第8章 机械与人
第1节 简单机械(2~3分)
【知识清单】
考点1杠杆
1.定义:在力的作用下能 的硬棒。
2.杠杆的五要素(如图所示)。
(1)支点:杠杆可以绕着转动的点O。
(2)动力:使杠杆转动的力F1。
(3)阻力:阻碍杠杆转动的力F2。
(4)动力臂:从 到 作用线的距离L1。
(5)阻力臂:从 到 作用线的距离L2。
3.杠杆的平衡条件
(1)杠杆平衡:当杠杆在动力和阻力的作用下静止时,我们就说杠杆平衡了。
(2)平衡条件: ,或写为F1L1=F2L2。
考点2杠杆的分类和应用
省力杠杆 费力杠杆 等臂杠杆
示意图
力臂 关系 L1① L2 L1③ L2 L1⑤ L2
力的 关系 F1② F2 F1④ F2 F1⑥ F2
特点 省力费距离 费力省距离 不省力也不费距离
应用举例 撬棍、羊角锤、钢丝钳、手推车 钓鱼竿、筷子、镊子、缝纫机脚踏板 天平、跷跷板、定滑轮
考点3滑轮
定滑轮、动滑轮和滑轮组(不计滑轮重和摩擦)
定滑轮 动滑轮 滑轮组
示意图
定义 使用过程中,轴① 的滑轮 使用过程中,轴④ 的滑轮 定滑轮和动滑轮的组合
实质 等臂杠杆 动力臂为阻力臂⑤ 倍的省力杠杆 \
特点 ② 省力,③ 改变力的方向 省力,不能改变力的方向 既能省力又能改变力的方向
F与G的关系 F1=G F2=G F3=G
s与h的关系 s=h s=2h s=nh
考点4其他简单机械
斜面:与水平面成一定角度的平面。 力 距离,斜面高度不变时,斜面越
越省力。
2.轮轴:
(1)定义:由具有公共转轴的大轮和小轮们组成。通常把大轮叫轮,小轮叫轴。轮轴可以看成是
的变形。
(2)实例:门把手、汽车方向盘、扳手。
【核心突破】
核心一 杠杆力臂的画法
如图所示,拉杆旅行箱静止在水平地面上,请画出拉力F的力臂L。
1.(教学情境)为了更好地开展网上直播教学,物理老师自制了“手机支架”来录制在本子上书写的解题过程。如图所示,将手机放在水杯上,用铁锁压在手机右端,防止手机掉落。如果把手机看作一个杠杆,O为支点,请画出阻碍手机掉落的力的示意图和该力的力臂。
核心二 作杠杆最小动力
下图是羊角锤的示意图,请画出用羊角锤撬铁钉时的最小动力F1的示意图。
2.(生活中的杠杆)一个电热水壶的简易图如图所示,请在图中画出它所受重力的示意图(B为重心);用力作用在壶盖上的A点时,可将壶盖打开,请在A点画出所需最小力F的示意图(O为支点)。
核心三 杠杆动态平衡分析
如图,用一个始终水平向右的力F,把杠杆OA从图示位置缓慢拉至水平的过程中,力F的大小将 ( )
A.变大
B.不变
C.变小
D.不能确定
“四步法”画杠杆力臂
求杠杆最小动力的方法
1.根据F1= 可知,当L1最大时,动力F1最小。
2.找到杠杆上离支点最远的点,作为动力作用点,其到支点的距离即为最大动力臂,对应的动力最小。
利用杠杆的平衡条件分析问题时,要找出不同情况的瞬间,分别画出动力臂和阻力臂,再根据题目的已知条件找出四个量中不变的量和变化的量,最后再根据杠杆的平衡条件判断需要分析的物理量的变化情况。
3.如图所示,在探究杠杆平衡条件的实验中,杠杆处于水平平衡状态。若在杠杆两端的钩码上分别加挂一个完全相同的钩码,则 ( )
A.杠杆不能水平平衡,左端上升
B.杠杆不能水平平衡,右端上升
C.杠杆仍能处于水平平衡状态
D.以上说法都不正确
核心四 滑轮及滑轮组分析
工人用如图所示的装置运送砂石,下列说法正确的是 ( )
A.滑轮组中的定滑轮能改变拉力的大小
B.图中动滑轮相当于一个省力杠杆
C.绳子自由端下拉1 m,桶上升2 m
D.质量为65 kg的工人利用该滑轮组能提起150 kg的砂石
4.如图所示,G=80 N,在力F的作用下,滑轮以0.4 m/s的速度匀速上升,不计摩擦及滑轮重,则物体的速度和力F的大小分别是 ( )
A.0.8 m/s,160 N B.8 m/s,40 N
C.0.4 m/s,160 N D.2 m/s,40 N
定滑轮实质是等臂杠杆,能改变力的方向,但不能改变力的大小;动滑轮实质是动力臂等于阻力臂二倍的杠杆,属于省力杠杆;由图知, n=2,拉力端移动距离s=2h;工人提供的最大拉力等于自身重力;利用该滑轮组能提起的最大物重G最大=2F最大,利用G=mg求提升最大质量。
真题精粹——福建8年真题精选及拓展
考向1一材多点情境分析
