第四章4.1b 杠杆的平衡条件
[学习目标]
1.理解杠杆的平衡;
2.理解杠杆的平衡条件;
3.通过动手实验,探究杠杆的平衡条件,学会列表收集数据,分析数据,得出结论,锻炼科学探究的能力.
4.说出杠杆的平衡条件,能用杠杆的平衡条件判断杠杆是否平衡并进行有关计算.
[知识解读]
1. 杠杆的平衡状态
杠杆的平衡是指杠杆静止不转动或杠杆匀速转动。有的同学会错误的认为只有当杠杆在水平位置静止时才处于平衡状态,其实只要杠杆静止,无论水平与否,均处于平衡状态,当然,当杠杆匀速转动时,如风扇的扇叶匀速转动,也是平衡的。
2. 杠杆的平衡条件:
当杠杆处于平衡状态时,通过实验探究,可以知道杠杆满足的平衡条件为:
动力×动力臂=阻力×阻力臂
写作:F1·L1=F2·L2, 或
说明:动力臂L1是阻力臂L2的几倍,动力F1就是阻力F2的几分之一。
[概念辨析]
1. 为什么实验前要调节平衡螺母,使杠杆在水平位置平衡?
实验过程中,当杠杆水平静止时,且作用在杠杆上的力为竖直方向时,力臂恰好与水平杠杆重合,这样我们就可以直接从右刻度的杠杆上读出力臂的数值。
2. 实验前如何调节平衡螺母?
如图1所示,实验前要调整杠杆在水平位置平衡,可以进行的操作是把左面的A螺母向右调,或将右边的B螺母向右调。
仔细体会,我们发现有这样一个简单的方法判定:不管左边还是右边的平衡螺母,杠杆哪一边高就往哪一边调。
[实验指导]
实验:探究杠杆的平衡条件
1、实验目的:探究杠杆的平衡条件
2、实验器材:带有刻度的杠杆、铁架台、测力计、钩码和线
3、实验步骤:
(1)调节平衡螺母,如图2所示,使杠杆在水平位置平衡。
(2)用线系着钩码,分别挂在杠杆两侧,调节到杠杆在水平位置再次平衡,如图3所示,记录此时的动力、阻力、动力臂、阻力臂的数值,填入表中。
(3)改变钩码个数和位置,使杠杆再次平衡。记录数据填在表中。共做4组。
实验序号 动力F1(牛) 动力臂l1(米) 动力×动力臂F1 l1(牛·米) 阻力F2(牛) 阻力臂l2(米) 阻力×阻力臂F2 l2(牛·米)
1
2
3
4
(4)用线系着钩码,分别挂在杠杆一侧,在同一侧用测力计竖直向上拉,使杠杆达到水平位置平衡,如图4所示,以测力计拉力为动力F1,钩码的重力为阻力F2,记录数据在下表中。改变钩码的个数和位置,如图5所示,再次重复实验,记录数据。共做2组。
实验序号 动力F1(牛) 动力臂l1(米) 动力×动力臂F1 l1(牛·米) 阻力F2(牛) 阻力臂l2(米) 阻力×阻力臂F2 l2(牛·米)
1
2
4、分析实验数据,得出结论:杠杆的平衡条件是: 公式 。
[注意事项]
1. 在安装杠杆时,要注意检查杠杆是否与支架碰触,尽量减小摩擦,可以提高实验的准确性。
2. 实验前调节平衡螺母使杠杆水平位置平衡后,在实验过程中,不能再调节平衡螺母。
3. 在实验步骤4中,拉弹簧秤时应注意竖直方向,不能斜拉,否则读出的支点到拉力作用点的距离不等于该力的力臂,造成错误。
【经典例说】
【例1】在“研究杠杆的平衡条件”的实验中,首先把杠杆的中点支在支架上,调节___ ,使杠杆在水平位置上平衡。这是为便于__________________________________。实验中需要测定的物理量是动力、 、 、阻力臂。实验结论是 ,即F1l1= 。
【思路点拨】实验题主要考察实验操作的过程,要求对实验过程中的关键步骤不仅会操作,而且知道其原因。其次要记住和理解实验结论。
【解答】本题正确答案为:平衡螺母;直接在杠杆上读出力臂的大小;阻力;动力臂;
当杠杆平衡时,动力×动力臂=阻力×阻力臂;F1l2。
【例2】如图所示,曲杆B点挂重物G,求作用于A点且使曲杆在图示位置平衡的最小力的方向(设杆平衡时在图示位置静止)。
【解答】由F1·L1=F2·L2得:F1=。式中,F1、L2可视为确定值,故只有在L1取得最大值时,F1方取得最小值。由图中几何关系分析可知,L1的最大值即为OA连线的长,因此所求最小力F1的方向为:过A点且与OA连线垂直向下。
【点拨】作用在杠杆上某一点的若干个力的力臂中,最大的力臂为支点到该点的连线,当然最小的力一定在垂直于该连线的方向上。
