第3节 认识简单机械

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第3节认识简单机械
联想情景导入
在工厂车间、建筑工地，或车站、码头、油田、矿山，你常常可以看到各种各样的机械，它们极大地减轻了人们的劳动强度，提高了工作效率。任何复杂的机械都是由简单的机械组合而成的，那么，就让我们从简单机械开始，去认识机械的工作原理。
重点知识详解
一、杠杆
1．杠杆：一根硬棒如果在力的作用下，能绕固定点转动，这根硬棒就叫做杠杆。使杠杆固定的点O叫做支点；使杠杆转动的力F1叫做动力；阻碍杠杆转动的力F2叫做阻力；从支点到动力作用线的距离l1叫做动力臂；从支点到阻力作用线的距离l2叫做阻力臂。杠杆可以是直的，也可以是弯的。
2．杠杆的平衡。
(1)杠杆的平衡：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。21世纪教育网
(2)杠杆平衡的条件：动力乘以动力臂等于阻力乘以阻力臂。即F1l1=F2l2
3．杠杆的种类：根据动力臂和阻力臂的不同，我们可以把杠杆分成三类：省力杠杆、费力杠杆和等臂杠杆。21世纪教育网
(1)省力杠杆：若l1>l2，则F1(2)费力杠杆：若l1F2，这时使用杠杆要费力。此时的杠杆称为费力杠杆。21世纪教育网
(3)等臂杠杆：若l1=l2，则F1=F2，这时使用杠杆既不省力，也不费力。
二、定滑轮和动滑轮
滑轮：滑轮是一种周边有槽，可以绕着中心轴转动的轮子。滑轮也是一种简单的机械。
1．定滑轮：拉动绳子时，滑轮的位置固定不变，我们称这种滑轮为定滑轮。使用定滑轮不能省力，但可以改变力的作用方向。(如图1) 21世纪教育网
2．拉动绳子时，滑轮随着钩码一起运动，我们称这种滑轮为动滑轮。使用动滑轮可以省一半力，但不能改变力的作用方向，而且动力移动的距离大于钩码移动的距离。(如图2)
三、滑轮组：定滑轮和动滑轮一起可以组成滑轮组。使用滑轮组既可以省力，也可以改变力的作用方向。使用滑轮组时，重物和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。
四、机械效率
1．有用功和无用功：我们把必须要做的这部分功叫做有用功，而把虽然不需要，但又不得不做的那部分功，叫做额外功或无用功。有用功与额外功的总和叫做总功。
2．机械效率：有用功跟总功的比值叫做机械效率。用W总表示总功，W有用表示有用功，日表示机械效率。21世纪教育网
η=×100％
3．斜面的机械效率：
W总=Fl W有用=Gh W额= l η=W有用/W总=Gh/Fl=Gh/(Gh+ l)
经典例题解析
[例1] 下图中可视为费力杠杆的是 ( )
[解析] 起重机，l1< l2，F1>F2为费力杠杆。其他：手推车、开瓶器、撬杠均是l1> l2，为省力杠杆。
[答案] A21世纪教育网
[例2] 杠杆0A在力FA、FB的作用下保持水平静止状态，如图(a)。杠杆的自重不计，O为杠杆的支点，FB的方向与OA垂直，则下列关系式中一定正确的是 ( )
A．FA·OA=FB·0B B．FA·OAC．= D．FA>
[解析] 此题是考查学生对杠杆平衡条件的理解和能否正确地找出力臂。如图(b)，画出力FA的力臂为lA，FA和OA的夹角为0。根据杠杆的平衡条件：FA·lA=FB·OB，FA·OAsinθ=FB·OB。21世纪教育网
从图中看出：0°<θ<90°所以sinθ要保持杠杆平衡：FA·OA>FB·OB，推得FA>
[答案] D