1.(2023·福建节选)如图所示,民间有“做白粿迎新春”的传统习俗。制作白粿时,先将浸泡过的米放在木桶中蒸熟,再放入石臼中用木棰捶打,最后搓揉成形。据此回答问题。
(3)捶打时,木棰相当于一个 杠杆。白粿被搓揉成圆条形,说明力可以改变物体的 。
考向2杠杆的分类 (8年2考)
2.(2024·福建节选)木雕是工匠智慧和艺术修为的价值体现,锯木、刨料、风干、雕刻、开榫、组装、打磨、油漆,每一环节都讲究科学的工艺流程。结合上述材料回答问题。
如图,雕花时,正在挑起木屑的刻刀属于 杠杆。刻刀要磨锋利使用,是为了增大 。
(2019·福建)如图,这是我国古代劳动人民在工地上运送巨木的情景。架在支架上的横杆属于 (选填“省力”“费力”或“等臂”)杠杆;支架下面垫有面积较大的石块,是为了
(选填“增大”或“减小”)对地面的压强。
4.(2017·福建)如图所示,撬起瓶盖的起瓶器属于 (选填“省力”“费力”或“等臂”)杠杆,其支点是图中 点。
考向3杠杆平衡条件的应用 (8年2考)
5.(2018·福建)《墨经》最早记述了秤的杠杆原理。图中“标”“本”表示力臂,“权”“重”表示力。以下说法符合杠杆平衡原理的是 ( )
A.“权”小于“重”时,A端一定上扬
B.“权”小于“重”时,“标”一定小于“本”
C.增大“重”时,应把“权”向A端移
D.增大“重”时,应换用更小的“权”
6.(2022·福建)如图,用大小相同的力,分别在不同位置按图示方向开门,最容易的是 ( )
A B C D
【导向分析】关注教材素材,并以多种角度进行分析。
考向4杠杆的相关作图 (8年3考)
7.(2021·福建)请在图中画出使用铡刀时,动力F的力臂l。
【热点预测】
1.如图所示,用力打开夹子过程中,标注的夹子支点、动力、阻力正确的是 ( )
A B
C D
【考向分析】 本题结合生活中的小物件考查杠杆模型的匹配和应用,符合课标中对于物理走向生活的课程导向。
2.小明去超市买了两款不同品牌的牙膏,如图甲和乙,细心的小明发现图甲牙膏盖刻有很多细长条纹,而图乙牙膏盖却没有条纹,比较光滑。请你用学过的物理知识解释上述两种牙膏盖的不同设计原理,并指出哪种设计更加环保
【考向分析】 生活中的真实情境改编,关注生活用品展示的物理现象,并用物理原理进行解释。
实验探究——学科核心素养提升
【实验导航】
实验:探究杠杆的平衡条件
实验装置图: 实验器材:杠杆、钩码、弹簧测力计等 实验操作: (1)实验前,让支点处于杠杆中央,调节杠杆在水平位置平衡的目的:避免杠杆① 对实验的影响。 (2)实验中,调节杠杆在水平位置平衡的目的:便于直接读取② 。 (3)杠杆的调节:实验前平衡螺母左高③ 调,右高④ 调。杠杆平衡后,实验过程中不能再调节平衡螺母
杠杆的平衡条件:动力×动力臂=阻力×阻力臂,即⑤
【实验母题】
某实验小组的同学利用如图所示装置进行杠杆平衡条件的探究,每个钩码均重0.5 N。
设计实验与制订计划
(1)在杠杆上挂钩码前,杠杆静止在甲图中的位置,此时杠杆 (选填“平衡”或“不平衡”)。
(2)实验中,首先要调节杠杆两端的平衡螺母,其作用是使杠杆在 位置平衡,在该位置平衡的目的是 。
进行实验与收集证据
(3)在调节杠杆平衡时发现如图甲所示的情况,那么要将右端的平衡螺母向 (选填“左”或“右”)调节。
(4)请你设计记录实验数据的表格。
(5)某同学根据表格记录的数据得出杠杆平衡的条件为“动力+动力臂=阻力+阻力臂”,该结论违背了不同物理量间不能 (选填“加减”或“乘除”)的原则。
分析论证
(6)分析实验数据可知,杠杆平衡的条件为 。
评估
(7)图乙中,他用弹簧测力计在B处竖直向上拉杠杆到水平位置平衡,将杠杆调至水平平衡的目的是便于测量 ,此时测力计的示数为 N。若他将测力计沿图中虚线方向拉,仍使杠杆在水平位置平衡,测力计的示数将 (选填“变大”“不变”或“变小”)。
(8)此实验多次改变钩码的数量和悬挂位置以及弹簧测力计的位置,收集杠杆平衡时多组动力、动力臂、阻力和阻力臂的数据,其目的是 。
(9)完成上述实验后,这位同学继续利用杠杆平衡条件来测量杠杆自身的质量:
①如图丙,将杠杆的C点挂在支架上,在C点的右侧挂质量为m的钩码,左右移动钩码的位置,使杠杆在水平位置平衡;
②用刻度尺测出此时钩码悬挂位置D点到C点的距离L3和 点到C点的距离L4;
③根据杠杆平衡条件,可以计算出杠杆的质量m杠杆= (用题目中所给物理量符号表示)。
