若考虑轴的摩擦和绳重，机械效率还会更低。从能量角度体会用大滑轮组提升水杯的不合理性及提高机械效率的必要性。

4 改进后的实验方案的优点[2]

（1）每个小组做3组实验，相比原方案的6组实验节约了时间，同学们有更充分的时间交流讨论，获得更多的信息，体现了高效课堂。同时，实验装置不改变做三次实验，减小了偶然因素对实验结果的影响，实验数据更具说服力。

（2）分析数据的过程中，同学们经历了从信息中分析、归纳规律的过程，并且多次使用控制变量法，锻炼了分析、概括能力和解决问题的能力。

（3）数据得到了更充分的应用，同一大组内各小组的数据对比，以及各大组间的数据对比，都体现了交流、分享的理念，培养了同学们合作学习的精神和语言表达能力等。

（4）大数据分析可以得到更多的结论。首先，是得到更多影响机械效率的因素，如动滑轮的重力、重物的重力、绳子的重力等。其次，用实验数据证明了重物上升的高度不影响滑轮组的机械效率。最后，可以说明我们分析问题时忽略绳重和轴的摩擦的合理性。