谈提高机械效率的常用方法

【摘 要】机械效率是建立在有用功和总功的基础上的。有用功是我们需要的，有价值的功，一般情况下，计算公式为W有用=G・h；若在水平方向移动物体时，则计算公式为W有用=f・S（即克服被移动物体受到的摩擦力所做的功）。为提高机械效率，我们在使用机械时，总希望有用功在总功中所占比例越大越好，或者说额外功在总功中所占的比例越小越好。本文就提高机械效率的常用方法作了阐述。

【关键词】初中物理；机械效率；常用方法；影响因素

课标中要求：理解机械效率，了解提高机械效率的途径和意义。初中阶段我们主要学习有关滑轮组的机械效率，初学时，往往对其概念陌生难懂，思维不通、前后矛盾，还常与功率相混淆。

一、基本概念和计算公式

1.机械效率的基本概念

机械效率（mechanical efficiency）是反映机械性能优劣的重要标志之一。物理学中，有用功跟总功的比值叫机械效率，用机械效率来表示机械对总功的利用率，有用功占总功的比值越大（或者说所做的有用功与总功越接近），机械对总功的利用率就越高，机械的性能就越好。由于任何机械本身都受到重力的作用，相对运动的零部件间又存在摩擦，所以使用任何机械除了做有用功外，都不可避免地要做额外功（即W额外>0），使得总功总大于有用功（W总>W有用），机械的效率总小于1。机械效率是一个比值，通常用百分数表示，且它没有单位。

机械效率是建立在有用功和总功的基础上的。有用功是我们需要的，有价值的功，一般情况下，计算公式为W有用=G・h；若在水平方向移动物体时，则计算公式为W有用=f・S（即克服被移动物体受到的摩擦力所做的功）。额外功是并非我们需要的，但又不得不做的功，额外功具体就是指机械运作过程中，克服机械自身的重力、摩擦力等所做的功，对滑轮组来说，额外功是指滑轮组克服滑轮与其转轴之间的摩擦力做功、提升重物过程中克服动滑轮以及其它辅助用品（如绳子、装物品的容器等）的重力做功等。总功是有用功和额外功的总和，人们利用机械做功时，作用在机械上的动力对机械做的功就是总功，即W总=Fs。在解决实际的问题中，如何判断有用功、额外功和总功是关键，进而解决有关机械效率的问题。

2.使用滑轮组提升重物时，计算机械效率的公式通常有三种

第一种：在理想化的情况下，即不计绳子的重力、动滑轮的重力和滑轮与其转轴之间的摩擦力，机械效率为100%，即η=1；

第二种：在较理想情况下，即不计绳子的重力和滑轮与其转轴之间的摩擦力，但考虑动滑轮的重力，此时，机械效率小于100%，计算公式为：

第三种：在实际真实情况下，既考虑绳子的重力和滑轮与其转轴之间的摩擦力，又考虑动滑轮的重力，此时，机械效率也小于100%，计算公式为：

二、影响因素和提高方法

由机械效率的概念和计算公式可知，机械效率由有用功和总功两个因素共同决定，比较机械效率高低时不能只考虑其中一个因素，不能理解成“有用功多，机械效率就高”；或“总功多，机械效率就高（或低）”。应理解为：当总功一定时，机械所做的有用功越多或额外功越少，机械效率就越高；当有用功一定时，机械所做的总功越少或额外功越少，机械效率就越高；当额外功一定时，机械所做的总功越多或有用功越多，有用功在总功中所占的比例就越大，机械效率就越高。此外，还值得我们注意的是：一、机械效率与功率无关。虽然它们都是反映机械性能的物理量，但两者是完全不同的概念。功率是表示物体做功快慢的物理量，它是由做功的多少和所需时间的长短两个因素决定的。它们分别表示机械的不同性能，没有必然的联系；二、机械效率与机械是否省力无关。机械是否省力，是指动力和阻力相比较而言，当动力比阻力小就省力，它与机械效率之间也没有必然的联系。

对滑轮组来说，影响因素主要有四个：物体的重力（G物）、动滑轮的重力（G动，包括动滑轮的个数）、绳重和摩擦，其中物体的重力直接影响有用功，其余的直接影响额外功。若不计绳重和摩擦，则滑轮组机械效率的主要影响因素是物体的重力（G物）和动滑轮的重力（G动，包括动滑轮的个数），当动滑轮重一定时，被拉物体越重，机械效率越大；当被拉物重一定时，所用动滑轮越重（或动滑轮的个数越多），机械效率越小。所以，在分析机械效率的高低时，不能只看一个因素。

此外，滑轮组的机械效率与物体上升高度（h）和拉力移动的距离（s）无关（因为s=nh，最终s和h会被削掉）、与重物提升的速度和拉力移动的速度无关、与细绳的绕线方法无关。

由此可见，提高机械效率的常用方法是：增大有用功或减少额外功。对滑轮组来说，提高机械效率的方法有：增加物重、减少动滑轮的重力（如使用轻质滑轮、减少动滑轮的个数等）、减小机械自身零部件的摩擦（如给滑轮添加油等）、以及减小其它辅助用品的重力（如用质量小的绳子、容器等），在不计绳重和摩擦时，可增加物重、减少动滑轮的重力。

总之，为提高机械效率，我们在使用机械时，总希望有用功在总功中所占比例越大越好，或者说额外功在总功中所占的比例越小越好。因此还要注意在实际应用时选择好适合的机械，千万不要出现“用直升机吊木料到二楼家中”的现象。

三、典例分析和链接中考

例：用一个滑轮组提升重物，下列措施中能提高机械效率的是（ ）

A.改变绕线方法 B.增加提升的物重

C.增大重物的提升高度 D.增加重物的提升速度

分析：对滑轮组来说，若要提高机械效率，就要增加有用功，也就是要增加提升的物重，或减少额外功，也就是减少绳重、机械自重等额外的功。而与绕线方法、提升重物的高度和速度都无关，故选B。

链接中考：例如把重170N的沙子运到三楼，图中给出了三种。方法①：用桶由体重为400N的人沿楼梯提上去；方法②：用桶装沙子由动滑轮吊上去；方法③：用袋子装沙子由动滑轮吊上去。这三种方法中，做的有用功 （选填“相等”或“不相等”），其中机械效率最高的是方法____（选填序号）。

（作者单位：江苏省南京市浦口区第三中学）