机械效率和杠杆平衡

秦泗军

科学探究是当前物理教学和中考改革的热点。每个省份的物理中考都涉及了实验探究,主要体现在实验考题上,在选择题目里面也有涉及。探究型试题旨在引导学习重心从过分强调知识的传承、积累向知识的探究过程转变,从而使学生由被动接受知识向主动获取知识转变,逐渐培养学生的科学探索能力和实事求是的科学态度以及敢于创新的精神,突出了学生的自主发展,体现了对学生的创新精神和实践能力的要求。探究型试题的主要特点:体现过程展示、方法与操作、主观开放。下面以“测滑轮组的机械效率”和 “探究杠杆的平衡条件”两类实验为例,看一看这两类实验题目的类型以及如何解答这两类实验探究题。

一、数据处理型

例1 在探究“测滑轮组的机械效率”的实验中,马刚同学用图1所示的同一滑轮组进行了三次实验,实验记录如下表:

(1)将实验序号2、3所对应的机械效率填入相应表格中的空白处。

(2)根据以上实验可得到的结论是:在滑轮组的串绕绳子的方式不变时,机械效率与_____________________有关,与_____________________无关。

解析 根据机械效率的计算公式,可以计算出第二次和第三次实验的机械效率分别是90.1%、83.3%。根据表格中的数据分析可以看出,第1次和第3次实验的机械效率相同,说明在提高的重物相同情况下,机械效率与速度没有关系;第1次和第2次实验中钩码重量不同,机械效率不同,说明机械效率与被提高重物的重量有关。

答案:(1)90.1%;83.3%。(2)物重;速度。

例2 在探究“杠杆的平衡条件”的实验中,某同学记录了三次实验数据如下表:

(1)这三次实验数据中有一次是错误的,错误数据的实验序号是____________,由正确实验结果可得杠杆的平衡条件是_____________________________________。

(2)如图2所示,当在A处挂了三个钩码时,要使杠杆平衡,应在C处挂_____个钩码。(每个钩码的质量相等)

解析 本题考查的是杠杆的平衡条件。由于第2次实验数据不满足杠杆的平衡条件,所以这组实验数据是错误的。根据第1次和第3次实验数据可得到杠杆的平衡条件是:动力×动力臂=阻力×阻力臂。在本题的第(2)问中,根据杠杆平衡条件可得应挂4个钩码。

答案:(1)2;动力×动力臂=阻力×阻力臂。(2)4。

点评 以上两个实验题的共同特点是要对实验数据进行进一步的分析和处理,进行相关运算和数据的分析归纳出实验的结论。这就要求同学们有亲自动手做实验的经历及会对实验的数据进行分析处理,有较强的实验分析和处理数据能力是解答此类试题的关键。

二、设计及完善实验步骤型

例1 (2008•北京)实验台上有如下实验器材:一个带支架的杠杆、一个量程为0~5 N的弹簧测力计、六个质量均为100 g的钩码和两段细绳。请利用上述实验器材设计一个实验,证明“在杠杆平衡时,如果动力臂和阻力臂保持不变,则动力跟阻力成正比”。

(1)在你所设计的实验中,如果用点A表示钩码作用在杠杆上的位置,用点B表示弹簧测力计作用在杠杆上的位置,请在图3中的杠杆上标出A点和B点。

(2)请写出主要实验步骤。

解析 动力作用点和阻力作用点的位置可以随便选择,最好不要选择一点(即重合),再在A点依次向上挂钩码,并读出对应的B点的弹簧测力计的示数,最后对数据进行分析。

答案:(1)见图4。

(2)①用细绳做成两个绳套,分别拴牢在杠杆的A点和B点处,调节杠杆使其在水平位置平衡。将弹簧测力计固定在B点并调节指针到零刻线位置。

②在A点处依次挂1个、2个、3个、4个、5个、6个钩码,在B点处依次竖直向上拉弹簧测力计,分别使杠杆在水平位置平衡。将每次实验操作中挂在杠杆上的钩码的总质量和相应的弹簧测力计示数记录在表格中。

点评 本题解答具有开放性,特别是第(1)问,A、B两点的位置并不是唯一的。其实,这是探究杠杆平衡条件实验的一个拓展实验,要求同学们对探究杠杆平衡条件的实验理解得更深刻,只有这样才能更灵活地应用杠杆平衡条件来完成这个拓展实验。

