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D
$\frac{2mgh_1}{F_1h_2}×100\%$
小于
等于
等于

9.00
校零
0.3
0.3
60%
无关
114
【分析】
首先观察两个滑轮组,确定甲装置承担物重的绳子段数$n_甲=3$,乙装置承担物重的绳子段数$n_乙=2$,题目说明滑轮完全相同,因此两个装置的动滑轮重力$G_{动}$相等,且不计绳重和摩擦。接下来先推导不计绳重摩擦时滑轮组的拉力公式$F=\frac{1}{n}(G_{物}+G_{动})$,以及机械效率的推导公式,再逐个代入每个选项给出的条件,验证结论是否成立,即可选出正确答案。
【解析】
解:由图可知,甲滑轮组承担物重的绳子段数$n_甲=3$,乙滑轮组承担物重的绳子段数$n_乙=2$,两个装置的滑轮完全相同,因此动滑轮重力$G_{动}$相等,不计绳重和摩擦:
1. 分析选项A:
不计绳重摩擦时,滑轮组的机械效率$\eta=\frac{W_{有用}}{W_{总}}=\frac{G_{物}h}{G_{物}h+G_{动}h}=\frac{G_{物}}{G_{物}+G_{动}}$,若$G_A=G_B$,代入公式可知$\eta_甲=\eta_乙$,A错误。
2. 分析选项B:
由拉力公式$F=\frac{1}{n}(G_{物}+G_{动})$,变形可得物重$G_{物}=nF-G_{动}$,因此$G_A=3F_A-G_{动}$,$G_B=2F_B-G_{动}$。若$F_A>F_B$,则$3F_A>2F_B$,可得$G_A=3F_A-G_{动}>2F_B-G_{动}=G_B$,即$G_A>G_B$,B错误。
3. 分析选项C:
将$G_{物}=nF-G_{动}$代入机械效率公式,可得$\eta=\frac{G_{物}}{nF}×100\%=\frac{nF-G_{动}}{nF}×100\%=(1-\frac{G_{动}}{nF})×100\%$。若$F_A<F_B$,代入$n_甲=3$、$n_乙=2$,无法直接确定$\eta_甲$和$\eta_乙$的大小关系,C错误。
4. 分析选项D:
若$F_A=F_B$,代入$\eta=(1-\frac{G_{动}}{nF})×100\%$,可得$\frac{G_{动}}{3F_A}<\frac{G_{动}}{2F_B}$,因此$1-\frac{G_{动}}{3F_A}>1-\frac{G_{动}}{2F_B}$,即$\eta_甲>\eta_乙$,D正确。
【答案】
D
【知识点】
滑轮组拉力计算;滑轮组机械效率
【点评】
本题重点考察不计绳重和摩擦条件下滑轮组的拉力、机械效率的推导计算,易错点是学生容易直接根据绳子段数多少判断机械效率高低,忽略动滑轮重力相同的前提,需要通过变形公式结合给定条件推导,不能凭直觉判断结论。
【难度系数】
0.4
【分析】
首先我们按照机械效率的定义,先明确杠杆的有用功是提升钩码所做的功,总功是弹簧测力计拉力做的功,代入机械效率公式即可推导出第一空的表达式。接下来分析弹簧测力计示数变化:将测力计从B点移到C点,阻力(钩码总重力)、阻力臂均不变,动力臂变大,结合杠杆平衡条件就能判断动力的大小变化。之后分析总功:A点上升高度不变,所以提升钩码的有用功不变,忽略支点摩擦时额外功仅来自克服杠杆自重做功,A点上升高度不变时杠杆重心上升的高度也不变,因此额外功不变,总功等于有用功加额外功,由此可判断总功的大小关系。最后机械效率等于有用功和总功的比值,两次有用功、总功均不变,因此机械效率相等。
【解析】
1. 推导机械效率表达式:
提升2只钩码做的有用功:$W_{有用}=Gh_1=2mgh_1$
弹簧测力计拉力做的总功:$W_{总}=F_1h_2$
因此杠杆的机械效率:$\eta=\frac{W_{有用}}{W_{总}}×100\%=\frac{2mgh_1}{F_1h_2}×100\%$
2. 判断弹簧测力计示数:
根据杠杆平衡条件,阻力为2只钩码的总重力2mg,阻力臂OA保持不变,杠杆自身重力的力和对应的力臂也不变,将弹簧测力计从B点移到C点后,动力臂变大,因此动力变小,即弹簧测力计的示数小于$F_1$。
3. 判断总功大小:
A点上升高度仍为$h_1$,因此有用功$W_{有用}=2mgh_1$不变;忽略支点摩擦,额外功仅为克服杠杆自身重力做的功,A点上升高度不变时,由几何关系可知杠杆重心上升的高度也不变,因此额外功不变。总功$W_{总}=W_{有用}+W_{额外}$,因此此次弹簧测力计做的总功等于第一次做的功。
4. 判断机械效率大小:
两次实验的有用功相等,总功也相等,由$\eta=\frac{W_{有用}}{W_{总}}$可知,此次的机械效率等于第一次的机械效率。
【答案】
$\boldsymbol{\frac{2mgh_1}{F_1h_2}×100\%}$;小于;等于;等于
【知识点】
杠杆机械效率;杠杆平衡条件;功的计算
【点评】
本题的易错点是容易错误认为动力变小总功就随之变小,忽略了本实验中A点上升高度固定时,克服杠杆自重的额外功和提升钩码的有用功均保持不变,总功和机械效率也不会发生变化,需要学生跳出“拉力越小总功越小”的思维误区,从有用功、额外功的本质出发分析总功和机械效率的变化。
【难度系数】
0.6
【分析】
这是一道结合生活场景的斜面机械效率探究实验题,我们可以按小问逐步梳理思路:
1. 第一空为刻度尺读数:先明确刻度尺分度值为1mm,已知0刻度线和水平地面对齐,直接读取B点对应刻度,注意要估读到分度值的下一位。
2. 弹簧测力计操作部分:弹簧测力计平行于斜面放置时,受自身重力影响指针可能不会对齐零刻度线,因此使用前必须先校零;读数时先确定分度值,再读取指针对应的示数。
3. 功和机械效率计算:拉力做的是总功,直接用公式$W_总=Fs$计算,已知AB段斜面距离为1m,代入拉力数值即可;克服小车重力做的是有用功,用$W_{有用}=Gh$计算,h就是第一问测出的B点高度,机械效率为有用功和总功的比值。
4. 判断机械效率和物重的关系:从图像中选取不同物重的点,分别计算对应机械效率,发现数值始终相等,即可得出机械效率和物重无关的结论。
5. 最后计算推力:先算出人和轮椅的总重力,已知该斜面机械效率固定为60%,先算出将其提升到B点的有用功,再通过机械效率公式算出总功,结合AB段斜面长度1m,用总功除以斜面长度即可得到推力大小。
【解析】
(1) 刻度尺的分度值为1mm,0刻度线与水平地面对齐,B点对应的刻度为9.00cm,因此B点高度为9.00cm。
(2) ② 弹簧测力计平行于斜面放置时,受自身重力影响指针可能不在零刻度线位置,需要先校零再使用;弹簧测力计分度值为0.02N,指针对应示数为0.3N。
③ 拉力做的总功:$W_总 = Fs = 0.3\ \mathrm{N} × 1\ \mathrm{m} = 0.3\ \mathrm{J}$;
有用功为克服小车重力做功:$W_{有用} = Gh = 2.0\ \mathrm{N} × 9.00 × 10^{-2}\ \mathrm{m} = 0.18\ \mathrm{J}$;
斜面的机械效率:$\eta = \frac{W_{有用}}{W_总} × 100\% = \frac{0.18\ \mathrm{J}}{0.3\ \mathrm{J}} × 100\% = 60\%$。
(3) ① 从图乙取物重G=5N的点,计算得此时$W_1=0.75\ \mathrm{J}$,$W_2=0.45\ \mathrm{J}$,对应机械效率$\eta' = \frac{0.45\ \mathrm{J}}{0.75\ \mathrm{J}} × 100\% = 60\%$,和之前的机械效率相等,说明该斜面提升物体时机械效率与物重无关。
② 母亲和轮椅的总重力:$G_总 = m_总g = (56\ \mathrm{kg} + 20\ \mathrm{kg}) × 10\ \mathrm{N/kg} = 760\ \mathrm{N}$;
提升到B点的有用功:$W'_{有用} = G_总 h = 760\ \mathrm{N} × 9.00 × 10^{-2}\ \mathrm{m} = 68.4\ \mathrm{J}$;
推力做的总功:$W'_总 = \frac{W'_{有用}}{\eta} = \frac{68.4\ \mathrm{J}}{60\%} = 114\ \mathrm{J}$;
推力大小:$F' = \frac{W'_总}{s} = \frac{114\ \mathrm{J}}{1\ \mathrm{m}} = 114\ \mathrm{N}$。
【答案】
(1) 9.00
