Question

3．育才中學(xué)科技小組按照教材的要求安裝了一臺直流電動機(jī)模型，他們想測量該直流電動機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的效率，為此他們想出了如下辦法：按圖示裝置用電動機(jī)通過輕繩提升一重物，通過測量，計算出電動機(jī)消耗的電能E_總和輸出機(jī)械能E_機(jī)，用η=$\frac{{E{\;}_機(jī)}}{{E_總^{\;}}}$×100%來計算電動機(jī)的效率．實驗步驟如下：
A、用天平測出重物的質(zhì)量m=100g．
B、閉合開關(guān)S后，重物在電動機(jī)的牽引下從靜止開始上升，用電壓表和電流表測量電動機(jī)兩端電壓U和流過電動機(jī)的電流I，并測量出從閉合開關(guān)S起到斷開開關(guān)S的時間t表示電流做功的時間，并將數(shù)據(jù)記錄在列表格1中．
表1

電壓U/V	電流I/A	時間t/s
2.0	0.05	10

C、在重物右側(cè)固定一豎直放置的刻度尺，從閉合開關(guān)S起到斷開開關(guān)S過程中，每隔1s，記錄重物的位置，并將數(shù)據(jù)記錄在如表格2中：
表2

時間t/s	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
位置/cm	0	2.0	6.5	13.0	21.5	30.5	40.0	50.0	60.0	70.0	80.0

根據(jù)上述實驗步驟，回答以下問題：
（1）10s內(nèi)重物運動的平均速度是0.08m/s．（注意單位）
（2）在計算電動機(jī)輸出的機(jī)械能時出現(xiàn)了兩種設(shè)計方案：
方案1：電動機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)移到重物上，是通過輕繩的拉力做功實現(xiàn)的，因此，電動機(jī)輸出的機(jī)械能等于輕繩拉力所做的功．又因為輕繩對重物的拉力F等于重物的重力mg，用h表示重物在t時間內(nèi)從靜止開始上升的高度，則E_機(jī)=W=Fh=mgh．
方案2：電動機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)移到重物上，增加了重物的機(jī)械能（動能和勢能），通過查閱資料知，當(dāng)物體運動的速度為v時動能為E_k=$\frac{1}{2}$mv²，當(dāng)物體上升的高度為h時，增加的重力勢能為mgh，可計算出E_機(jī)=E_重物=$\frac{1}{2}$mv²+mgh．
上述兩種方案中，其中某一方案有一明顯的錯誤，請指出有錯誤的方案，并指明錯誤．
錯誤方案是：方案1（填寫序號），錯誤是：前六秒內(nèi)物體所受拉力大于物體的重力．
（3）利用你所選擇的正確方案計算出電動機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的效率η．要求寫出計算過程．（計算中取g=10N/kg）
（4）完成了上述探究活動后，他們想對“影響電動機(jī)效率的因素”進(jìn)行探究，他們提出如下猜想：猜想①：可能跟電動機(jī)工作時間有關(guān)；
猜想②：可能跟所提升重物的質(zhì)量有關(guān)．
關(guān)于“影響電動機(jī)效率的因素”，你還能提出什么猜想？（只要寫一條）
猜想③：可能跟電動機(jī)工作電壓（電流）有關(guān)．
請你在上述三個猜想中任選一個猜想，簡要寫出你的探究方案．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)路程和時間求出速度；
（2）分析表格中的數(shù)據(jù)，判定物體是否做勻速直線運動；
（3）根據(jù)v=$\frac{s}{t}$求出速度，根據(jù)公式E_機(jī)=E_重物=$\frac{1}{2}$mv²+mgh求出有用功，根據(jù)公式E_機(jī)=UIt求出總功，然后求出機(jī)械效率；
（4）可以從電壓、電流等因素分析．

解答 解：（1）重物運動的平均速度為：v=$\frac{s}{t}$=$\frac{0.8m}{10s}$=0.08m/s；
（2）方案1．分析步驟B中數(shù)據(jù)可知，在前6s內(nèi)重物做加速運動，由力和運動的關(guān)系知，物體所受拉力大于（不等于）物體的重力，所以，不能用mgh計算拉力所做的功．
（3）有表格得：物體每秒增加的速度為：v_m=$\frac{s}{t'}$=$\frac{0.1m}{1s}$=0.1m/s；
電動機(jī)輸出的機(jī)械能為：E_機(jī)=E_重物=$\frac{1}{2}$mv²+mgh=$\frac{1}{2}$×0.1×0.1²+0.1×10×0.8=0.8005J
電動機(jī)所做的功為：E=UIt=2×0.05×10J=1J；
電動機(jī)的機(jī)械效率為：η=$\frac{{E{\;}_機(jī)}}{{E_總^{\;}}}$×100%=$\frac{0.8005}{1}$×100%=80.05%
（4）可能跟電動機(jī)工作電壓（電流）有關(guān)或可能跟重物上升的高度有關(guān)等；
猜想一：想探究電動機(jī)的機(jī)械效率與電動機(jī)工作時間有關(guān)，應(yīng)采用控制變量法探究：控制電動機(jī)的工作時間改變，其他條件不變，然后分析機(jī)械效率的大�。�
故答案為：（1）0.08m/s；（2）1；前六秒內(nèi)物體所受拉力大于物體的重力；（3）見解答；（4）可能跟電動機(jī)工作電壓（電流）有關(guān)；想探究電動機(jī)的機(jī)械效率與電動機(jī)工作時間有關(guān)，應(yīng)采用控制變量法探究：控制電動機(jī)的工作時間改變，其他條件不變，然后分析機(jī)械效率的大�。�

點評 控制變量法是科學(xué)探究中的重要思想方法，它是初中物理中常用的探索問題和分析解決問題的科學(xué)方法之一．