例2 (2008•兰州)如图5是测定滑轮组机械效率时所用的滑轮,若使绳端的拉力沿向上的方向,并且最省力。

(1)请在图5中画出该滑轮组的绳子绕法。

(2)完善下列实验步骤:

A. 按组装图把实验器材装配好;

B. 用弹簧秤测量出重物的重力;

C. 在动滑轮下面挂上重物,并分别记下重物和弹簧秤的位置;

D. ________________拉弹簧秤,使重物上升一段距离,读出___________________;

E. 用刻度尺分别量出___________和__________移动的距离;

F. 由测得的数据,求出滑轮组的机械效率。

(3)在这个实验中,若物重4 N,重物上升了0.1 m,弹簧秤示数为2 N,请计算该滑轮组的机械效率η=_______。

(4)你能分析一下效率不是100%的原因吗?请你试着写出两条:____________________________________、

____________________________________________。

解析 根据题设的条件“使绳端的拉力沿向上的方向并且最省力”,很容易画出绳子的绕法。在第(2)题中,步骤基本给出,考查的是在实验的过程中应该注意的一些问题,比设计实验步骤简单。D步骤中,在拉动弹簧测力计时一定要竖直匀速拉动,最后读出弹簧测力计的示数;E步骤中是用刻度尺测量出物体上升的高度和绳子自由端移动的距离,机械效率的计算利用η==即可得出。

答案:(1)如图6所示。(2)竖直匀速;弹簧秤读数;重物上升的距离;绳的自由端。(3)η=66.7%。(4)没有考虑动滑轮及绳子所受重力;没有考虑绳子与滑轮间的摩擦。

点评 这道实验题主要是考查实验过程中应该注意的问题、机械效率的计算和影响机械效率的因素。这就要求学生在实验过程中对实验的步骤及应该注意的问题都要掌握,否则就容易出错。

三、综合型

例 (2008•大连)在探究“杠杆的平衡条件”实验中,所用的实验器材有杠杆、支架、刻度尺、细线、质量相同的钩码若干。

(1)将杠杆装在支架上,发现杠杆右端下沉,如果将杠杆右侧的平衡螺母向左调到头了,杠杆右端仍下沉,此时应将杠杆左侧的平衡螺母向_________调,直到杠杆在水平位置平衡为止。

(2)某同学进行正确的实验操作后,得到的数据为F1=6 N、l1=20 cm、F2=4 N和l2=30 cm。该同学根据这些数据能否得出探究结论?____________________________。理由是:____________________________________________

_________________________________________________

_________________________________________________

_________________________________________________

(3)使杠杆在倾斜一定角度的位置做实验,也能得出杠杆平衡条件。这种实验方案与杠杆在水平位置做实验的方案相比较,你认为哪种实验方案好并说明理由:_________________________________________________

_________________________________________________

_________________________________________________

________________________________________________。

(4)如图7所示,杠杆在水平位置平衡。如果在两侧钩码下再各挂一个相同的钩码,则杠杆_____________端将下沉。

解析 调节杠杆平衡和调节天平的方法是一样的,当右端下沉时,杠杆左右两端的平衡螺母都应该向左调节;如果杠杆左端下沉,则杠杆左右两端的平衡螺母都应该向右调节。我们在做实验时,一般不能只分析一组数据就得出结论,这样有很大的片面性,实验数据也不可靠。在做探究“杠杆平衡条件”的实验时,一般要让杠杆在水平位置平衡,因为这时杠杆标尺上的长度能直接读出,这样最容易确定动力臂和阻力臂的长度,否则,力臂的长度不易确定。根据杠杆平衡条件可知,力臂与力的乘积大的一段会下沉。

答案:(1)左。(2)不能得出探究结论;一次实验得出的数据具有偶然性,不能归纳出规律。(3)杠杆在水平位置的实验方案好,这样便于测力臂。(4)右。

点评 这类实验题在中考中出现较多,它考查范围广,能够考查学生的综合实验能力,对学生的能力要求较高。

实验题在中考中是必考的题型,现在也恰是这类题的一个发展阶段,考查方式和手段多样化,涉及内容广。可以说,这类题是同学们失分较多的一类。这就要求各位同学在平时的学习中要积极的设计实验、参与实验、分析实验、总结实验,要总结实验过程中的“得与失”,不断地进行积累,提高自己掌控实验的能力。也只有这样,同学们才能以不变应万变,在考试中取得高分。