【参考答案】
知 识 讲 堂
知识清单
考点1:
1.绕固定点转动
2.(4)支点O 动力F1 (5)支点O 阻力F2
3.(2)动力×动力臂=阻力×阻力臂
考点2:
①> ②< ③< ④> ⑤= ⑥=
考点3:
①固定不动 ④随物体一起移动 ⑤2 ②不能 ③可以
考点4:
1.省 费 长
2.(1) 杠杆
核心突破
例题1 如图所示。
变式训练
1.如图所示。
解析:阻碍手机掉落的力是铁锁对手机的压力,其作用点在手机右端,方向垂直于手机向下;由图知,O为支点,由O点向铁锁对手机的压力F的作用线作垂线,垂线段长即为其力臂L。
例题2 如图所示。
变式训练
2.如图所示。
解析:重力作用点是重心B,从B点竖直向下画一带箭头的线段表示重力G;为使打开壶盖的力最小,根据杠杆平衡条件可知,动力臂要最长;壶盖上的O点为支点,OA为最长的动力臂,过A点作垂直于OA斜向上的动力F。
例题3 A
变式训练
3.B 解析:设一个钩码的重为G,一个格为L,若在杠杆两端的钩码上分别加挂一个完全相同的钩码,则F1'=3G,F2'=5G,则F1'l1=3G×4L=12GL,F2'l2=5G×2L=10GL,比较可知F1'l1>F2'l2,所以杠杆左端下沉,右端上升。
题4 B
变式训练
4.A
真 题 精 粹
1.(3)费力 形状
2.费力 压强
3.省力 减小
解析:由图知,架在支架上的横杆在使用过程中,动力臂大于阻力臂,是省力杠杆;支架下面垫有面积较大的石块,是在压力一定时,通过增大受力面积来减小对地面的压强。
4.省力 A
解析:根据起瓶器的使用可知,支点是A点,动力作用在手与起瓶器的接触点,阻力作用在B点,所以起瓶器在使用过程中,动力臂大于阻力臂,属于省力杠杆。
5.C 解析:根据杠杆平衡条件知,权×标=重×本。“权”小于“重”时,“本”确定,但“标”是可以改变的,所以A端不一定上扬,故A错误;“权”小于“重”时,由权×标=重×本知,“标”一定大于“本”,故B错误;增大“重”时,“权”和“本”不变,由权×标=重×本知,“标”会增大,所以把“权”向A端移,故C正确;增大“重”时,“本”不变,由权×标=重×本知,可以增大“标”,或增大“权”,故D错误。
6.C 解析:从杠杆的角度分析,C选项中的动力臂最大,打开门需要的力最小。
7.如图所示。
解析:延长动力作用线,由支点作动力作用线的垂线,则垂线段的长就是动力臂l。
热点预测
1.A
2.牙膏盖是轮轴,相当于省力杠杆,因为甲牙膏盖的动力臂小于乙牙膏盖的动力臂,所以甲比乙需要更大的动力来旋开牙膏盖;甲牙膏盖刻有条纹,增大接触面的粗糙程度从而增大摩擦力,便于旋开牙膏盖。甲用的材料较少,比较环保。
实 验 探 究
实验导航
①自身重力 ②力臂 ③左 ④右 ⑤F1L1=F2L2
实验母题
母题 (1)平衡 (2)水平 便于测量力臂 (3)右
(4)如表所示。
实验 序号 动力F1/N 动力臂 L1/cm 阻力 F2/N 阻力臂 L2/cm
1
2
3
(5)加减 (6)F1L1=F2L2 (7)力臂 1.5 变大
(8)求得普遍规律,避免偶然性
(9)O 第2节 功和机械能 机械效率(4~10分)
【知识清单】
考点1功
1.力学中的功
(1)定义:通常而言,如果一个力作用在物体上,物体在这个力的方向上 ,就说这个力对物体做了功。
(2)做功的两个必要条件:一是作用在物体上的力,二是物体在这个力的方向上 。
(3)不做功的三种情况
情况 有力无距离 (劳而无功) 有距离无力 (不劳无功) 力与距离垂直 (垂直无功)
示意图
说明 物体受到力的作用,但保持静止状态 物体没有受到力的作用,但因为惯性通过一段距离 物体受到力的作用,但运动方向始终与该力的方向垂直
举例 运动员举着杠铃在空中不动、搬而未起 踢出后在水平地面滚动的足球 提着滑板在水平路面前行
2.功的计算
(1)定义:力学中,功等于力与物体在力的方向上移动的距离的乘积。
(2)公式:W=Fs
(3)常见的功的估测:一个人爬一层楼所做的功约为1 800 J;将地面上的物理课本捡起来放到桌子上,人对课本做功约为2 J。
3.机械功原理:任何机械不能省功。
考点2功率
1.物理意义:表示 的物理量。
2.定义: 与 之比叫作功率,它在数值上等于力在单位时间内所做的功。
3.单位:国际单位是 ,简称 ,符号为 。 常用单位:千瓦(kW)、兆瓦(MW)。1 kW=103 W,1 MW=106 W。
