探究规律和方法并重──功和机械能探究题赏析
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探究规律和方法并重──功和机械能探究题赏析
研究2011年中考，发现涉及功和机械能知识的探究题非常多。在探究题的考查形式上，既有偏重于发现事物内部普遍规律的探究，也有偏重于探究过程所采用的科学方法的探究，体现了探究规律和方法并重的特点，赏析如下。
一、探究规律题──探究不同机械的效率
1．探究杠杆的机械效率
例1（2011 安徽）某实验小组利用图示装置研究杠杆的机械效率，实验的主要步骤如下：
①用轻绳悬挂杠杆一端的O点作为支点，在A点用轻绳悬挂总重为G的钩码，在B点用轻绳竖直悬挂一个弹簧测力计，使杠杆保持水平；
②竖直向上拉动弹簧测力计缓慢匀速上升（保持0点位置不变），在此过程中弹簧测力计的读数为F，利用刻度尺分别测出A、B两点上升的高度为h1、h2。
回答下列问题：
（1）杠杆机械效率的表达式为η=____________。（用已知或测量的物理量符号表示）
（2）本次实验中，若提升的钩码重一定，则影响杠杆机械效率的主要因素是：___________
（3）若只将钩码的悬挂点由A移至C，O、B位置不变，仍将钩码提升相同的高度，则杠杆的机械效率将_________（选填“变大”、“变小”或“不变”）。
解析：（1）杠杆的机械效率：
。
（2）如果没有额外功，则机械的效率为100%。所以在有用功一定时，额外功的大小决定了机械效率大小。本题中，提升钩码的同时，我们不得不提升杠杆，提升杠杆做的功就是额外功，因此杠杆自身的重力是影响杠杆机械效率的主要因素。
（3）由题意知，将钩码提升相同的高度，做的有用功不变。O、B位置不变，只将钩码的悬挂点由A移至C，将使拉力变大，同时拉力上升的距离将变小（由于C比A离支点O远，所以将钩码提升相同的高度，拉力上升的高度将变小），这样无法判断总功的变化，因而无法判断杠杆机械效率的变化。我们换一种思路：总功等于有用功与额外功之和，有用功不变，只要判断额外功的变化即可。题目中告诉我们，O、B位置不变，由于C比A离支点O远，所以将钩码提升相同的高度，杠杆重心升高的高度将变小，即额外功变小，由公式
可知，在
一定时，Ｗ额外越小，机械效率越大。
答案：（1）
（2）杠杆自身的重力 （3）变大
反思：机械效率具有“可变性”。由
可知，如果该机械的额外功（Ｗ额外）一定，有用功（）越大，机械效率越大。因此，增加物重能增大机械效率。由上面的公式还可以知道：当有用功一定时，额外功越小，则机械功率越大。因此设法减小额外功可以提高机械功率。如减轻机械本身的重量，加润滑油以减少摩擦，都可以不同程度地减少额外功，提高机械效率。
2．探究滑轮组的机械效率
例2（2011 芜湖）在“探究有哪些因素影响滑轮组的机械效率”的实验中，某小组利用图2所示装置测得了四组数据，如下表所示。
| 实验次数 | 钩码重G/N | 钩码上升的高度h/cm | 弹簧测力计示数F/N | 弹簧测力计移动的距离s/cm |
| 1 | 3 | 2 | 1．2 | 6 |
| 2 | 3 | 5 | 1．2 | 15 |
| 3 | 3 | 8 | 1．2 | 26 |
| 4 | 3 | 10 | 1．2 | 30 |
（1）前三次实验中，第 次实验数据明显出现错误，应当剔除。
（2）第四次实验中，有用功是 J，总功是 J，滑轮组的机械效率为 。
（3）根据以上信息，请判断：该小组设计这四次实验的目的是为了探究滑轮组的机械效率与 是否有关。
解析：（1）要发现实验数据中的错误，首先要观察数据中的相同和不同，找出数据变化的规律。可以看出，弹簧测力计移动的距离随钩码上升的高度而变化，而且弹簧测力计移动的距离是钩码上升高度的三倍，只有第三次数据例外。观察图2，吊起动滑轮绳子的股数是3，故弹簧测力计移动的距离应该是钩码上升高度的3倍，这也能说明第三次实验数据出现错误。
