专题29 探究滑轮组（含斜面）机械效率实验问题（原卷版+解析版）--【夺分宝典】力学知识体系必考重点亮点难点（专练）

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专题29 探究滑轮组（含斜面）机械效率实验问题
1.（2023山东枣庄） 提高机械效率可以充分发挥机械设备的作用，对节能减排、提高经济效益有重要的意义。某科技创新小组根据生活经验和客观事实，对影响滑轮组机械效率的因素作出如下猜想：
猜想I：滑轮组的机械效率与物体被提升的高度有关
猜想Ⅱ：滑轮组的机械效率与动滑轮的重力有关
猜想Ⅲ：滑轮组的机械效率与所提物体的重力有关
根据猜想，运用如图甲、乙、丙所示的装置进行了实验探究，测得的实验数据如下表所示。

（1）实验时应沿竖直方向______缓慢向上拉动弹簧测力计；
（2）分析表中数据可知：第3次实验是利用了图______的装置完成的，它的机械效率η=_____；
（3）比较2、4两次实验数据，可验证猜想I是_____（选填“正确”或“错误”）的；
（4）通过比较_______（填实验序号）两次实验数据得出结论：同一滑轮组提升重物时，物重越大，滑轮组的机械效率越高；
（5）通过比较2、3两次实验数据可得出结论：不同滑轮组提升相同重物时，动滑轮越重，滑轮组的机械效率__________。
【答案】 ①. 匀速 ②. 丙 ③. 80% ④. 错误 ⑤. 1、2 ⑥. 越低
【解析】（1）实验时，需要读出测力计的示数，所以需要匀速缓慢的拉动测力计，以方便读数。
（2）由表中数据可得，钩码移动的距离为0.1m时，绳子端移动的距离为0.4m，则绳子的股数为
即动滑轮上有4股绳，所以丙图符合题意。
由表中数据可得，有用功为
W有=G3h3=4N×0.1m=0.4J
总功为
W总=F3S3=1.25N×0.4m=0.5J
机械效率为
（3）对比2、4的数据发现，其它条件不变，只改变物体提升的高度，机械效率是不变的，所以猜想一是错误的。
（4）要想得到同一滑轮组提升重物时，物重越大，滑轮组的机械效率越高的结论，需要保证滑轮组不变，重物提升的高度也不变，只改变重物的重力，所以表中1、2号实验符合条件。
（5）对比2、3次实验可以发现，重物的重力不变，提升的高度也不变，但滑轮组中动滑轮的个数增多了，且动滑轮个数越多，机械效率越低，所以可得结论：不同滑轮组提升相同重物时，动滑轮越重，滑轮组的机械效率越低。
2. （2023湖南怀化）提高机械效率能够充分发挥机械设备的作用，一组同学在“测量滑轮组的机械效率”实验中，实验测得的数据如表所示。
（1）实验中应尽量竖直向上______（选填“匀速”或“加速”）拉动弹簧测力计；
（2）计算出第3组实验的有用功______J，机械效率是______（结果精确到0.1%）；
（3）分析比较第1、2、3次实验数据可以判定，使用同一个滑轮组提升物体时，被提升的物体越重，滑轮组的机械效率______（选填“越高”或“越低”或“不变”）；分析比较第3、4次实验数据可得，机械效率与物体上升的高度______（选填“有关”或“无关”）。
【答案】（1）匀速 （2） 0.4 74.1% （3）越高 无关
【解析】（1）实验中应沿竖直方向向上匀速拉动弹簧测力计，使测力计示数比较稳定，便于读数。
（2）由表格中数据可知，第3组实验的有用功为
W有=Gh=4N×0.1m=0.4J
总功为
W总=Fs=1.8N×0.3m=0.54J
机械效率是
（3）分析比较第1、2、3次实验数据可知，使用同一个滑轮组提升物体，被提升的物体越重，有用功在总功中所占的比例越大，滑轮组的机械效率就越高。