4.公式:P=。推导公式:P=Fv。
5.常见功率估测:中学生跳绳的功率约为60 W,人爬楼的功率约为180 W。
考点3机械效率
1.有用功、额外功和总功
(1)有用功:无论是否使用机械, 的功叫作有用功,用W有表示。
(2)额外功:不是我们需要但又 的功叫作额外功,用W额表示。
(3)总功: 和 之和叫作总功,用W总表示。W总=W有+W额。
2.机械效率
(1)定义:物理学中,将 的比值叫作机械效率,用符号η表示。
(2)公式:η=×100%。
(3)理解:任何机械不能省功,由于 不可避免,有用功总是 总功,所以机械效率总 1。
3.提高机械效率的方法
(1)滑轮组:增加物重、使用轻质滑轮、减小摩擦。
(2)斜面:增大斜面倾角、减小摩擦。
考点4机械能
1.能量
(1)定义:物体能够对外 ,我们就说这个物体具有能量,简称 。
(2)单位:能量的单位是 ,符号是 。
(3)功与能量的关系:一个物体能够做的功越多,表示这个物体的能量越大。
2.动能
(1)定义:物体由于 而具有的能,叫作动能。
(2)影响因素:质量相同的物体,运动的速度越大,它的动能越 ;运动速度相同的物体,
越大,它的动能越大。
3.重力势能
(1)定义:物体由于受到重力并处在一定 而具有的能,叫作重力势能。
(2)影响因素:物体的 越大, 越高,它具有的重力势能就 。
(3)比较方法:质量相同时比较 ;高度相同时比较 。
4.弹性势能
(1)定义:物体由于 而具有的能,叫作弹性势能。
(2)影响因素:物体的 越大,它具有的弹性势能 。
5.机械能
(1)定义: 、 和弹性势能统称为机械能。
(2)单位: ,符号 。
6.机械能的转化
(1)转化的规律:减少的能量转化为增加的能量。
(2)人造地球卫星在运行过程中的能量转化:
近地点→远地点: 能转化为 能 远地点→近地点: 能转化为
能
7.机械能守恒:如果只有动能和势能的相互转化,机械能的总和保持 。
【提示】 题中如果有“在光滑斜面上滑动”,则“光滑”表示没有能量损失——机械能守恒;“在斜面上匀速下滑”表示有能量损失——机械能不守恒。
【核心突破】
核心一 做功与否的判断
(五育融合·劳育)学校组织大扫除时,小明从三楼的洗手池提水到三楼的教室清洗黑板,其中没有做功的环节是 ( )
A.把水桶从教室外水平提进教室
B.把水桶提高放在讲台上
C.将抹布拧干并举起
D.用力用抹布擦拭黑板
1.如图所示的几种情况中,人对物体做了功的是 ( )
拉车向前运动
B.搬而未动
C.离脚后运动的足球
D.将杠铃举着
不动
核心二 机械能及其转化
(重大科技)我国空间站绕地球沿椭圆轨道运动,当空间站从近地点向远地点运动的过程中 ( )
A.动能增大,势能增大 B.动能减小,势能增大
C.动能增大,势能减小 D.动能减小,势能减小
2.(五育融合·体育)体育课上,小明同学进行传接篮球训练,他将球斜向上抛出,球的运动轨迹如图所示,a、b、c、d为轨迹上的点,其中a、c两点高度相同,不计空气阻力,则篮球在 ( )
A.a、c两点的动能相等
B.a点的机械能比d点机械能大
C.a点动能比d点动能大
D.b点的动能最大
核心三 几种简单机械的机械效率计算
如图所示,工人用300 N的拉力,把一重为500 N的货物用滑轮组提升了3 m(忽略摩擦及绳重)。求:
(1)工人做的有用功。
(2)滑轮组的机械效率(结果保留至0.1%)。
(3)动滑轮所受的重力。
3.如图,工人用平行于斜面向上的500 N的推力将重为800 N的物体从地面匀速推上高为1.5 m的车厢,所用的斜面长是3 m。求:
(1)推力做的总功。
(2)斜面的机械效率。
(3)斜面对物体的摩擦力。
4.如图所示,在竖直向下拉力F的作用下,杠杆从水平位置将一物体缓慢匀速提升。提升物体时采集到的信息已在表中给出,求:
(1)不计杠杆自重和摩擦,杠杆处于水平静止时,拉力F的大小。
(2)实际提升所用的拉力F为100 N时,拉力F做的总功。
(3)实际拉力F为100 N时,杠杆的机械效率η。
做功的两个必要因素:有作用在物体上的力;物体在力的方向上通过一段距离。二者缺一不可。
判断是否做功的两个关键
1.要看力和距离这两个因素是否同时存在。
2.要看这个力是不是使物体移动一段距离的原因,即两个因素间是否存在因果关系。
