Question

小红学过“机械效率”后，有一个疑问：“机械效率越高是否越省力？”针对个问题小红用一个弹簧测力计，利用家中“案板”和盛入一定水的小茶杯做了以下实验：
A，把杯子放在塑料袋中，在杯子中加入适量的水，用弹簧测力计测得杯子和水的重力G．
B，用“案板”作斜面，如上图所示，把一只水杯通过细绳与弹簧测力计连接，拉动弹簧测力计，把盛水的杯子匀速拉上斜面．
C，分别测出拉力F，杯子移动的距离s和升高的高度h．
D，改变斜面的高度，做4次实验，记录实验数据如下：

（1）计算并将数据填入表中4个空格．
（2）小红的疑问是否得出解决？分析实验数据，能得出什么结论？
（3）完成上面实验后，小红又产生一个猜想：“如果减小斜面的摩擦，可以提高斜面的机械效率．”请你先用所学知识，说明小红的猜想是否正确（简述理由）．
（4）请你设计一个实验，进一步证明你对小红猜想的判断．（简要说明在前面实验的基础上要做哪些新的实验操作）．

Answer 1

分析：（1）克服重力做的功为有用功，拉力做的功为总功，机械效率等于有用功与总功的比值；
（2）分析表中第5、8两行，可以解决小红的疑问；并且发现机械效率越高，拉力越大；
（3）克服摩擦力做的功为额外功，总功等于有用功与额外功的和，在有用功一定的情况下，减小额外功，可以提高机械效率；
（4）小红的猜想是“探究摩擦力对斜面机械效率的影响”，需要在控制斜面倾斜程度、物重、斜面高度、斜面长度相同的基础上，改变斜面的粗糙程度，从而改变摩擦力的大小，记录弹簧测力的示数，计算出机械效率，比较机械效率随摩擦力的变化情况．

解答：解：（1）W_有=Gh=5N×0.1m=0.5J
W_总=Fs=1.6N×0.5m=0.8J
η₁=

0.5J

0.8J

=62.5%
η₂=

1J

1.35J

=74.1%
（2）分析表中的拉力与机械效率，小红的疑问得到了解决；得到的结论是：斜面的机械效率越高，越不省力；
（3）影响机械效率高低的主要有原因是额外功，使用斜面时，克服摩擦力做的功为额外功，在有用功一定的情况下，减小额外功，可以提高机械效率；
（4）采用控制变量法：控制斜面倾斜程度、物重、斜面高度、斜面长度相同，换用毛巾、棉布、玻璃等不同的接触面材料改变斜面粗糙程度，从而改变摩擦力，计算出机械效率进行比较．
故答案为：
（1）

（2）小红的疑问得到了解决；斜面的机械效率越高，越不省力；
（3）小红的猜想正确．使用斜面时，克服摩擦力做的功为额外功，在有用功一定的情况下，减小额外功（即减小了总功），可以提高机械效率；
（4）在小红设计的实验的基础上：
①保持斜面倾角不变，在斜面表面铺上不同的材料（如毛巾、棉布、玻璃等）改变摩擦力；
②将水杯沿斜面匀速提升一定高度或沿斜面匀速移动一定距离，记录弹簧测力计的示数；
③计算出机械效率并进行比较．

点评：本题考查影响斜面机械效率的因素，采用了控制变量法，并且还要设计实验，难度大，综合性强．