分析比较第3、4次实验数据可知，同一滑轮组，在物重相同时，物体上升的高度不同，机械效率相同，说明机械效率与物体上升的高度无关。
3.（2023黑龙江绥化） 如图所示，在“测量滑轮组机械效率”的实验中，利用甲、乙、丙三个实验装置进行实验，测得的实验数据如下表。（钩码规格相同、动滑轮个数越多重力越大）

（1）在实验中，应沿竖直方向___________拉动弹簧测力计；
（2）第一次实验中，如图所示，弹簧测力计的示数是___________N，机械效率是___________（精确到0.1%）；
（3）由1、2两次实验数据可得出结论：___________；
（4）由_____两次实验数据可得出结论：使用不同滑轮组提升相同重物，动滑轮越重，机械效率越低；
（5）在第三次实验操作的基础上，如图丁所示改变绳端拉力方向，测得的滑轮组机械效率将________。（选填“偏高”“偏低”或“不变”）

【答案】 （1）缓慢匀速 （2） 1.8 74.1% （3）见解析 （4） 2、3 （5）偏低
【解析】（1）在实验中，测量绳端拉力F时，应在竖直向上方向上匀速拉动使物体匀速上升，物体处于平衡状态，此时弹簧测力示数等于拉力大小。
（2）由图可知，弹簧测力计最小分度值为0.2N，弹簧测力计的示数为1.8N。
分析第1次实验中数据可知，根据可得，机械效率为
（3）由控制变量法可知，比较第1、2次实验数据可得出结论：使用同一滑轮组，重物越重，机械效率越高。
（4）比较第2、3次实验数据可得出结论：滑轮组的机械效率跟提起的物重、动滑轮的重有关，在提起的物重一定时，动滑轮越重，机械效率越低。
（5）由图丁可知，拉力F沿斜向上方向拉动时，拉力的力臂变短，省力变小，与丙相比需要更大的拉力才能拉动物体上升，因此总功更大，因有用功不变，根据可得，机械效率偏小。
4. （2023湖南湘潭）用图所示装置测量滑轮组的机械效率，部分实验数据如下表：

（1）实验过程中，缓慢竖直拉动弹簧测力计，使钩码向上做________运动。第 1次实验时，钩码上升的时间为 3s，此过程中，绳子自由端上升的速度为________m/s；
（2）第4次实验时所做的有用功为________J， 滑轮组的机械效率是________%；
（3）分析 1、2、4次实验的数据可知，使用同一滑轮组提升重物时，重物重力越________（选填“大”或“小”），滑轮组的机械效率越高； 分析 2、3次实验的数据可知，滑轮组的机械效率与钩码上升的高度________（选填“有关”或“无关”）；
（4）用滑轮组提升重物时，下列选项中也可提高机械效率的是________。
A． 换用更轻的动滑轮B． 加快提升物体的速度
【答案】（1）匀速直线 0.05 （2） 0.3 80 （3） 大 无关 （4）A
【解析】（1）实验中为使弹簧测力计读数平稳，需要使钩码做匀速直线运动。
第 1次实验中，绳子3s钟的时间，移动的距离为15cm，则绳子移动的速度为
（2）第4次实验时所做的有用功为
第4次实验做的总功为
第4次实验滑轮组的机械效率为
（3）根据1、2、4次实验的数据可知，重物重力越大，滑轮组的机械效率越高。
2、3两次实验中，钩码的重力相同，只改变钩码上升的高度，滑轮组的机械效率不变，可知轮组的机械效率与钩码上升的高度无关。
（4）根据效率公式可知，提高机械效率的方法一为：额外功一定时，增加有用功，即增加物重；二为：有用功一定时减少额外功，即换用轻质滑轮，故A符合题意，B不符合题意。故选A。
5．用如图所示装置测量动滑轮的机械效率，得到实验数据如下表。
(1)实验时，应竖直向上______拉动弹簧测力计，使钩码上升；