【举一反三】如下图所示,在杠杆的B点分别用F1、F2、F3三个力提起重物时,均能使杠杆处于平衡.那么( )
A. F1最小;
B. F2最小
C. F3最小;
D. 三个力一样大。
本题正确答案为B
【例3】.如图所示,独轮车车斗和车内的煤受到的总重力为900 N,可视为作用于A点.车轴为支点,将车把抬起时,作用在车把向上的力是多少牛
【思路点拨】分析此题,关键是把独轮车看成一个杠杆,O点为支点,OA为阻力臂;手所在的位置是动力作用点,动力的方向竖直向上,从O点作动力作用线的垂线段为动力臂,动力臂为30 cm+100 cm=130 cm.这样,我们可利用杠杆平衡公式F1·L1=F2·L2,求出人作用在车把上的动力。
【解答】∵F1·L1=F2·L2
∴
【例4】如下图所示,把铁棒的一端用轴固定在竖直墙面上,在杆的另一端加一个始终跟铁棒垂直的力F,使铁棒绕轴转动,在铁棒从图示位置顺时针缓慢转动到水平位置过程中,力F的变化情况是( )
A.保持不变
B.先变小后变大
C.逐渐变大
D.逐渐变小
【思路点拨】铁棒在力的作用下绕固定轴转动,相当于一根杠杆。外力F是动力,铁棒的重力是阻力.铁棒重心的位置不变化,在铁棒转动过程中,力F的力臂始终不变(垂直铁棒);重力大小保持不变,但重力的力臂不断变大。
铁棒在转动过程中FL=GLGF=G.由于LG变大,L、G保持不变,所以在转运过程中F变大.
【解答】本题正确答案为C
【例5】一条扁担长1.2米,左端系100牛的重物,右端系50牛的重物,肩头应担在距左端多少米处,才能使扁担水平平衡
【思路点拨】扁担可视为一根杠杆,支点为肩头,因扁担水平平衡,且两力均竖直向下,支点两端长分别为两个力臂,用杠杆平衡条件可求解。
【解答】 F1=100N,F2=50N,设肩头距左端L1,扁担长L,则距右端L2=L-L1,由平衡条件F1L1=F2L2=F2(L-L1),故:
L1=L=×1.2m=0.4m
[跟踪训练]
一、填空题
1.杠杆平衡是指杠杆处于____________状态或____________状态,杠杆的平衡条件是______________。
2.用杠杆撬重物,已知阻力臂是动力臂的四分之一,那么要撬起600 牛的重物,动力应为_________牛。
3.如图所示为使杠杆平衡,F1、F2、F3三力分别作用在A点,其中_______最小。
4.如图所示,为了使车轮越过障碍物,在沿轮胎的边缘和方向不同的作用力,最省力的作用在 点。
5.用动力臂150厘米、阻力臂30厘米的撬杠撬起3000牛的石头,所用的动力至少要______牛。
6.有一根杠杆长0.4米,左端挂50牛的物体,右端挂150牛的物体,要使杠杆平衡,支点应距左端_______________米。
二、选择题
7.如图所示,杠杆水平位置静止,若将两边的砝码数都增加到原来的三倍,则杠杆 ( )
A.左端降低,右端升高 B.右端降低,左端升高
C.保持水平不动 D.无法确定
8.如图所示的杠杆在水平位置处于平衡状态,若在A处的钩码组下再挂一个同样的钩码,要使杠杆重新恢复到水平位置平衡,则必须( )
A.在B处钩码下再加挂一个同样的钩码
B.在B处钩码下再加挂一个同样的钩码并移到C处
C.在B处钩码下再加挂一个同样的钩码并移到D处
D.把B处钩码移到C处
9.如图,粗细均匀的直尺AB,将中点O支起来,在B端放一支蜡烛,在AO的中点C上放两支蜡烛,如果将三支完全相同的蜡烛同时点燃,它们的燃烧速度相同.那么在蜡烛燃烧的过程中,直尺A B 将 ( )
(A)始终保持平衡
(B)蜡烛燃烧过程中A端逐渐上升,待两边蜡烛燃烧完了以后,才恢复平衡
(C)不能保持平衡,A端逐渐下降
(D)不能保持平衡,B端逐渐下降
10.如图所示,一直杆可绕O点转动,杠杆下端挂一重物,为了提高重物,用一个始终跟杠杆垂直的力F使杠杆由竖直位置慢慢转到水平位置,在这个过程中力F的大小( )
(A)始终不变 (B)先变大后变小
(C)先变小后变大 (D)逐渐变大
三、计算题
11.某同学用长1.8 m的扁担挑水,甲桶重为200 N,乙桶重为160 N,问甲桶应距人肩多远扁担才能平衡?
