Question

15．做物理实验要遵循实事求是的原则．如图所示，小明同学在“研究定滑轮和动滑轮特点”的实验中，完成了如下所示的实验，并记录了数据（如表）．

次数	钩码重G/N	使用定滑轮测力计的示数F1/N	使用动滑轮测力计的示数F1/N
1	1.00	0.60	0.65
2	1.50	1.10	0.90
3	2.00	1.60	1.15

通过分析数据，她觉得与书本中的结论偏差较大．你一定也做过这样的实验，回想你的实验经历，回答下列问题：
（1）该实验中造成使用定滑轮时F₁≠G的主要原因是：弹簧测力计外壳有重力．
（2）该实验中造成使用动滑轮时F₂≠$\frac{G}{2}$的主要原因是：动滑轮有重力．
（3）几天后，小明同学又做了“测滑轮组机械效率”的实验，在此实验中他用同一滑轮组进行两次实验，实验数据如表：

次数	钩码重/N	钩码上升高度/cm	弹簧测力计示数/N	弹簧测力计移动距离/cm
1	2	10	0.8	40
2	5	5	1.5	20

①此实验他所用滑轮的个数至少是3个．
②第一次实验测得滑轮组的机械效率为62.5%，第二次实验时滑轮组的机械效率大于第一次的机械效率（选填“大于”、“小于”或“等于”）

Answer 1

分析 （1）滑轮组中如果忽略滑轮自重和摩擦力的大小，使用定滑轮不省力，但能改变力的方向；使用动滑轮能省一半的力，如果考虑动滑轮自重，则F=$\frac{1}{2}$（G_动+G_物）．根据对测力计进行受力分析可以找到问题所在．
（2）使用定滑轮时，改进弹簧测力计的使用法；使用动滑轮时，要考虑到动滑轮的重力．
（3）使用滑轮组时，在忽略滑轮自重和摩擦力的条件下，动滑轮和重物由几股绳子承担，拉力为重物的几分之一，而考虑滑轮自重和摩擦力时，拉力就不再是重物的几分之一，但拉力作用点移动的距离仍为重物升高高度的几倍，据此分析判断即可，机械效率利用η=$\frac{{W}_{有}}{{W}_{总}}$计算．

解答 解：（1）对定滑轮图中的测力计进行受力分析：受到向上绳子的拉力（大小等于钩码重），向下受到测力计外壳的重力和手向下的拉力．图中手拉测力计挂钩，因此测力计测量的是手向下的拉力而不是绳子自由端的拉力．所以在匀速拉动时，根据二力平衡条件可知实验会造成 F₁的测量会小于物重，所以使用定滑轮时F₁≠G的主要原因是：没有考虑弹簧测力计外壳受到的重力．
（2）动滑轮的使用：“使用动滑轮能省一半力”是在不考虑动滑轮和摩擦的理想情况下才成立的，在实际实验中，动滑轮的物重和摩擦是客观存在的．由表中数据可知，随着物重的增加，测力计的示数变大，但比物重的一半要大，这与“使用动滑轮能省一半的力”的结论偏差较大．其主要原因是没有考虑动滑轮受到的重力．
（3）使用滑轮组时，动滑轮和重物由几股绳子承担，拉力作用点移动的距离为重物升高高度的几倍，所以由n=$\frac{s}{h}$=$\frac{40cm}{10cm}$=4可知，动滑轮和重物由4股绳子承担，即动滑轮必须有两个，定滑轮至少有一个，所以滑轮共至少需要3个．
第一次实验滑轮组的机械效率：η₁=$\frac{{W}_{1有用}}{{W}_{1总}}$×100%=$\frac{{G}_{1}{h}_{1}}{{F}_{1}{s}_{1}}$×100%=$\frac{2N×10cm}{0.8N×40cm}$×100%=62.5%，
第二次实验滑轮组的机械效率为用η₂=$\frac{{W}_{2有用}}{{W}_{2总}}$×100%=$\frac{{G}_{2}{h}_{2}}{{F}_{2}{s}_{2}}$×100%=$\frac{5N×5cm}{1.5N×20cm}$×100%=83.3%，
所以第二次实验时滑轮组的机械效率大于第一次的机械效率，
故答案为：（1）弹簧测力计外壳有重力；
（2）动滑轮有重力；
（3）3；62.5%；大于．

点评 本题考查了学生对实验测量数据的分析能力，属实验评估类题目范畴．有许多物理中的结论是建立在理想模型条件下得出的，在实际的应用中会出现与结论不一致的情况，是受到了客观条件的影响，而不能说结论有错误．