第4节 简单机械（课件 100张ppt）

(共100张PPT)
第3章 能量的转化与守恒
第4节 简单机械
学习目标
1.能明确杠杆的支点、动力、阻力、动力臂和阻力臂，举例说明生活中的杠杆和人体中的杠杆。
2.会绘制杠杆的动力臂和阻力臂。
3.理解杠杆平衡原理，并能应用杠杆的平衡条件解决简单的问题，会识别省力杠杆和费力杠杆。
4.了解定滑轮、动滑轮和滑轮组的特点和实质，知道杠杆使用过程中能量的转化。
5.理解机械效率，识别有用功、额外功和总功，区别机械功率和机械效率，能测量并计算简单机械的机械效率。
知识点1 杠杆 重点
1.教材第87页活动：认识杠杆
实例
共同特征 （1）均是硬棒（形状可直可弯，可方可圆，但质地要坚硬）；
（2）工作时都受到两个作用效果相反的力（一个能使它转动，一个阻碍它转动）；
（3）工作过程中都绕着一个固定点转动
杠杆的含义：如果一根硬棒在力的作用下能够绕着固定点转动，这根硬棒就叫做杠杆。（杠杆的形状各异，可以是直的，也可以是弯的，但一定是硬的。）
归纳总结
一根棒成为杠杆的条件
1.要有力的作用。例如，撬棒在没有使用的时候只是一根硬棒，而不是一个杠杆。
2.能绕着固定点转动。杠杆在力的作用下,是绕固定点转动的,不是整体向某个方向运动（如平动）的。
3.是硬的,受力时不易发生形变。
2.杠杆的五个要素
五要素 物理含义及表示 图示
支点
动力
阻力
动力臂
阻力臂
3.对杠杆五个要素的理解
典例1 关于杠杆的五个要素,下列说法中正确的是( )
D
A.力臂一定在杠杆上
B.作用在杠杆上的动力、阻力的方向一定相反
C.力臂是支点到力的作用点的距离
D.力的作用线通过支点时其力臂为零

4.杠杆作图
（1）力臂常见的三种表示方法,如图所示。
（2）力臂的画法
步骤 画法 图示
先假设杠杆转动,则杠杆上相对静止的点即为支点
步骤 画法 图示
第二步：确定动力和阻力的作用线 从动力作用点、阻力作用点沿力的方向分别画直线或反向延长线,即动力、阻力的作用线
第三步：画出动力臂和阻力臂，并标注 从支点向力的作用线作垂线段,在垂线段旁标注力臂的名称
（3）画杠杆的力臂时需要注意的事项
①力臂是支点到力的作用线的距离,是支点到力的作用线的垂线段的长度,不能把力的作用点到支点的距离作为力臂,不要出现如图所示的错误。
②如图所示，当表示力的线段比较短时,过支点无法直接作出垂线段,可将力的作用线延长,然后过支点作延长线的垂线段，即为力臂。注意延长部分要用虚线表示,相当于数学作图中的辅助线。
（4）已知力臂画力
步骤 画法 图示
第一步:确定力的作用线
第二步：确定力的作用点 动力必然作用在杠杆上,所以动力作用线与杠杆的交点就是动力作用点
第三步：画出力的方向，并标注
（5）常见杠杆及其五个要素
实例 图示 示意图
钓鱼竿
羊角锤
实例 图示 示意图
起道钉
压水井
5.人体中的杠杆
意义 在人体中有不少骨骼也构成了杠杆，骨骼在肌肉拉力的作用下围绕关节转动，正是这些杠杆系统给予了人类完成各种动作的能力
人体杠杆系统的组成部分 ①骨——一根硬棒；
②肌肉收缩——动力的来源；
③两根骨之间可以活动的关节——支点；
④移动肢体或物体——阻力来源
人体的杠杆实例


[答案] 如图所示。
知识点2 杠杆的平衡条件 重点
1.杠杆平衡：杠杆在动力和阻力的作用下，保持静止状态或匀速转动状态，我们就说杠杆处于平衡状态。
2.教材第89页探究：研究杠杆的平衡
提出问题 当杠杆平衡时，动力、动力臂和阻力、阻力臂之间存在怎样的定量关系？
猜想与 假设
实验设计 杠杆处于静止状态（杠杆静止和匀速转动都是平衡状态，为研究方便选用前者）时，分别测出动力F1、阻力F2、动力臂l1和阻力臂l2，然后经过大量数据的对比、分析，归纳得出杠杆的平衡条件
实验步骤
实验步骤
数据分析 由实验数据可知，杠杆平衡时，如果动力臂比阻力臂大，则动力比阻力小；动力臂比阻力臂小，则动力比阻力大。如果把每次实验的动力与动力臂相乘，阻力与阻力臂相乘，虽然各次实验的乘积不相同，但每次实验中动力与动力臂的乘积跟阻力与阻力臂的乘积相等
实验结论
典例3 在做探究杠杆平衡条件的实验时，所用到的实验器材有：杠杆、铁架台和若干个完全相同的钩码。
（1） 在图甲中，要使杠杆水平平衡，应将右边的平衡螺母适当往____（选填“左”或“右”）调，而杠杆上标有刻度，目的在于方便测量______。
右
力臂
[解析] 实验前，杠杆左端下沉，说明杠杆的重心在支点的左侧，故应使重心向右移动，因此应将杠杆的平衡螺母适当往右调，直到杠杆在水平位置平衡。