(2) ② 校零;0.3 ③ 0.3;60%
(3) ① 无关 ② 114
【知识点】
刻度尺读数;弹簧测力计使用;斜面机械效率
【点评】
本题以生活中的无障碍通道为探究背景,将测量工具使用、功与机械效率计算、图像数据分析结合起来,贴合实际生活,引导学生用物理知识解决现实问题。其中弹簧测力计斜向使用前需要校零是易错点,最后结合机械效率不变的规律计算推力,考察了学生对实验结论的迁移应用能力。
【难度系数】
0.6
【分析】
这是一道结合生活场景的斜面机械效率探究实验题,我们可以按小问逐步梳理思路:
1. 第一空为刻度尺读数:先明确刻度尺分度值为1mm,已知0刻度线和水平地面对齐,直接读取B点对应刻度,注意要估读到分度值的下一位。
2. 弹簧测力计操作部分:弹簧测力计平行于斜面放置时,受自身重力影响指针可能不会对齐零刻度线,因此使用前必须先校零;读数时先确定分度值,再读取指针对应的示数。
3. 功和机械效率计算:拉力做的是总功,直接用公式$W_总=Fs$计算,已知AB段斜面距离为1m,代入拉力数值即可;克服小车重力做的是有用功,用$W_{有用}=Gh$计算,h就是第一问测出的B点高度,机械效率为有用功和总功的比值。
4. 判断机械效率和物重的关系:从图像中选取不同物重的点,分别计算对应机械效率,发现数值始终相等,即可得出机械效率和物重无关的结论。
5. 最后计算推力:先算出人和轮椅的总重力,已知该斜面机械效率固定为60%,先算出将其提升到B点的有用功,再通过机械效率公式算出总功,结合AB段斜面长度1m,用总功除以斜面长度即可得到推力大小。
【解析】
(1) 刻度尺的分度值为1mm,0刻度线与水平地面对齐,B点对应的刻度为9.00cm,因此B点高度为9.00cm。
(2) ② 弹簧测力计平行于斜面放置时,受自身重力影响指针可能不在零刻度线位置,需要先校零再使用;弹簧测力计分度值为0.02N,指针对应示数为0.3N。
③ 拉力做的总功:$W_总 = Fs = 0.3\ \mathrm{N} × 1\ \mathrm{m} = 0.3\ \mathrm{J}$;
有用功为克服小车重力做功:$W_{有用} = Gh = 2.0\ \mathrm{N} × 9.00 × 10^{-2}\ \mathrm{m} = 0.18\ \mathrm{J}$;
斜面的机械效率:$\eta = \frac{W_{有用}}{W_总} × 100\% = \frac{0.18\ \mathrm{J}}{0.3\ \mathrm{J}} × 100\% = 60\%$。
(3) ① 从图乙取物重G=5N的点,计算得此时$W_1=0.75\ \mathrm{J}$,$W_2=0.45\ \mathrm{J}$,对应机械效率$\eta' = \frac{0.45\ \mathrm{J}}{0.75\ \mathrm{J}} × 100\% = 60\%$,和之前的机械效率相等,说明该斜面提升物体时机械效率与物重无关。
② 母亲和轮椅的总重力:$G_总 = m_总g = (56\ \mathrm{kg} + 20\ \mathrm{kg}) × 10\ \mathrm{N/kg} = 760\ \mathrm{N}$;
提升到B点的有用功:$W'_{有用} = G_总 h = 760\ \mathrm{N} × 9.00 × 10^{-2}\ \mathrm{m} = 68.4\ \mathrm{J}$;
推力做的总功:$W'_总 = \frac{W'_{有用}}{\eta} = \frac{68.4\ \mathrm{J}}{60\%} = 114\ \mathrm{J}$;
推力大小:$F' = \frac{W'_总}{s} = \frac{114\ \mathrm{J}}{1\ \mathrm{m}} = 114\ \mathrm{N}$。
【答案】
(1) 9.00
(2) ② 校零;0.3 ③ 0.3;60%
(3) ① 无关 ② 114
【知识点】
刻度尺读数;弹簧测力计使用;斜面机械效率
【点评】
本题以生活中的无障碍通道为探究背景,将测量工具使用、功与机械效率计算、图像数据分析结合起来,贴合实际生活,引导学生用物理知识解决现实问题。其中弹簧测力计斜向使用前需要校零是易错点,最后结合机械效率不变的规律计算推力,考察了学生对实验结论的迁移应用能力。
【难度系数】
0.6