[例3] 将体积相同的铜块和铁块，分别挂在杠杆的两端，如图所示，调节杠杆使杠杆处于平衡状态，若将两金属块同时浸没在水中时，则杠杆将 ( )
A．仍保持平衡21世纪教育网
B．失去平衡，A端下降
C．失去平衡，B端下降
D．无法判断
[解析] 铜块和铁块的体积相同，铜的密度大，铜块的重力大于铁块的重力，由图知FA>FB，由杠杆的平衡条件可知lA < lB，同时浸没在水中时，由阿基米德原理可知，受到的浮力相等，(FA—F浮) lA将大于(FB一F浮) lB，杠杆的A端下沉。21世纪教育网
[答案] B
[例4] 如图所示，物体M放在水平桌面上，现通过一动滑轮(质量和摩擦不计)拉着M向右匀速运动，此时弹簧测力计(质量可忽略)示数为10N。若在M上加放一物块m可保持M向右匀速运动，需在绕过动滑轮的绳子的自由端施加一拉力，则F’ ( )
A．M运动时受到向左的摩擦力
B．加放m前，M受到10N的摩擦力
C．加放m前，M受到20N的摩擦力
D．加放m后，力F’，保持10N不变
[解析] 此题考查学生对平拉滑轮组的受力分析，并考查学生对滑动摩擦力随压力增大而增大的知识点。未加m之前，拉力F与弹簧测力计的示数相同，也为10N。用动滑轮匀速拉重物，F=， =2F=20N。f方向向左。C选项是正确的。加放m后，F’=，由于M对地面压力增大，所以摩擦力增大，F’也增大，F’>10N。
[答案] c
[例5] 如图(a)是一个均匀直杠杆，O为支点，在A点挂一重10N的物体。则在B点用20N的力，可以使杠杆处于水平平衡状态。问：21世纪教育网
(1)若在C点仍用20N向下的力，杠杆能否平衡 (图中每个格距离相等)
(2)若在C点用20N的力，方向不限，讨论杠杆是否可能平衡。
[解析] F的力臂大小直接关系到杠杆能否平衡。
[解] (1)力F作用于B点时，杠杆平衡：G·AO=F·OB
当力F作用于C点时：G·AO=10N×AO=10N×2OB
F·OC=20N×20B F·OC>G·AO
所以杠杆不能平衡，C端下沉。
(2)根据上面的讨论，若C点用力为20N，但方向不限的话，我们可以采取减小力臂的方法，使杠杆重新平衡。如图(b)。21世纪教育网
当F斜着用力时，力臂减小为l2。
若此时F=20N，l2=OB，则杠杆可以再次平衡。
[答案] (1)不能平衡 (2)可能平衡
[例6] 如图(a)所示的杠杆自重不计，O为支点，AO=0.2m，当在A点悬吊一重6N的物体，绳子的拉力F=3N时，杠杆在水平位置平衡，在图中画出力
臂l2，力臂l2为____________m。21世纪教育网
[解析] 如图(b)，画出杠杆OAB示意图，找到支点0，BC为力的作用线，画出力臂l2。
根据杠杆的平衡条件：G·OA=F l2
代人数值：6N×0.2m=3N×l2
l2=2×0.2 m=0.4m
[答案] 见解析21世纪教育网
[例7] 根据图(a)所示的要求，画出滑轮组的绕法(忽略动滑轮重和摩擦)。
[解析] 绕制滑轮组时，应确定承担重物绳子的股数n的值，对于甲图n=2、乙图n=3、丙图n=4、丁图n=5，然后根据“奇动偶定”的原则确定绳头的位置进行绕线。各滑轮组的绕法如图(b)所示。
[答案] 见解析21世纪教育网
[例8] 利用图中的滑轮组提升重物A(物体A重1600N)，滑轮组的机械效率为80％，当物体匀速提升时，作用在绳端的拉力F为N，如果增大物重，此滑轮组的机械效率________。(填“变大”“变小”或“不变”) 21世纪教育网
[解析] 本题主要考查力、功和机械效率之间的关系。
解：已知：G=1600N，机械效率η=80％
设提升时，物体上升h