动能大小的影响因素是物体的质量和速度,质量越大,速度越大,动能越大;重力势能大小的影响因素是物体的质量和高度,质量越大,高度越高,重力势能越大。根据它们影响因素的变化得出动能和重力势能的大小变化情况。
求简单机械机械效率的方法
1.滑轮组在竖直方向使用时机械效率的计算。如图甲所示,忽略绳重及摩擦,已知F、G、G动及物体提升的高度h。
(1)承担物重的绳子段数:n=3。
(2)绳子自由端移动距离:s=nh。
(3)有用功:W有=Gh。
(4)总功:W总=Fs=Fnh。
(5)额外功:W额=W总-W有= Fnh-Gh=G动h。
(6)机械效率:η=×100%=×100%=×100%。
2.滑轮组在水平方向上使用时机械效率的计算。如图乙所示,已知F、f和物体沿水平面移动的距离s。
(1)作用在动滑轮的绳子段数:n=3。
(2)绳子自由端移动距离:l=ns。
(3)有用功:W有=fs。
(4)总功:W总=Fl=Fns。
(5)机械效率:η=×100%=×100%。
3.斜面的机械效率的计算,如图丙所示,已知物重G、拉力F、斜面长s和斜面高h。
(1)有用功:W有=Gh。
(2)总功:W总=Fs。
(3)额外功:W额=W总-W有= Fs-Gh。
(4)机械效率:η=×100%=×100%。
(5)摩擦力:f==。
真题精粹——福建8年真题精选及拓展
考向1功、功率和机械效率的相关计算 (8年6考)
1.(2019·福建)工人用图示的机械将物体匀速提升到某一高度,若物体的重力与滑轮的重力之比G物∶G滑轮=9∶1,忽略绳重与摩擦的影响,则机械效率为 ( )
A.10% B.45% C.80% D.90%
2.(2018·福建)如图,用同一滑轮组分别将物体A和物体B匀速提升相同的高度。与提升B相比,提升A的过程滑轮组的机械效率较大。若不计绳重与摩擦的影响,则提升A的过程 ( )
A.额外功较小 B.额外功较大
C.总功较小 D.总功较大
3.(2022·福建)如图,用滑轮组帮助汽车脱困时,滑轮B的作用是 ;汽车被匀速拉动时,作用在绳子上的拉力F为1 000 N,滑轮组的机械效率为80%,则汽车受到的摩擦力为
N。
4.(2023·福建)实践小组设计了由厢体、承重板和动滑轮组成的提升重物的装置,示意图如图,厢体放置在水平承重板上,已知厢体重为150 N,承重板和滑轮共重100 N,忽略绳重和摩擦。
(1)空厢匀速竖直上升时,求绳拉力F的大小。
(2)在6 s内将空厢匀速竖直提升3 m,求拉力F做功的功率。
5.(2020·福建)美丽乡村建设中,工人用起吊装置提升建筑材料,如图。某次把质量为200 kg的材料匀速提升6 m,用时15 s,消耗电能1.5×104 J,g取10 N/kg。求这次匀速提升材料过程中:(不计绳与滑轮之间的摩擦)
(1)材料所受拉力F的大小。
(2)拉力F对材料做功的功率。
(3)该装置的效率。
6.(2019·福建节选)“国之润,自疏浚始”。新一代国之重器“天鲲号”绞吸挖泥船在河道清淤、湖泊疏浚、吹填造陆等方面发挥着重大作用。“天鲲号”以功率P1=6 600 kW进行绞吸,同时以功率P2=13 400 kW向远处输送岩石泥沙,工作时间t=10 min,共做功多少焦
若对该考向有疑问,详见“核心突破”核心三。
考向2机械能的转化 (8年7考)
7.(2024·福建)如图,这是丰子恺的书画作品,生动描绘了儿童学种瓜的场景,下列说法错误的是 ( )
A.蹲坐的儿童站起来,重力势能变小
B.风吹枝弯,说明力可以改变物体的形状
C.提水桶时感到桶在拉手,说明力的作用是相互的
D.提水前行中突然减速,水溅出是由于水具有惯性
8.(2023·福建)东南海域水质的改善,给了中华白海豚一个温馨的家。如图所示,下列说法正确的是 ( )
A.海豚跃出海面减速上升过程,动能不变
B.海豚跃起到最高点时,重力势能最大
C.海豚从高处落回海面过程,重力势能不变
D.海豚在海面下加速下潜过程,动能变小
9.(2019·福建)踢毽子是一项有益的体育活动。如图,毽子某次被踢出后,竖直上升经过某一位置时,毽子的动能和重力势能分别为Ek1和Ep1,下落经过同一位置时,毽子的动能和重力势能分别为Ek2和Ep2,则 ( )
A.Ek2>Ek1 B.Ek2C.Ep2>Ep1 D.Ep210.(2018·福建)2018年5月5日,中国国产航母完成首次舰载直升机起降。直升机减速下降靠近航母甲板的过程中 ( )