（3） 进行多次实验的目的是______________________。
使实验结论具有普遍性
（4） 若将图丁中的杠杆两边各减少一个钩码，则杠杆将向______（选填“左边”或“右边”）下沉。
左边

知识点3 杠杆的应用 重点

（2）应用公式计算时,单位要统一,即动力和阻力的单位要统一,动力臂和阻力臂的单位要统一。



[答案] （1）如图丙所示。
（2）如图丁所示。



类型 省力杠杆 费力杠杆 等臂杠杆
示意图
力臂的大小关系
力的大小关系
类型 省力杠杆 费力杠杆 等臂杠杆
杠杆转动时力所移动距离的大小关系
特点 省力但费距离 费力但省距离 既不省力也不省距离,既不费力也不费距离
应用 撬棒、开酒瓶的起子、扳手、钢丝钳等 钓鱼竿、镊子、筷子、理发剪子等 托盘天平、跷跷板等
典例5 （2023·金华期末）2022年9月1日，神舟十四号航天员乘组首次出舱，此次出舱后，航天员通过问天实验舱上搭载的小机械臂完成了各项工作。该机械臂长五米，是目前精度最高的空间站机械臂，功能类似于人的手臂（杠杆），具有抓住、拉回、锁死等功能。下列工具在使用时与机械臂工作时属于同一类杠杆的是( )
A.羊角锤
B.起子
C.镊子
D.钢丝钳
[解析] 机械臂在使用过程中，动力臂小于阻力臂，是费力杠杆。羊角锤、起子、钢丝钳在使用过程中，动力臂大于阻力臂，都是省力杠杆；镊子在使用过程中，动力臂小于阻力臂，是费力杠杆，故C符合题意。
C
知识点4 滑轮 重点
1.教材第93页活动（上）：认识滑轮
（1）滑轮：一种周边有槽、可以绕着中心转动的轮子。如图甲所示。
（2）滑轮的分类：使用滑轮时，根据滑轮中轴的位置是否移动，可将滑轮分成定滑轮（如图乙）和动滑轮（如图丙）两类。定滑轮的轴固定不变，动滑轮的轴随钩码一起移动。
2.教材第93页活动（下）：探究滑轮的特点
探究定滑轮的特点 探究动滑轮的特点
实验器材 弹簧测力计、钩码（多个）、滑轮、铁架台、细绳
实验步骤 ①如图甲所示，用弹簧测力计测出钩码的重力G1 。 ②如图乙所示，通过定滑轮用弹簧测力计勾速（使钩码处于平衡状态，便于读弹簧测力计示数）向下拉动钩码，记录弹簧测力计的读数 ，并与钩码的重力相比较。改变拉力的 方向，如图丙所示， 观察弹簧测力计的读 数是否发生变化 先用弹簧测力计测出钩码和滑轮的总重力G总，再用如图所示装置，通过动滑轮用弹簧测力计匀速向上拉动钩码，记录弹簧测力计的
读数F1 ，并与
钩码和滑轮的
总重相比较
探究定滑轮的特点 探究动滑轮的特点
实验现象
实验结论 使用定滑轮不能省力，但能改变力的作用方向 使用动滑轮可以省一半力，但不能改变力的作用方向
特别提醒
1.实验中安装定滑轮时,注意绳子要放在槽内,以免绳子脱落使摩擦变大,影响实验效果。
2.实验中,注意要使动滑轮两侧的绳子平行或夹角很小。
3.实验中应选用重一些的钩码、较轻的动滑轮、光滑的细绳，以减小摩擦力、动滑轮自重对实验的影响。
4.实验中要保证轮和轴间有良好的润滑,以减小摩擦。
3.教材第94页活动：定滑轮和动滑轮的实质
种类 实质 示意图 作用的分析
定滑轮 能够连续转动的等臂杠杆
动滑轮 动力臂是阻力臂二倍的杠杆



