摘要:对于现行初中物理课程(沪科版)中,有一个“测滑轮组机械效率”的实验,其中有一种情况就是一个动滑轮和一个定滑轮组成的滑轮组(如正文图1所示)。其实验原理是比较简单的,但很多师生在实验操作过程中存在不同程度的困难:身高不够、不便记数等,导致最后的实验结果存在许多人为因素,不能客观反映这种滑轮组的机械效率。笔者经过多年的教学经验得出:只要在这种滑轮组的上面再加一个定滑轮(如正文图2所示),上面的问题就可以迎刃而解,而且这种做法还可以提高该种滑轮组的机械效率。
关键词:滑轮组;机械效率;实验;人为因素
对于测滑轮组的机械效率,老师和学生感觉最困难的是在(图1)所示的情况下,测量重物上升的高度h和绳子自由端移动的距离s,并且通过测量的数据得不到s=nh这个关系式(其中n表示承担动滑轮的绳子的股数)。因此,大部分同学第一次做该实验都以失败而告终。究其原因,就是教材上的实验方法不便于操作,原因是整个装置是挂在铁架台上的,晃动性比较大,测量重物上升的高度h和绳子自由端的距离s难于操作,导致测出的数据偏差大;还有向上拉绳子的距离不可能有多高,达不到匀速运动。特别是对于多个动滑轮和定滑轮组成的滑轮组,情况就显得比较明显(因为学生的身高有限,并且铁架台又是放在实验桌上)。
笔者经过多年的教学总结,认为将这个实验作如下改进,:那就是在原来的滑轮组上再多加一个定滑轮,把绳子向上拉改成向下拉,如(图2)所示。
这样,绳子自由端的移动受高度的限制较小,而且移动的距离可以变得更远些,也方便控制匀速拉动。在铁架台上固定的地方记下绳子的自由端和重物对应的位置点,作为运动的起点。然后拉绳子的自由端使重物匀速上升到某个位置,记下相应的位置点,作为运动的终点。然后用刻度尺便可以测出相应的长度h和s,然后根据滑轮组机械效率公式η == (W有=Gh,W总=Fs),即可算出滑轮组的机械效率。
有些老师和学生可能会认为:由s=nh这个关系式推出,滑轮组机械效率公式可表示为 η == = ,不需要测量s和h,只要测出物重G和绳子自由端的拉力F不就可以了吗?的确是这样,但是由η = 可知,对于同一个滑轮组和重物而言,其机械效率的高低直接决定于绳子的自由端拉力F的大小,而拉力F的大小又跟拉力的方向有关(如图3所示)。由杠杆的平衡条件,不难分析得出:只有在F1的方向(即竖直向上),拉力F最小,因此这时的机械效率最高。而利用上面的改进方法(图2),就可以避免F2 、F3的情况出现,从而提高了滑轮组机的械效率。
总之,通过在原来滑轮组的基础上多加一个动滑轮,不但可以克服测量过程中操作难的问题,而且还可以克服“测滑轮组机械效率”中的人为因素对滑轮组机械效率的影响,也可以提高滑轮组的机械效率。
参考文献:
[1]任恒凤.滑轮组机械效率实验的设计及解读[J].安庆师范学院学报(自然科学版),2013,19(02):133-136.
[2]沈新家.“测滑轮组机械效率”实验的改进[J].湖北中小学实验室,1997(05):13.
[3]傅希望.测滑轮组机械效率实验的简化[J].实验教学与仪器,1995(Z1):10.
[4]韩惠安.“测滑轮组的机械效率实验的一点改进[J].物理教师,1986(01):22-23.