(2)第③次实验时，测得动滑轮的机械效率为______（结果保留一位小数）；
(3)分析表中数据可知，对于同一动滑轮，所提升钩码的重力增大，机械效率将______（增大/减小/不变）；提升相同重力的钩码时，动滑轮的重力增大，其机械效率将______（增大/减小/不变）；
(4)分析表中数据发现，F≠，排除操作错误，最可能的原因是：______。
【答案】（1）匀速 （2）83.3% （3）增大 减小 （4）存在绳重、摩擦
【解析】(1)在实验中，测绳端拉力F时，应竖直向上匀速拉动弹簧测力计且在拉动过程中读数。
(2)第③次实验时，动滑轮的机械效率为
(3)由表中实验序号为①②的实验数据可知，对于同一动滑轮，所提升钩码的重力增大，机械效率将增大；由表中实验序号为②③的实验数据可知，提升相同重力的钩码时，动滑轮的重力增大，其机械效率将减小。
(4)由于滑轮与轮轴间存在摩擦，缠绕滑轮的绳子有重力，因此
6. 在探究影响滑轮组机械效率的因素时，小明提出了如下猜想：
猜想一：滑轮组机械效率与被提升物体所受的重力有关；
猜想二：滑轮组机械效率与动滑轮所受的重力有关；
为了验证猜想，准备的器材如下：两个相同的滑轮、一根细绳、钩码若干、刻度尺和弹簧测力计；
小明把两个滑轮分别作为定滑轮和动滑轮组装成滑轮组，用该滑轮组提升不同数量的钩码进行了三次实验，数据如下表所示：
请你解答如下问题：
(1)表中第3次实验时滑轮组的机械效率为______：根据表中数据在图中画出该滑轮组的绕线方式（ ）；
(2)分析表中数据可知：用同一滑轮组提升不同的物体，物体越重，滑轮组的机械效率______（选填“越高”“越低”或“不变”）；
(3)为了验证猜想二，还需增加的实验器材是______｡
【答案】 (1) 80.0% (2) (3)越高 (4)自重不同的滑轮
【解析】(1)第3次实验中，有用功W有=Gh=6.0N×0.1m=0.6J
通过滑轮组所做的总功W总=Fs=2.5N×0.3m=0.75J
滑轮组的机械效率
因为绳子端移动的距离是物体提升高度的3倍，所心滑轮组承重绳子的根数为3，那么滑轮组的绕线如图：
(2)分析表格数据知，用同一滑轮组提升不同的物体，物体越重，滑轮组的机械效率越高。
(3)猜想二，要验证滑轮组机械效率与动滑轮所受的重力有关，换用自重不同的动滑轮进行实验。
7. 下面是小明和小红的“测量滑轮组的机械效率”实验报告，
实验名称：测量滑轮组的机械效率
实验步骤：
（1）观察弹簧测力计的量程、零刻度线和 。
（2）如图1所示，测量物体G所受的重力为 。
（3）如图2所示，实验过程中， 拉动弹簧测力计并读出拉力F的数值，用 测出的物体G上升的高度h和弹簧测力计移动的距离s，将数据填入表格。根据表格中的数据，可以知道他们选用的滑轮组是 （选填甲”或“乙”）
（4）仅改变重物G上升的高度，重复上面的实验，记录并计算实验数据实验记录：
实验结论：滑轮组的机械效率与所提升物体的高度有关。
实验讨论与交流
①小明和小红的实验结论： （选填“科学”或“不科学”）；请说明你的理由 。
②小明认为提升的物重会影响该滑轮组的机械效率，建议进一步探究：改变 ，重复实验（3）步骤，计算出机械效率进行比较分析。
（5）小明在实验探究过程中，改变不同的物理量，得出多组数据的目的是 。
【答案】（1）分度值；（2）4.6N；（3）匀速；刻度尺；乙；（4）①不科学；根据η=×100%，滑轮组的机械效率与所提升物体的高度无关；②提升物体的重力。（5）避免实验偶然性，使结论更具普遍性。
【解析】（1）测力计使用前，要观察弹簧测力计的量程、零刻度线和分度值；
（2）根据测力计分度值读数；