A.惯性变大 B.动能变小
C.重力势能不变 D.机械能不变
11.(2017·福建)4月22日,货运飞船“天舟一号”与空间站“天宫二号”成功对接。对接后,以“天宫二号”为参照物,“天舟一号”处于 状态。由于外太空存在少量空气,“天宫二号”运行时受到阻力,机械能 (选填“变大”“变小”或“不变”)。
12.(2020·福建)用钢球、木块和带有斜槽的长木板探究物体的动能跟哪些因素有关。
(1)如图甲,让钢球从斜槽上的某一高度由 开始运动,撞击水平面上的木块。钢球撞击木块时具有的动能大小可通过木块移动的距离来反映。
(2)如图乙,将钢球置于斜槽上更高的位置重复上述实验。实验表明,钢球质量一定时,从斜槽越高的位置开始运动,撞击木块时的速度越大,钢球的动能越 。
(3)探究动能跟质量的关系时,应选择让质量 的钢球从斜槽高度 的位置开始运动。(均选填“相同”或“不同”)
13.(2017·福建)小江同学利用一个弹珠、三根材料和厚度相同、长宽不同的橡皮条,探究“橡皮条的弹性势能与长度、宽度的关系”。他依次将橡皮条固定在弹弓上,如图所示,在弹性范围内,拉伸相同的伸长量,将弹珠在同一位置沿水平方向弹射出去,测得弹射的水平距离,数据如下表:
请回答以下问题:
(1)实验中,通过比较 来间接反映橡皮条的弹性势能大小。
(2)比较第1次和第2次实验可知,拉伸相同的伸长量,橡皮条的弹性势能与橡皮条的
有关。
(3)比较第1次和第3次实验可知,拉伸相
同的伸长量,橡皮条的弹性势能还与橡皮条的 有关。
(4)用同种材料同厚度的橡皮条,拉伸相同的伸长量,弹性势能最大的橡皮条是 。
A.窄而长的 B.宽而长的
C.窄而短的 D.宽而短的
【热点预测】
如图所示,这是甲、乙两机械的参数。下列说法正确的是 ( )
A.甲总功较大 B.甲有用功较小
C.乙额外功较小 D.乙机械效率较高
【考向分析】 本题利用图例考查机械效率相关的各概念之间关系和比较,难度不大,但试题情境创新,符合新中考的题型导向。
实验探究——学科核心素养提升
【实验导航】
实验一:探究物体的动能跟哪些因素有关
实验装置
实验方法
(1)转换法的应用:木块① 反映钢球动能的大小。
(2)控制变量法的应用:
a.探究动能的大小与速度的关系:让同一钢球从斜面的② 由静止释放,观察木块被推动的距离。
b.探究动能的大小与质量的关系:让质量不同的钢球从斜面的③ 由静止释放,观察木块被推动的距离
实验结论:在物体的运动速度相同时,物体的质量越大,动能④ ;在物体的质量相同时,物体的速度越大,动能⑤
实验二:测量滑轮组的机械效率
实验装置
实验操作
(1)实验中,竖直匀速拉动弹簧测力计的目的(保证拉力① 弹簧测力计的示数)。
(2)绳子自由端移动的距离和物体上升高度的关系:s=② (n为作用在动滑轮上绳子的段数)。
(3)计算滑轮组的有用功(W有=③ )。
(4)计算滑轮组的总功(W总=④ )。
(5)计算滑轮组的机械效率(η===)
实验方法:控制变量法。
a.探究滑轮组的机械效率与物重的关系时,使用相同的滑轮组,改变所挂钩码的数量。
b.探究滑轮组的机械效率与动滑轮重力的关系时,控制所挂钩码的数量相同,改变滑轮组中动滑轮的重力
实验结论:在其他条件相同时,动滑轮越重,机械效率越⑤ ;在绳子所能承受的范围内,所吊物体越重,机械效率越⑥
【实验母题】
小明在“探究物体的动能跟哪些因素有关”的实验中,如图甲、乙、丙所示,将A、B、C三个钢球先后从同一光滑斜面高度分别为h1、h2、h3的位置由静止开始滚下(mA=mBh2),水平面上同一位置的木块被撞出一段距离后停下。请回答以下问题:
制订计划与设计实验
(1)该实验探究的是 (选填“木块”或“钢球”)的动能。
(2)实验中,通过控制 来控制钢球到达斜面底部时的速度大小。
(3)实验通过观察木块 来判断钢球动能的大小,这种研究问题的方法叫 。
分析论证
(4)比较 两图进行的实验,可以探究钢球的动能大小与速度有关。
(5)分析比较甲和丙两组实验,可得出结论: 。此探究过程中两球刚好运动到水平面时的速度 (选填“相等”或“不相等”)。
评估
(6)若水平面绝对光滑,本实验 (选填“能”或“不能”)达到探究目的。
(7)在上述甲、乙实验中,木块被撞击后最终在木板表面静止,木块两次克服摩擦力做的功分别是W甲和W乙,则两者的大小关系为W甲 W乙。
