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文/張虎崗著有《發(fā)現(xiàn)不一樣的物理》《挑戰(zhàn)壓軸題·中考物理·輕松入門篇》等為什么使用機(jī)械時(shí)省力與省距離不可兼得,，要實(shí)現(xiàn)省力的目的就必然要付出費(fèi)距離的代價(jià)呢,？因?yàn)椋?strong>使用任何機(jī)械都不能省功。這個(gè)結(jié)論曾被稱為“機(jī)械的黃金定律”,。當(dāng)你選擇機(jī)械代替人工作時(shí),，可以以省力為目的，也可以以省距離為目的,，或者為了比徒手操作更方便,，但是千萬別指望著省功。復(fù)雜的機(jī)械是由簡單機(jī)械組合而成的,，功的原理當(dāng)然也就適用于一切機(jī)械,。那么，什么是功,？功和力,、距離又有什么關(guān)系呢？在物理學(xué)中,，力和物體在力的方向上移動距離的乘積叫做機(jī)械功,，簡稱功。即：功＝力×距離,。因?yàn)椴荒苁」?，所以省了力就必然要費(fèi)距離。在物理中,，功用W表示,、力用F表示、距離用s表示,，所以功的表達(dá)式為：W＝Fs,。在國際單位制中,，功的單位是焦耳，簡稱焦,，用J表示,。1J＝1N·m。當(dāng)物體由于受到重力而下落時(shí),，是重力做功,；克服物體所受重力，把物體勻速舉高時(shí),，舉起物體的力等于它所受的重力,。在這兩種情況下，F＝G,。物體在豎直方向方向上移動的距離等于物體被舉高的高度,，即s＝h。這樣,，當(dāng)重力做功或克服重力做功時(shí),，功的公式也可以寫作：W＝Gh。因?yàn)閮蓚€(gè)雞蛋所受的重力大約是1N,，所以1J大約等于把兩個(gè)雞蛋托起1m高對雞蛋做的功,。運(yùn)動有長短之分，快慢之別,。做功也是一樣,，不僅有多有少，還有快有慢,。比如把同樣裝滿同樣一車的沙子，挖掘機(jī)比你用的時(shí)間要少多了,。在物理學(xué)中,，用功率表示做功的快慢。功與做功所用時(shí)間之比叫做功率,。功率用P表示,，因此它的公式是P=W/t。國際單位制中,，功率的單位是瓦特,，簡稱瓦，用W表示,。就像物體運(yùn)動的速度可能會發(fā)生改變,，物體做功的功率也不總是一成不變的。在這種情況下,，利用功率的定義式計(jì)算出的功率往往是物體在某段時(shí)間內(nèi)做功的平均功率,。要想計(jì)算出物體在某一時(shí)刻的瞬時(shí)功率,，則需要用力乘以速度，即P＝Fv,。如果物體做勻速直線運(yùn)動,，則瞬間功率與平均功率的數(shù)值是一樣的。根據(jù)P＝Fv可以解釋機(jī)動車上坡時(shí)為什么要用低擋,。這是因?yàn)樯掀聲r(shí)需要較大的牽引力,，機(jī)動車的功率一定，所以為了獲得較大牽引力,，應(yīng)降低車速,。功率是機(jī)器的一個(gè)主要性能。在選購機(jī)器時(shí),，要根據(jù)實(shí)際需要選擇功率大小合適的機(jī)器,。利用機(jī)械做功來說，不僅會考慮做功多不多,、快不快,，還會涉及做功好不好的問題。多不多是指利用機(jī)械所做的功,，快不快是指做功的功率,，好不好則是指機(jī)械效率,。在物理中，將有用功與總功的比值叫做機(jī)械效率,，機(jī)械效率越高,，說明有用功在總功中所占比例越大。總功是人們利用機(jī)械做功時(shí),，作用在機(jī)械上的動力對機(jī)械做的功,，用W總表示；在總功中,，有一部分是為了達(dá)到目的而做的功，叫做有用功,，用W有用表示,；剩下的一部分功，并不是人們需要的,，但是又不得不做的功,，叫做額外功,，用W額外。它們的關(guān)系是：W總＝W有用＋W額外。為了幫助你理解總功、有用功與額外功,，不妨以買西瓜做個(gè)類比,。買西瓜花的錢相當(dāng)于總功，但是你買到的不僅包括吃到肚里的瓜瓤,，還有丟掉的瓜皮。西瓜瓤是你需要的,，西瓜皮是不需要的,，但是買西瓜時(shí)也不能去皮,。這樣看來,，你買瓜瓤花的錢相當(dāng)于有用功，買瓜皮花得錢相當(dāng)于額外功,。相信你瓜皮薄一些你會更高興,，如果最后剩下一堆厚厚的瓜皮，一定覺得這瓜買得有點(diǎn)兒不劃算了,。