12.用杆秤称物体时,杆秤处于如图所示的平衡状态,已知提钮到秤钩A的距离为5厘米,提钮到秤锤B的距离为25厘米。
(1)求物体受到的重力为多少?。(杆秤重力不计)
(2)若用此秤称重力为30牛的物体,求提钮到秤锤的距离为多少?
四、实验题
13、根据“研究杠杆平衡条件”的实验,完成下列填空:
(1)某同学在调节杠杆水平位置平衡时,发现杠杆的右端翘起,他可以调节右端的螺母,使它向____移动,或者调节左端的螺母,使它向______移动(选填“左”或“右”),直到杠杆在_________________上平衡。
(2)操作时,先把钩码分别挂在杠杆的两侧,改变钩码的 ,或者钩码在杠杆上的 ,使杠杆 。
(3)下表是该同学在实验时测得的三组数据,请在表格的空白处再设计两项内容,并将计算结果填上,然后由此结果归纳出杠杆的平衡条件: 。
实验序号 动力F1(牛) 动力臂l1(米) 阻力F2(牛) 阻力臂l2(米) 阻力×阻力臂F2 l2(牛·米)
1 2 5 1 10
2 3 6 2 9
3 4 10 8 5
(4)如图所示,如果竖直作用在杠杆的弹簧秤拉力F为4牛,每个钩码的重力为1牛,杠杆在水平位置______平衡(选填“能”或“不能”),为什么?
答案
1、 填空题
1.静止;匀速转动;动力×动力臂=阻力×阻力臂(或F1·L1=F2·L2)。 2.150。
3.F2。 4.B 5.600。 6.0.3。
2、 选择题
7.C 左右两边各增大3倍后,比较左边6(个钩码)×2格=12。右边3(个钩码)×4格=12。两边的转动效果相同,所以保持不动;选C。
8.D 当左右两边钩码数×格数相同时,杠杆水平平衡,据此选D。
9.A 蜡烛燃烧速度相同,假设杠杆右边蜡烛燃烧一半,杠杆右边两支蜡烛也燃烧一半,两边力×力臂的乘积仍相同,所以保持不动,据此选A。
10.D 旋转过程中,G的大小不变,但G的力臂L2在逐渐变大;F的力臂L1不变,要使F和L1的乘积始终等于G×L2,F就要逐渐增大,所以正确答案为D。
3、 计算题
11.
解:F1=200N,F2=160N,设甲桶距肩头L1,扁担长L,则距右端L2=L-L1,由平衡条件F1L1=F2L2=F2(L-L1),故:
L1=L=×1.8m=0.8m
答:甲桶应距人肩0.8米时扁担才能平衡。
12 .
解:(1)因为F1L1=F2L2
所以F2= F1L1/ L2=25cm×10N/5cm=50N
答:物体受到的重力为50牛。
(2)因为F1L′1=F′2L2
所以L1'= F2'L2/ F1=30N×5cm/10N=15cm
答:距离为15厘米。
4、 实验题
13.(1)右;右;水平位置。
(2)个数 ;位置;在水平位置再次平衡。
(3)当杠杆平衡时,动力×动力臂=阻力×阻力臂(或F1·L1=F2·L2)
实验序号 动力F1(牛) 动力臂l1(米) 阻力×阻力臂F1 l1(牛·米) 阻力F2(牛) 阻力臂l2(米) 阻力×阻力臂F2 l2(牛·米)
1 2 5 10 1 10 10
2 3 6 18 2 9 18
3 4 10 40 8 5 40
(4)不能,因为弹簧秤的拉力和钩码的作用力都使杠杆沿顺时针方向转动,尽管两个力和它们的力臂乘积相同,但作用效果没有相反,因此不能平衡。
A
B
图1
图3
图2
图4
图5
例题2图
例题3图
例题4图
例题4正解图
第3题图
第4题图
第7题图
第8题图
第10题图
第9题图
第12题图
第13题图