(8)为进一步探究哪个因素对物体动能的影响更大,小明进行了相关的实验,实验数据如下表所示。分析数据可知,物体的 对物体动能的影响较大,依据是 。
小明测量“滑轮组的机械效率”实验的实验装置如图所示。
设计实验与制订计划
(1)该实验的原理是 。
(2)需要的测量工具有 、 、细绳、动滑轮、定滑轮、钩码若干。
进行实验与收集证据
(3)实验中,应沿竖直方向 缓慢拉动弹簧测力计。某同学认为可以在弹簧测力计静止的时候读数,该想法是 (选填“正确”或“错误”)的。
(4)实验记录的数据如下,请将表中数据填写完整。
分析论证
(5)通过比较 (填实验次数的序号)两次实验数据得出结论:使用同一滑轮组提升同一重物时,滑轮组的机械效率与绳子的段数无关。
(6)通过比较 (填实验次数的序号)两次实验数据得出结论:同一滑轮组提升重物时,物重越大,滑轮组的机械效率越高。
(7)通过比较3、4两次实验数据可得出结论: 。
评估
(8)在测拉力时,某同学使弹簧测力计做加速直线运动,该同学测得的机械效率与正确操作相比 (选填“偏大”“偏小”或“不变”)。
(9)有同学认为,在这个实验中去掉一个测量工具反而能够减小实验误差,你认为可
以去掉 ,去掉该测量工具后,机械效率可写为 。
【参考答案】
知 识 讲 堂
知识清单
考点1:
1.(1)移动了一段距离 (2)移动了一段距离
考点2:
1.物体做功快慢
2.功 做功所用时间
3.瓦特 瓦 W
考点3:
1.(1)必须要做 (2)不得不做 (3)有用功 额外功
2.(1)有用功跟总功 (3)机械摩擦 小于 小于
考点4:
1.(1)做功 能 (2)焦耳 J
2.(1)运动 (2)大 质量
3.(1)高度 (2)质量 高度 越大 (3)高度 质量
4.(1)发生弹性形变 (2)弹性形变 越大
5.(1)动能 重力势能 (2)焦耳 J
6.(2)动 重力势 重力势 动
7.不变
核心突破
例题1 A
变式训练
1.A 解析:人拉车向前运动,有力作用在车上,车在力的方向上通过了一段距离,所以人对车做了功,故A正确;用力搬石头,但未搬动,有力作用在物体上,但没有移动距离,所以人对石头没有做功,故B错误;空中飞行的足球,人不再对足球施加力的作用,故人对足球没有做功,故C错误;运动员举着杠铃不动,人给杠铃一个向上的力,杠铃没有向上移动距离,所以人对杠铃没有做功,故D错误。
例题2 B
变式训练
2.A 解析:a点的高度与c点的高度相同,重力势能相等,因机械能守恒,故a点的动能与c点的动能相等,故A正确;不计空气阻力,篮球从a到d的过程中,只有动能和势能的转化,故篮球的机械能守恒,篮球在a、b、c、d各点的机械能相等,故B错误;a点的高度比d点的高度高,故a点的重力势能大,因机械能守恒,故a点的动能比d点的动能小,故C错误;a、b、c、d各点中,b点的高度最高,故b点的重力势能最大,因机械能守恒,故b点的动能最小,故D错误。
例题3 解:(1)工人做的有用功:
W有=Gh=500 N×3 m=1 500 J
(2)由图可知,滑轮组绳子的有效股数n=2,则绳子自由端移动的距离:
s=nh=2×3 m=6 m
绳子自由端拉力做的功:
W总=Fs=300 N×6 m=1 800 J
滑轮组的机械效率:
η=×100%=×100%≈83.3%
(3)忽略摩擦及绳重,由F=(G+G动)可得,动滑轮所受的重力:
G动=nF-G=2×300 N-500 N=100 N。
变式训练
3.解:由题可知,推力F=500 N,物体的重力G=800 N,斜面长度s=3 m,斜面高度h=1.5 m
(1)推力做的总功:W总=Fs=500 N×3 m=1 500 J
(2)克服物体重力做的有用功:
W有用=Gh=800 N×1.5 m=1 200 J
斜面的机械效率:
η=×100%=×100%=80%
(3)所做的额外功:
W额=W总-W有用=1 500 J-1 200 J=300 J
因为W额=fs,所以斜面对物体的摩擦力:
f===100 N。
4.解:(1)不计杠杆自重和摩擦,由杠杆平衡条件可得F×OB=G×OA
即F×0.2 m=40 N×0.4 m
解得F=80 N。
(2)由表中数据可知,s=0.2 m,h=0.4 m,则拉力做的总功:
W总=F's=100 N×0.2 m=20 J
(3)根据题意可知,拉力做的有用功:
W有用=Gh=40 N×0.4 m=16 J
则杠杆的机械效率:η=×100%=×100%=80%。
真 题 精 粹
1.D 解析:物体的重力与滑轮的重力之比G物∶G轮=9∶1,G物=9G轮,忽略绳重与摩擦的影响,则机械效率η======90%。
2.D 解析:由题知,提起两物体所用的滑轮组相同,将物体提升相同的高度,不计绳重和摩擦,克服动滑轮重力所做的功是额外功,由W额=G动h知,提升A和B所做额外功相同,故A、B错误;不计绳重与摩擦的影响,滑轮组的机械效率η==,额外功相同,提升A物体时滑轮组的机械效率较大,所以提升A物体所做的有用功较大,其总功较大,故C错误,D正确。
3.改变力的方向 1 600
解析:滑轮B为定滑轮,作用为改变力的方向;从图中可知n=2,根据η======80%,故汽车受到的摩擦力f=1 600 N。
4.解:(1)忽略绳重、摩擦,空厢匀速竖直上升时,绳拉力F的大小:
F====125 N
(2)绳端移动距离:s=2h=2×3 m=6 m
绳拉力F做的功:W=Fs=125 N×6 m=750 J
绳拉力F的功率:P===125 W
5.解:(1)匀速提升材料过程中,材料所受拉力:
F=G=mg=200 kg×10 N/kg=2 000 N
(2)拉力F对材料做的功,即有用功:
W有用=Fs=2 000 N×6 m=1.2×104 J
拉力F对材料做功的功率:
P===800 W
(3)该装置的效率:
η=×100%=×100%=80%
6.解:“天鲲号”工作时的总功率:
P=P1+P2=6 600 kW+13 400 kW=20 000 kW=2×107 W
工作时间t=10 min,所做的总功:
W=Pt=2×107 W×10×60 s=1.2×1010 J
7.A 8.B
9.B 解析:毽子被踢出后,竖直上升经过某一位置时,毽子的动能和重力势能分别为Ek1和Ep1,下落经过同一位置时,毽子的动能和重力势能分别为Ek2和Ep2,由于此时的高度是相同的,质量也相同,故重力势能是相同的,即Ep1=Ep2;毽子在上升、下落的过程中存在摩擦,机械能转化为内能,机械能减小,由于重力势能是相同的,则Ek1>Ek2。
10.B 解析:惯性大小只与质量有关,与速度无关,质量不变,惯性不变,故A错误;直升机减速下降过程中,高度减小,重力势能减小,速度减小,动能减小,机械能为动能和势能之和,故机械能减小,故B正确,C、D错误。
11.静止 变小
解析:货运飞船“天舟一号”与空间站“天宫二号”成功对接后,它们之间的位置保持不变,因此以“天宫二号”为参照物,“天舟一号”处于静止状态;因为“天宫二号”运行时受到阻力,需要克服摩擦做功,有一部分机械能转化为内能,所以机械能变小。
12.(1)静止 (2)大 (3)不同 相同
13.(1)弹珠弹射的水平距离 (2)长度 (3)宽度 (4)D
解析:(1)橡皮条弹性势能的大小是通过弹珠射出的距离来反映的,射出得越远,橡皮条的弹性势能越大。(2)比较第1次和第2次实验可知,拉伸相同的伸长量,橡皮条宽度相同,长度不同,弹珠射出的距离不同,故橡皮条的弹性势能与橡皮条的长度有关。(3)比较第1次和第3次实验可知,拉伸相同的伸长量,橡皮条长度相同,宽度不同,弹珠射出的距离不同,故橡皮条的弹性势能与橡皮条的宽度有关。(4)由以上可知,弹性势能的大小与宽度、长度有关,在拉伸相同的伸长量时,宽度越宽,弹性势能越大,长度越短,弹性势能越大,故弹性势能最大的橡皮条是宽而短的。
热点预测 B
实 验 探 究
实验导航
实验一
①被推动的距离 ②不同高度 ③同一高度 ④越大 ⑤越大
实验二
①等于 ②nh ③Gh ④Fs ⑤低 ⑥高
实验母题
母题1 (1)钢球 (2)钢球在斜面的高度 (3)被钢球撞出距离的长短 转换法 (4)甲、乙 (5)速度相同,质量越大,动能越大 相等 (6)不能 (7)>
(8)速度 在质量不变时,速度变为原来的2倍,动能变为原来的4倍;在速度不变时,质量变为原来的2倍,动能也变为原来的2倍
母题2 (1)η=×100% (2)弹簧测力计 刻度尺 (3)匀速 错误 (4)0.4 80% (5)1、2
(6) 2、3 (7)使用不同滑轮组提升相同重物时,动滑轮越轻,滑轮组的机械效率越高(或使用不同滑轮组提升相同重物时,动滑轮越重,滑轮组的机械效率越低) (8)偏小
(9)刻度尺 η=×100%