機(jī)械效率的符號是η,，常用百分?jǐn)?shù)表示，它的計(jì)算式為：因?yàn)轭~外功不能消滅,，有用功總是小于總功,，所以機(jī)械效率總是小于1。使用滑輪組豎直向上提升重物時(shí)（如圖所示），目的是提升重物,，因此克服物重所做的功是有用功,，W有用＝Gh,；人施加在繩端的拉力所做的功是總功，W總＝Fs。在提升重物的過程中，由于繩重,、摩擦的存在,，并且也會將動滑輪提升，克服繩重及摩擦、提升動滑輪也要做功,，但這些功并不是我們的目的,，所以這些功都屬于額外功，W額＝W總－W有用,。 現(xiàn)在讓我們再回憶一下功的原理：使用任何機(jī)械都不能省功,。這里所說的“功”是指有用功。額外功是可以省一些的,，當(dāng)然總功也就隨之減小了,。比如,，使用滑輪組把一定的重物提升一定高度,，有用功是一定的,，這部分是無論如何也不能省力,。但是，你可以把動滑輪變輕一些,，這時(shí)額外功變小一些,，總功也會隨之變小。也就是說，額外功與總功還是可以“省”一些的,。 計(jì)算滑輪組的機(jī)械效率是常見的問題,。一般的思路是：先根據(jù)W有用＝Gh,、W總＝Fs分別計(jì)算出有用功和總功，再根據(jù)η＝計(jì)算出滑輪組的機(jī)械效率,。但是當(dāng)s,、h未知且無法求出時(shí)，便無法求出W有用與W總,，自然也就不能根據(jù)η＝求出機(jī)械效率了,。但是天無絕人之路，只要將機(jī)械效率公式稍加拓展,，不需要求出W有用與W總,，也能求出機(jī)械效率。計(jì)算滑輪組的機(jī)械效率的前提是“不計(jì)繩重及摩擦”,；在考慮繩重與摩擦?xí)r，使用該式計(jì)算出的機(jī)械效率會偏大,。另外,，從這一計(jì)算式中，還可以知道滑輪組的機(jī)械效率與繩端移動的距離和物體被提升的高度無關(guān),，影響滑輪組機(jī)械效率的主要因素是物重與動滑輪重,。使用同一滑輪組提升物體時(shí)，物重越大,，機(jī)械效率越高,；在物重一定時(shí)，使用的動滑輪越輕,，機(jī)械效率越高,。如果考慮摩擦,，通過加潤滑油來減小摩擦也能提高機(jī)械效率。
如果你覺得計(jì)算滑輪組的機(jī)械效率不過如此,，可就錯(cuò)了,。因?yàn)樽屛矬w“入水”，滑輪組還能浮力結(jié)合在一起興風(fēng)作浪,，如圖所示,。在物體上表面未露出水面的過程中，提升物體所用的力等于物重與它所受的浮力之差,，這時(shí)有用功W有用＝（G－F浮）h,。則在此過程中，滑輪組的機(jī)械效率看到這里,，再進(jìn)一步，你或許還能推理出,，將物體提出水面的過程中,，滑輪組的機(jī)械效率會逐漸變大，直到全部露出水面后又保持不變,。如果你覺得將物體“入水”后,，只是把原來的G替換成了G－F浮，并沒有什么大不了,，那么讓滑輪組“躺平”就不會這么簡單了,，如圖所示。這時(shí)不需要克服動滑輪重做額外功了,，有用功也變成了克服物體所受地面的摩擦力所做的功,，即W有用＝fL，L為物體在水平面上移動的距離,。相應(yīng)計(jì)算它的機(jī)械效率的公式也就變成了如下幾種：在物體“入水”和“躺平”的情景中,，可以計(jì)算拉力、速度,、有用功,、總功、機(jī)械效率,、動滑輪重,、浮力、摩擦力等等,。除此以外,，在重物未離開水平地面時(shí)，還可計(jì)算重物或人對地面的壓強(qiáng),；如果想繼續(xù)增加難度,，還可以將滑輪組與杠桿,、斜面結(jié)合起來。如果再加上坐標(biāo)圖象,，要想解題可真是難上加難了,！
由此來看，在力學(xué)中,，雖然滑輪組算不上最重要的知識,，但它卻能做為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，連接起力學(xué)中的各個(gè)知識點(diǎn),。命題者以滑輪組為戰(zhàn)場,，對力學(xué)中的各個(gè)知識點(diǎn)排兵布陣。而解題者以各路公式為兵法謀略運(yùn)籌帷幄,。雖然沒有刀光劍影血流成河,，但也可能殫精竭慮百思莫解。
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