图示 等量关系
定滑轮
图示 等量关系
动滑轮

30
15
60
知识点5 滑轮组
1.概念：滑轮组是定滑轮和动滑轮组合成的装置。
2.教材第95页活动：探究滑轮组的省力情况
实验步骤及数据 记录
实验步骤及数据 记录 实验数据如下表：
数据分析
实验结论 重物与动滑轮的总重由几股绳子承担，提起重物所用的力就是总重的几分之一
3.滑轮组的特点
（1）使用滑轮组时，既可以省力，也可以改变力的方向。





170
2

4.滑轮组的组装

（2）绕绳方式的判断——“奇动偶定法”

（4）确定定滑轮的个数
典例8 在图中画出使用该滑轮组提升重物时最省力的绳子绕法。
[答案] 如图乙所示。
[解析] 绳子的固定端如果在动滑轮上,如图甲所示,则有一个动滑轮没有用上,不是最省力的绕法,所以本题最省力的绳子绕法如图乙所示,绳子的固定端在定滑轮上,承担物重的绳子段数为4。
知识点6 机械效率
1.问题探究：使用动滑轮是否省功
实验过程与记录
实验过程与记录 （2）如图乙所示,第2次，用弹簧测力计和一个动滑轮将同样的钩码缓慢地提升相同的高度,将相应数据填入表格中。
（3）计算两次实验中拉力所做的功
实验结论 实验结果表明,虽然在两次实验中钩码被提升相同的高度,但第二次拉力做的功要多一些。这说明,尽管使用动滑轮会省力,但由于滑轮本身所受的重力以及摩擦等因素的影响,使用动滑轮时我们要多做功
2.有用功、额外功和总功
有用功
额外功
总功
说明 对于不同的目的，有用功和额外功会发生改变，如用水桶从井里提水的过程中，对桶中的水所做的功为有用功，而对水桶做的功为额外功；但当水桶不小心掉入井中，我们想办法从井中将水桶捞出时，对水桶所做的功为有用功，而对残留在水桶中的水所做的功为额外功。
归纳总结
三种简单机械的有用功、额外功、总功的比较
杠杆 滑轮组 斜面
图示
有用功
杠杆 滑轮组 斜面
额外功
总功
三者关系

（1） 人所做的有用功；


（2） 人所做的总功；


（3） 人所做的额外功。


3.机械效率
（1）定义及计算公式
定义
公式
特别提醒
对机械效率的理解
（1）机械效率由有用功和总功决定，它表示的是有用功占总功的比例，不能反映有用功和总功的多少。
（2）机械效率总是小于1，这是因为使用任何机械都不可避免地要做额外功，所以有用功总是小于总功。
（3）机械效率不是固定不变的，机械效率反映的是机械在一次做功过程中有用功跟总功的比值，同一机械在不同的做功过程中，机械效率往往会不同。
（4）机械效率的高低与是否省力、具体做功的多少、物体提升的高度等无关。
（2）提高机械效率的途径
①在所做有用功不变的情况下减少额外功。如改进结构使机械更合理、更轻巧，尽量减小摩擦力等。
②在所做额外功一定的情况下，增加有用功。如在机械能承受的范围内增加每次提起重物的重力。
（3）
实验步骤及数据记录
实验步骤及数据记录 ⑤改变斜面的倾斜程度，重复上述步骤。实验测量结果见下表：
⑥比较每次的机械效率
实验结论 对于光滑程度相同的斜面，倾斜程度越大，机械效率越高
归纳总结
机械 装置图 计算公式
杠杆
机械 装置图 计算公式
滑轮组 竖直提升物体
机械 装置图 计算公式
滑轮组 水平匀速拉物体
斜面

C


知识链接
提高斜面和杠杆的机械效率的方法
1.对斜面来说：
（1）当斜面的倾斜程度一定时，斜面越光滑，效率越高；
（2）当斜面的光滑程度相同时，倾斜程度越大，机械效率越高。
2.对杠杆来说：
（1）杠杆自身的重力越小，其机械效率越高；
（2）减小杠杆转动时的摩擦也能提高其机械效率。
题型 1 杠杆的要素及分类 ★★


省力

方法点拨
支点是杠杆绕着转动的固定点，所以判断支点位置的关键是看杠杆绕着哪个点转动。
解题通法
判断杠杆种类的方法
方法一:通过动力臂和阻力臂的大小关系判断，对于较复杂的杠杆，可先在图上找到动力臂和阻力臂，然后比较力的大小关系；
方法二:从应用目的上进行判断，省力杠杆一般在阻力很大的情况下使用，以达到省力的目的，而费力杠杆在阻力不大的情况下使用，目的是省距离。
题型 2 关于杠杆的作图
角度1 力臂作图（易错） ★★★