（3）使用弹簧测力计时应保证系统处于平衡状态，故应该匀速拉动。测量长度的工具是刻度尺；根据绳子自由端移动的距离与物体升高高度的关系s=nh，根据绳n=求出绳子的有效段数分析回答；
（4）①滑轮组的机械效率η====，据此分析；
②为得出普遍性的结论要多测量。
（5）测量多组数据，重复实验可以避免实验偶然性，得出普遍规律。
8. 测量如图所示滑轮组的机械效率，部分实验数据如下表。
（1）实验过程中，应缓慢拉动弹簧测力计，使钩码竖直向上做 运动。第1次实验时，弹簧测力计示数如图所示，为 N。
（2）第2次实验时所做的有用功为 J，滑轮组的机械效率是 。
（3）分析1、2、3次实验的数据可知，使用同一滑轮组提升重物时，重物重力越 （选填“大”或“小”），滑轮组的机械效率越高；分析3、4次实验的数据可知，滑轮组的机械效率与钩码上升的高度 （选填“有关“或“无关”）。
（4）结合生产生活实际，用滑轮组提升重物时，下列选项中也可提高机械效率的是 。
A．增大绳重 B．减轻动滑轮重 C．加快物体提升的速度
【答案】（1）匀速；0.6；（2）0.075；62.5%；（3）大；无关；（4）B。
【解析】（1）实验过程中，应缓慢拉动弹簧测力计，使钩码竖直向上做匀速运动。测力计分度值为0.1N，第1次实验时，弹簧测力计示数如图所示，为0.6N；
（2）第2次实验时所做的有用功为：
W有用2＝G2h2＝1.5N×0.05m＝0.075J；
第2次做的总功：W总2＝F2s2＝0.8N×0.15m＝0.12J；
滑轮组的机械效率是：
η＝＝×100%＝62.5%；
（3）分析1、2、3次实验的数据可知，使用同一滑轮组提升重物时，重物重力越，滑轮组的机械效率越高；
分析3、4次实验的数据可知，滑轮组的机械效率与钩码上升的高度无关；
（4）A．增大绳重，增大了额外功，有用功与总功的比值变小，机械效率变小；
B．减轻动滑轮重，减小了额外功，有用功与总功的比值变大，机械效率大；
C．由（3）知，滑轮组的机械效率与钩码上升的高度无关，根据v＝，机械效率与物体提升的速度无关，故选B。
9．如图所示是小红同学探究影响斜面机械效率因素的实验装置，物体在沿斜面向上的拉力F作用下匀速向上运动。实验准备的器材有：三个质量不同的木块A，三条粗糙程度不同的长木板B，三个高度不同的长方体铁块C，刻度尺，弹簧测力计。
（1）下面是小红探究斜面机械效率与物重的关系时记录的有关数据：
通过分析数据，你可以得出结论：__________。
（2）上述实验中，保持斜面长度不变，将斜面升高到0.2m，把一个重3N物体沿斜面匀速向上拉时，所需拉力为1.0N，则此时物体受到的摩擦力是__________，斜面的机械效率是_________。此过程中物体的机械能__________（选“变大”，“变小”或“不变”）。
（3）小红猜想斜面的机械效率可能还与斜面的倾斜程度和斜面的粗糙程度有关，小红想研究斜面的机械效率与斜面的粗糙程度的关系，于是小红将三条粗糙程度不同的长木板放置成相同的倾斜程度，并将这三个不同物重的物体同时沿斜面匀速拉动相同的长度，测出弹簧测力计的示数，比较它们的机械效率，这种方法__________（选“能”，“不能”）得出结论，原因是__________。
【答案】（1）斜面的机械效率与物重无关 （2） 0.25N 75% 变大 （3）能 机械效率的大小与物重无关，只需控制斜面的倾斜程度相同
【解析】（1）虽然表格中的机械效率的数值不同，但差别极其微小，由于实验中存在误差，所以我们认为机械效率是相同的；由数据可知，斜面的倾斜程度和斜面的粗糙程度均相同，在改变物重时，机械效率不变，说明斜面的机械效率与物重无关。