（2）第四次实验中，
滑轮组的机械效率
（3）观察四次实验的数据可以看出，实验保持钩码重不变，而改变了钩码上升的高度，所以实验的目的是为了探究滑轮组的机械效率与钩码上升的高度是否有关。
反思：滑轮组中，吊起动滑轮绳子的股数n是一个非常重要的数据。这里有三个常用关系式：
（s是弹簧测力计移动的距离，h是钩码上升高度）
（不考虑绳重和摩擦）
（不用刻度尺测距离也能计算机械效率）
3．探究斜面的机械效率
例3（2011 湛江）在湛江港码头，小华看到工人利用斜面把货物推到车上，联想到上物理课时老师讲过的知识，小华想探究斜面的机械效率可能与哪些因素有关？小华提出了以下的猜想：
A．斜面的机械效率可能与物体的重力有关．
B．斜面的机械效率可能与斜面的倾斜程度有关．
小华同学为了证实自己的猜想是否正确，于是他用同一块木板组成如图3所示的装置进行了实验探究，记录的实验数据如下表：
| 实验 次数 | 斜面倾角θ | 物块重量 G/N | 斜面高度 h/m | 沿斜面拉力F/N | 斜面长 S/m | 有用功 W有/J | 总 功 W总/J | 斜面的机械效率 |
|
| 300 | 5．0 | 0．6 | 4．2 | 1．2 | 3．0 | 5．0 |
|
|
| 300 | 3．0 | 0．6 | 2．5 | 1．2 | 1．8 |
| 60% |
|
| 450 | 3．0 | 0．8 | 2．8 | 1．2 | 2．4 | 3．4 | 71% |
（1）在实验操作过程中，应沿斜面向上________拉动木块；实验时要使木板的倾斜角变大，应该把木板下面的木块向_________移动（填“左”或“右”）。
（2）根据表格中数据，第①次实验斜面的机械效率为_______%，第②次实验中总功为______J。
（3）通过对比实验①、②数据，可验证小华的猜想_________（填写字母）；通过对比实验②、③数据，可以得出的探究结论是：__________________________。
（4）除了小华的猜想以外，请你猜想斜面的机械效率还可能与______（写出一个）有关。
解析：（1）必须使物体做匀速直线运动，物体受力才是平衡力，拉力才是一个确定的数值。实验时要使木板的倾斜角变大，应该把木板下面的木块向左移动。
（2）根据机械效率的公式，容易计算第①次实验斜面的机械效率为60%，
（3）对比实验①、②，可以看出其它条件相同，只改变了物体的重力；再看数据，发现斜面的机械效率相同。条件变了，而结果不变，说明结果与改变的条件无关，即斜面的机械效率与物体的重力无关．对比实验②、③，看出其它条件相同，只改变了斜面倾角；再看数据，发现斜面的机械效率不同，这说明结果与改变的条件有关，即斜面的机械效率与斜面倾角有关，而且斜面倾角越大，效率越高。
（4）造成使用斜面存在额外功的原因是物体与斜面间有摩擦力，接触面的粗糙程度影响摩擦力．
答案：（1）匀速 左；（2）60 3．0；（3）A 在其它条件相同时，斜面的倾斜程度越大，斜面的机械效率越高（或大）；或在其它条件相同时，斜面的机械效率与斜面的倾斜程度有关；（4）物体或斜面的粗糙程度
反思：与斜面效率有关的公式：
；
；
；
根据
，可知
，利用这个式子可求物体与斜面间的摩擦力。
二、探究方法题──探究影响动能和重力势能的因素
1．探究影响动能大小的因素
例4（2011泰州）小明猜想：动能的大小可能与物体的质量与物体的速度有关．因此．他设计了如下两种实验方案：
A．让同一辆小车分别从同一斜面的不同高度由静止开始下滑。与放在水平面上的木块相碰，比较木块在水平面上移动的距离（如图4甲所示）
图4
B．让不同质量的小车分别从同一斜面的不同高度由静止开始下滑，与放在水平面上的木块相碰。比较木块在水平面上移动的距离（如图4乙所示）。