[答案] 如图所示。
易错警示
（1）画力臂时注意力臂是“支点到力的作用线的距离”,而不是“支点到力的作用点的距离”。
（2）因支持力小于重力，注意表示支持力的线段长度要比表示重力的短。
解题通法
画力臂的方法
角度2 最小力作图 ★★★

[解析] 木箱向左翻转，则木箱左下角与地面的接触点为支点；由杠杆平衡条件可知，在阻力与阻力臂一定的情况下，动力臂越大，动力越小，由图示可知，当木箱的面对角线为动力臂时，动力臂是最大的，动力是最小的，动力的方向垂直于动力臂斜向上，如图所示。
[答案] 见解析图。
方法点拨
找最长动力臂的方法
根据杠杆平衡条件画出最小力的实质是寻找最长力臂。
（1）如果动力作用点已经给出,则支点到动力作用点的距离就是可作出的最长动力臂;
（2）如果动力作用点没有确定,则选择杠杆上离支点最远的点作为动力作用点,支点到动力作用点的距离即为可作出的最长动力臂。
题型 3 探究杠杆的平衡条件 ★★★★
典例14 在做“探究杠杆的平衡条件”实验时。
（1） 实验前，将杠杆置于支架上，当杠杆静止时，发现左端下沉，如图甲所示，
右
水平
此时，应把杠杆的平衡螺母向____（选填“左”或“右”）调节，直至杠杆在______（选填“任意”或“水平”）位置平衡。

3
不能

（3） 为了使实验结论具有________（选填“普遍性”或“偶然性”），应改变钩码个数及悬挂位置，多次进行实验。
普遍性

0.25

题型 4 杠杆平衡条件的分析 ★★★★

A
A.先变大，后变小 B.先变小，后变大
C.一直变大 D.一直变小

方法点拨
轨迹法分析杠杆的动态平衡
分析杠杆的动态平衡问题的核心是分析力臂的变化，可以按照以下步骤进行。
第一步：根据题设条件,作出力的作用点或力的变化轨迹。
第二步：在该运动轨迹上取点,作出相应的力的作用线。
第三步：由支点向力的作用线作垂线段,分析力臂的变化规律。
第四步：结合杠杆的平衡条件分析解答。
题型 5 杠杆平衡条件的应用 ★★★★




丙


[答案] 见解析
丁

方法点拨
利用杠杆平衡条件解决实际问题的步骤
题型 6 滑轮组的计算
角度1 理想状态下滑轮组的计算 ★★★

1 000


角度2 非理想状态下滑轮组的计算 ★★★

（1） 动滑轮的重力；


（2） 将石块从井底拉至井口的过程中，汽车拉绳子的拉力对滑轮组做的功。



角度3 水平方向滑轮组的计算 ★★★★

1
0.2



题型 7 滑轮组的绕绳 ★★★

[答案] 如图所示。

方法点拨
确定滑轮组绕绳方法的步骤
易错警示：滑轮组绕绳时的注意事项
（1）同一滑轮不能重复绕绳；（2）所绕的绳应画成直线。
题型 8 有用功、额外功和总功的计算 ★★★

（1） 工人做的总功；


（2） 工人做的额外功。



题型 9 机械效率的计算
角度1 杠杆的机械效率 ★★★

18
20




角度2 滑轮组的机械效率 ★★★



方法点拨
计算滑轮组的机械效率的三种方法
方法1
方法2
方法3
角度3 斜面的机械效率 ★★★★

（1） 货车从山底开到山顶所做的有用功；


（2） 山坡的机械效率。



角度4 组合机械的机械效率（易错） ★★★★







题型 10 测量滑轮组的机械效率 ★★★★
典例26 如图是智慧小组“测滑轮组的机械效率”的实验装置，测得的实验数据如表所示。
实验次数
1 1 0.1 0.6 0.3
2 2 0.1 1.0 0.3
3 4 0.1 1.8 0.3
（1） 实验过程中，应竖直向上______拉动弹簧测力计。
匀速
（3） 分析表中实验数据可知，同一滑轮组，物重______，滑轮组的机械效率越高。
越大

0.54

（2） 第3次实验中滑轮组的机械效率是_______。



C
A.测拉力时，弹簧测力计未调零，指针指在零刻度线下方
B.弹簧测力计每次拉动物体时均加速上升
C.所使用的动滑轮的重力小于智慧小组的
[解析] 测拉力时，弹簧测力计未调零，指针指在零刻度线下方，拉力的测量值偏大，机械效率偏低，不符合题意。弹簧测力计每次拉动物体时均加速上升，拉力变大，机械效率变小，不符合题意。使用的动滑轮的重力小于智慧小组的，克服动滑轮重做的功减小，额外功减小，机械效率变大，符合题意。故选C。
谢谢大家！