根据图，拉力上升高度为s=4h
η= F=
分析物重对机械效率的影响
若h、W额不变，G增大，η变大
[答案] 500变大
[例9] 如图，把重250N的物体沿着长5m，高1m的斜面匀速拉到斜面顶端，(1)若不计摩擦，求拉力；(2)若所用拉力为100N，求斜面的机械效率。21世纪教育网
[解析] 根据功的原理，动力做的功为W1=Fl，克服重力做的功为W2=Gh。
解：(1)不计摩擦时：
W1=W2 Fl=Gh
F=
(2)若所用拉力为F’=100N时，克服重力做的功为：
W2=Gh=250N×1m=250J
动力做的功为：W1=Fl=100N×5m=500J
斜面的机械效率：η=
[答案] (1)50N (2)50％
考点应试必备21世纪教育网
1．如图所示，以下简单机械中属于费力杠杆的是 ( )
2．如图所示是一些日常生活中所使用的机械或工具，其中属于省力杠杆的是 ( )
3．在我国古代，简单机械就有了许多巧妙的应用，护城河上安装的吊桥装置就是一个例子，如图所示。在拉起吊桥过程中 ( )
A．吊桥是省力杠杆21世纪教育网
B．A点是吊桥的支点21世纪教育网
C．AB是吊桥的阻力臂21世纪教育网
D．滑轮起到省力的作用21世纪教育网
4．根据你的生活经验，在下图的几幅图中省力的是 ( )
5．升国旗的旗杆顶上有个重要的装置是 ( )
A．定滑轮 B．动滑轮 C．滑轮组 D．省力杠杆
6．如图所示，是各式各样剪刀的示意图，它们都是一对对的杠杆。现要用它们来剪开较硬的物体，其中，选用最合适的剪刀是 ( )
7．园艺师使用如图所示的剪刀修剪树枝时，为了更省力，应尽量 ( )
A．让树枝远离刀轴0，手握在刀柄的中间21世纪教育网
B．让树枝远离刀轴0，手握在刀柄的末端21世纪教育网
C．让树枝靠近刀轴0，手握在刀柄的末端21世纪教育网
D．让树枝靠近刀轴0，手握在刀柄的中间21世纪教育网
8．地震抢险救援工作中，重型机械未到达时，已脱险的人和专业救援人员可利用简易工具对压埋在废墟中的人进行救援。图中的工具与原理不相符的是 ( )
9．小明同学利用圆珠笔杆、钢丝、细绳制成了如图所示的滑轮组用其匀速提升重物，下列说法正确的是 ( )
A．拉细绳的力F等于钩码重力G的1/3
B．拉细绳的力F等于钩码重力G的1/7
C．用该滑轮组提起不同的钩码，机械效率相同
D．用该滑轮组提起不同的钩码，机械效率不同
10．工厂为了搬运一个笨重的机器进入车间，某工人设计了下图所示的四种方案(机器下方的小圆表示并排放置的圆型钢管的根截面)，其中最省力的方案是 ( )
11．如图所示，工人用动滑轮把重物匀速提升到一定高度，重物的重力为G物，动滑轮的重力为G动，此装置的机械效率为q，不计绳重和摩擦。则工人所用的拉力的表示不正确的是 ( )
A． B． C． D．
12．皮划艇是我国的奥运优势项目之一，比赛中，运动员一手支撑住浆柄的末端(视为支点)，另一手用力划桨，此时的船桨是 ( )
A．等臂杠杆 B．费力杠杆 C．省力杠杆D．省功杠杆
13．如图所示，用滑轮组把重为200N的货物提到9m高的楼上，所用拉力为80N则总功和滑轮组的机械效率分别是 ( )
A．1800J，83.3％ B．2160J，83.3％ C．1400J，80％ D．1800J，80％
14．如图所示，物体在水平面上做匀速直线运动，拉力F=60N，该装置的机械效率为0.7，则物体受到的摩擦力大小是 ( )
A．60N B. 126N C．180N D．257.1N
15．小文同学采用如图所示的两种不同的方式将同一货物搬运到同一辆汽车上，下列说法正确的是( )
