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斜面的机械效率

在九年级物理课本第15章《功和机械能》的第二节里有这样一个探究实验:探究斜面的机械效率。

其中有这样一个结论:影响斜面机械效率的因素有:1、斜面的倾斜程度,斜面越倾斜,拉力越大,机械效率越高;2、斜面的粗糙程度,斜面越粗糙,拉力越大,机械效率越低。

整个结论的得出,是通过实验,控制其中一个变量,改变另一个变量,比较实验数据得出的。

那么它的理论推理是怎样的呢?
斜面高为H,长为S,物体重为G,斜面与水平面的夹角为θ,拉力大小为F,斜面的摩擦系数为μ。

求该斜面的机械效率为多少?
首先要将重力G进行力的分解,根据“平行四边形法则”可将重力G分解为沿斜面向下的力F2和对斜面的压力F1。

F1=GCosθ F2=GSinθ
其中分力F1与斜面对物体的支持力构成一对平衡力。

沿斜面向下的分力F2、斜面和物体间的摩擦力与拉力F构成平衡力。

拉力F=F2+f=GSinθ+GCosθμ
那么斜面的机械效率为:
η=W有/W总=GH/FS=GH/(F2+f)
=GSSinθ/(GSinθ+Gcosθμ)S
分式上下约掉G和S,可得:
η=Sinθ/Sinθ+cosθμ
分式上下都除Sinθ可得:
η=1/1+cotθμ
余切函数Cotθ是单调递减函数,θ越大,其值越小,分数越小,效率越高。

斜面越粗糙,其摩擦系数越大,分数越大,效率越低。

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