上述两种实验方案中：
（1）A方案是为了探究动能大小与 关系，若木块被撞后移动的距离越远．说明小车对木块的推力 越多，小车撞击木块时的动能 。
（2）小明想用B方案探究动能大小与质量的关系．该方案是否合理？ 。理由是 。
解析：要研究动能的大小与哪些因素有关，首先就要知道怎样“看出”动能的大小。物体具有动能的大小是无法直接“看出”的。怎么办呢？我们想到物体具有的能量越多，它能对外做的功也越多，把物体具有能量的大小转换为它能够对外做功的大小反应出来。这就用到了转换法。
怎样研究物体具有动能的大小与物体的质量和速度的关系？要研究动能跟质量的关系，就要改变质量，同时控制速度不变；要研究动能跟速度的关系，就要改变速度，同时控制质量不变。以上两个关系研究好了，动能与质量、速度的关系也就出来了。这里就应用了控制变量法。
（1）让同一辆小车分别从同一斜面的不同高度由静止开始下滑，目的是让小车进入水平面时有不同的速度，高度越高，速度越大。所以A方案是为了探究动能大小与物体速度的关系。小车撞击木块，就给木块一个作用力，木块在这个力的作用下移动一段距离，小车就对木块做了功，这表明小车具有能。木块被撞后移动的距离越远，说明小车对木块的推力做的功越多，也就表明小车撞击木块时的动能越大。
（2）让不同质量的小车分别从同一斜面的不同高度由静止开始下滑，这样小车的质量不同，进入水平面时的速度也不同，有两个变量，不符合控制变量法，没法进行研究。
答案：（1）速度 做功 越大；（2）不合理 没有控制小车进入水平面时的速度相同（或没有控制变量）
反思：物理学中对于一些看不见、摸不着的现象或不易直接测量的物理量，通常用一些非常直观的现象去认识，或用易测量的物理量间接测量，这种研究问题的方法叫转换法。初中物理在研究概念、规律和实验中多处应用了这种方法。特别是对那些抽象的难以理解的物理知识，这种方法很有效．生活中你也用到过转换法，只是未注意罢了．空气是看不见摸不着的，但我们可以根据空气流动（风）所产生的作用来认识它．如红旗飘动，树叶摇晃等．
当要研究的一个物理量与另外几个物理量都有关系时，为简化和方便，先研究与其中一个量的关系，而要控制其余几个量不变．这种研究问题的方法叫控制变量法．若要研究的问题是物理量与某一因素是否有关，则应只使该因素不同，而其他因素均应相同。控制变量法是中学物理中最常用的方法。
2．探究影响重力势能的因素
例5（2011 烟台）小明利用装有细沙的盒子、小桌、砝码、木块等器材,探究“重力势能的大小与哪些因素有关”,其过程如图5所示。
（1）小明通过观察什么来判断重力势能的大小？
（2）分析比较甲、乙两图中的实验现象,得出的结论是什么？
（3）图乙和图丙探究的问题是什么？
解析：（1）能是物体具有的做功的本领，要判断重力势能的大小，就要看物体对小桌做功的大小，即小桌陷入沙中的深度。这里运用了转换法。
（2）分析比较甲、乙两图中的实验现象,可以看出是同一个砝码被举高的高度不同。因而得出的结论是：质量相同的物体，高度越高，具有的重力势能越大。
（3）观察图乙和图丙，是两个质量不同的物体，被举高的高度相同。根据控制变量法，若要研究的问题是物理量与某一因素是否有关，则应只使该因素不同，而其他因素均应相同。因而探究的问题是重力势能大小与质量的关系。
总结：从以上可以看出，现在探究题的考查方式发生了很大的变化，单纯考查操作步骤、实验结论等凭机械记忆及套用就可奏效的考题已退出舞台，题目普遍重视探究的过程和方法的考查、重视基本实验能力的考查。大家在平时的学习过程中，应改变过分强调知识传承的倾向，让自己亲历科学探究过程，学习科学研究方法。改革以书本为主、实验为辅的教学模式，提倡多样化的学习方式。培养自己的探索精神、实践能力以及创新意识。
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