（2）保持斜面长度不变，将斜面升高到0.2m，把一个重3N物体沿斜面匀速向上拉时，所需拉力为1.0N，则所做的有用功为
W有=Gh=3N×0.2m=0.6J
拉力做的总功为
W总=Fs=1.0N×0.8m=0.8J
则额外功为
W额=W总﹣W有=0.8J﹣0.6J=0.2J
拉动物体上升的过程中，克服斜面的摩擦力所做的功为额外功，即W额=fs；则此时物体受到的摩擦力为
f==0.25N
此时斜面的机械效率
η=×100%=×100%=75%
匀速拉动物体上升的过程中，速度不变，动能不变，高度增加，重力势能变大，所以物体的机械能变大。
（3）探究斜面的机械效率与斜面的粗糙程度的关系时，采用的是控制变量法，需要控制斜面的倾斜程度、物体的重力不变；由（2）可知，斜面的机械效率的大小与物体的重力无关，所以本实验中只需要控制斜面的倾斜程度相同就行；实验中可以将三条粗糙程度不同的长木板放置成相同的倾斜程度，并分别将这三个不同物重的物体沿斜面匀速拉动相同的长度，测出弹簧测力计的示数，就能比较它们的机械效率。
实验次数
钩码的重力G/N
钩码上升高度h/m
绳端拉力F/N
绳端移动的距离S/m
机械效率η
1
2
0.1
0.90
0.3
74.1%
2
4
0.1
1.50
0.3
88.9%
3
4
0.1
1.25
0.4
4
4
0.2
1.50
0.5
88.9%
次数
物体的重力
提升的高度
拉力
绳端移动的距离
机械效率
1
2
0.1
1
0.3
66.7%
2
3
0.1
1.4
0.3
71.4%
3
4
0.1
1.8
0.3
4
4
0.2
1.8
0.6
74.1%
实验次数
钩码重力G/N
提升高度h/m
绳端拉力F/N
绳端移动距离s/m
机械效率η
1
4
0.1
0.3
2
8
01
3.2
0.3
83.3%
3
8
0.1
2.0
05
80.0%
实验次数
钩码重力 G/N
钩码上升高度h/cm
拉力 F/N
绳子自由端移动距离s/cm
机械效率η
1
2.0
5
1.0
15
66.7%
2
4.0
5
1.8
15
74.1%
3
4.0
10
1.8
30
74.1%
4
6.0
5
2.5
15
序号
动滑轮重
G动/N
钩码重
G/N
钩码上升高
度h/m
绳的拉
力F/N
绳端移动距离
s/m
机械效率
η
①
0.1
1
0.2
0.6
0.4
83.3%
②
0.1
2
0.2
1.1
0.4
90.9%
③
0.2
2
0.2
1.2
0.4
实验次数
钩码所受的重力G/N
提升高度h/m
拉力F/N
蝇瑞移动的距离s/m
机械效率?
1
2.0
0.1
1.0
0.3
66.7%
2
4.0
0.1
1.8
0.3
74.1%
3
6.0
0.1
2.5
03
实验次数
物体重量G/N
物体上升高度h/cm
拉力F/N
弹簧测力计移机动的距离s/cm
机械效率η
1
5.00
1.80
15.00
85.2%
2
8.00
1.77
24.00
86.6%
3
10.00
1.75
30.00
87.6%
实验次数
钩码重力G/N
钩码上升高度h/cm
拉力F/N
绳端移动距离s/cm
机械效率η
1
1.0
5
15
55.6%
2
1.5
5
0.8
15
3
2.0
5
1.0
15
66.7%
4
2.0
10
1.0
30
66.7%
实验次数
斜面粗糙程度
重物的重力
大小G/N
弹簧测力计的示数F/N
重物沿斜面移动的距离//m
重物上升的高度h/m
机械效率η/%
1
较粗糙
2.0
1.51
0.80
0.40
66.2
2
较粗糙
2.5
1.89
0.80
0.40
66.1
3
较粗糙
3.0
2.26
0.80
0.40
66.4