A．甲种方法克服重力做功多
B．乙种方法更省力21世纪教育网
C．两种方法机械效率相等21世纪教育网
D．两种情况下，人对物体所做的功相同
16．如图所示，OA为一可绕O点转动的轻质杠杆，杆长2m，当作用于A点一个F=30N的竖直向上的力，为使杠杆水平不动，应将重为G=150N的重物悬吊于距A端_________处。
17．在建筑工地上常用独轮车搬运泥土。一辆独轮车各部分的尺寸如图所示，设车厢和泥土的总重力G=1200N，那么运泥土时抬起独轮车至少需用力F为___________N。
18．小明学过机械效率后，提出了一个问题：“斜面的倾斜程度与斜面的机械效率有没有关系 ”，针对这个问题他做了在斜面上匀速拉动物块的探究实验(如图)，并记录实验数据如下：
实验次数 斜面的倾斜程度 物体重G/N 物体上升高度h/m 沿斜面拉力F/N 物体移动距离s/m 有用功W有/J 总功W总/J 机械效率"
1 较缓 5.0 0.1 1.6 0.5 0.5 0.8 63％
2 较陡 5.0 0.15 2.2 0.5 0.75 1.1 68％
3 最陡 5.0 0.25 3.1 0.5 21世纪教育网 21世纪教育网 21世纪教育网
(1)第三次实验填入表格的数据：有用功为__________J，总功为__________J，机械效率是__________。
(2)通过对上述实验数据的分析，你认为斜面省力情况与斜面倾斜程度的关系是：斜面越陡，越____________________。
(3)通过对上述实验数据的分析，你对斜面机械效率的问题可获得的初步结论是：__________。
(4)如果小明还想要探究斜面机械效率与物重的关系，实验时应控制哪些条件不变 ________________________________________。
19．如图所示是小明测量杠杆机械效率的实验情景(杠杆的重力忽略不计)。21世纪教育网
(1)请在下表中把相关的数据填写完整。
物体重G/N 物体上升的高度h/cm 弹簧测力计的示数F/N 弹簧测力计移动的竖直距离s/cm 有用功W有/J 总功W总/J 机械效η/％
4 30
(2)为提高本实验中杠杆的机械效率，请提一条合理的建议：______________________________。
20．中国移动重庆公司的抢险队作为第一支到达灾区的移动通信抢险队，队员们用鲜血和生命架起了一条条抗震救灾无形的生命线，为抗震救灾提供了强有力的通信保障。如下图所示，在通讯线路的抢修现场，起重机正将一箱箱设备吊装到3m高的施工台上。其中起重臂下的钢绳是绕在一个动滑轮上的。若每箱设备均重4000N，施工台距离地面的高度为3m。如果起重机沿竖直方向匀速提升一箱设备时，动滑轮上每段钢绳的拉力为2500N，在忽略钢绳熏和摩擦的情况下。21世纪教育网
(1)起重机提升一箱设备时，对箱子做的有用功是多少
(2)动滑轮在提升这箱设备时的机械效率是多大
参考答案
1．B 2．B 3．A 4．D 5．A 6．B 7．C 8．D 9．D 10．C 11．C 12．B 13．B 14．B 15．D 16．1．6m 17．300 18．(1)1.25 1.55 81％(2)费力 (3)在其他条件不变的情况下，斜面越陡，机械效率越高 (4)斜面的倾斜程度、斜面物质接触面的粗糙程度 19．(1) 15 2.4 0.6 0.72 83.3(2)只要答案合理即可20．(1)1.2×104 J (2)80％
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