第2节 滑轮
学习目标
1.认识定滑轮和动滑轮。
2.知道滑轮的作用。
3.会根据要求使用和组装滑轮组。
自主探究
学点一:滑轮
模拟实验:模拟制作一个升国旗的装置。
(1)在铁架台的顶端固定一个滑轮,一段合适长度的细绳穿过滑轮。
(2)在绳子的一端挂上钩码,用力拉绳子把钩码提升到顶端。
观察交流:
(1)向下拉动绳子时,铁架台顶部的滑轮是固定不动的。
(2)向下拉动绳子时,悬挂钩码的绳子向上移动。
(3)利用定滑轮,可以改变动力的方向。
观察思考:
(1)若要提升货物,绳子的自由端应如何操作?哪一种方式与升国旗类似?
(2)在货物上升的过程中,滑轮的位置有何变化?
归纳总结:
1.定滑轮:使用时, 的滑轮;?
2.动滑轮:使用时, 的滑轮。?
学点二:定滑轮和动滑轮的特点
探究实验:探究定滑轮和动滑轮的特点
提出问题:
(1)使用定滑轮、动滑轮能否省力?
(2)使用定滑轮、动滑轮能否省距离?
(3)使用定滑轮、动滑轮能否改变力的方向?
设计实验:分组设计实验,在设计过程中思考下面的问题。
(1)实验中需要哪些器材?
(2)使用滑轮提升物体时,应如何拉动绳子?
(3)应该测量和记录哪些数据?并设计记录数据的表格。
组别 物重G 拉力F 物体上升距离h(cm) 绳子移动距离s(cm)
大小 方向
定滑轮
动滑轮
进行实验:学生分组完成实验,实验前要注意下列事项。
(1)拉动物体时要匀速;
(2)使用定滑轮提升物体时,要重新调整弹簧测力计的零刻度;
(3)测量距离时做好起点和终点的标记;
(4)实验数据记录在表格内。
实验结论:定滑轮特点:不省力也不省距离,但可以改变力的方向;动滑轮特点:省力费距离,不能改变力的方向。
交流与反思:实验过程中,你还有什么新的发现,还有哪些疑问。
归纳总结:
1.定滑轮: 杠杆,不省力但 。?
2.动滑轮: 杠杆,省力但 ,而且 。?
学点三:滑轮组
【提出问题】
定滑轮虽然能改变力的方向,使我们工作方便,但不能省力;而动滑轮虽然能省力,但不能改变力的方向,使用时经常感觉不便。怎样才能既省力,又能改变力的方向呢?
归纳总结:
1.滑轮组既可以 又能 ;?
2.如果忽略动滑轮的自重、绳重及摩擦,绳子自由端的拉力F与重物的重力G之间的数量关系为F= ;?
3.绳子自由端移动的距离s与物体移动距离h的关系为s= 。?
课堂检测
1.升国旗的旗杆顶上有一个滑轮,升旗时往下拉动绳子,国旗就会上升。关于这个滑轮的说法正确的是( )
A.这是一个动滑轮,可省力
B.这是一个定滑轮,可省力
C.这是一个动滑轮,可改变力的方向
D.这是一个定滑轮,可改变力的方向
2.如图所示中,利用了动滑轮的是( )
3.小虎同学用滑轮组匀速提起重为600N的物体,如果不计摩擦力、动滑轮重力和绳子重力,则小虎同学对绳子的拉力应为( )
A.600N B.400N
C.300N D.200N
4.在日常生活中,用10N的拉力不能提起重15N的物体的简单机械是( )
A.一个定滑轮 B.一个动滑轮
C.杠杆 D.斜面
5.如图所示的三个滑轮中,属于动滑轮的是 。若滑轮的自重和摩擦不计,当分别沿力F1、F2和F3方向匀速提起同一物体时,则F1、F2、F3的大小关系是 。?
6.如图所示,工人用240N的拉力,在15s的时间内,将重600N的建筑材料提升到6m高的楼顶上,绳子自由端移动了 m,拉力做的功是 J,拉力的功率是 W。?
7.某小组同学研究动滑轮的使用特点,他们先用弹簧测力计缓慢提起钩码,如图(a)所示,再分别用重力不同的动滑轮甲、乙、丙(G甲>G乙>G丙)缓慢提起相同钩码,如图(b)(c)(d)所示。请仔细观察图示的操作和弹簧测力计的示数,然后归纳得出结论。
(1)比较图(a)与(b)〔或(a)与(c),或(a)与(d)〕两图可得: 。?
(2)比较图(b)(c)(d)三图可得: 。?
8.请你在图中画出用滑轮组提升重物的最省力的绕绳方法。
9.用如图所示的滑轮组提升重物,要求绳子自由端移动的速度是物体上升速度的2倍,请在图上画出绕线的方法。
参考答案
自主探究
学点一:滑轮
1.轴的位置固定不动
2.轴随物体一起运动
学点二:定滑轮和动滑轮的特点
1.等臂 可以改变力的方向
2.省力 不能改变力的方向 费距离
学点三:滑轮组
1.省力 改变力的方向 2.G 3.nh
课堂检测
1.D 解析:当旗手往下拉动绳子时,滑轮虽然转动,但滑轮的轴固定不动,所以它是定滑轮;根据定滑轮的特点可知,它不会省力;旗手施力的方向是向下的,但是旗子受到的力是向上的,滑轮使人施加的力的方向发生了改变。
2.D 解析:根据定滑轮和动滑轮的定义,用力拉绳时,图A、B、C中的滑轮不随物体一起移动,只是轮子转动而轴固定不动,滑轮的位置不变,是定滑轮;而图D中的滑轮随着物体一起移动,是动滑轮。
3.C 解析:由题图可知,承担物重的绳子的股数n=2,所以绳子的拉力F=G=300N。
4.A 解析:使用定滑轮不能省力,而使用动滑轮、杠杆、斜面都可以省力。
5.答案:乙 F1=F3>F2
解析:动滑轮是轴与物体一起运动的滑轮,定滑轮是物动、轴不动的滑轮,所以题中甲、丙是定滑轮,乙是动滑轮;使用定滑轮可以改变用力的方向,但不能省力,即F=G;使用动滑轮可以省一半力,则F=G,题中G相同,则F1=F3>F2。
6.答案:18 4320 288
解析:绳子自由端移动的距离s=3h=3×6m=18m,拉力做的功W=Fs=240N×18m=4320J,拉力的功率P==288W。
7.答案:(1)使用动滑轮能省力,但不能改变力的方向
(2)使用动滑轮提起相同重物时,动滑轮的重力越小,所用的拉力越小
解析:本题是考查使用动滑轮特点的探究题目,主要是比较使用动滑轮与不使用动滑轮用力大小的不同以及使用不同重力的动滑轮省力大小的不同,在几幅图中虽然不能读出力的大小,但也可以从指针的位置进行一定的描述。
8.答案:如图所示。
解析:动滑轮被几股绳子承担,拉力就是物体和动滑轮总重的几分之一,绳子一端先拴在动滑轮的挂钩上,再绕过定滑轮,如答案图所示,最多可由3股绳子承担动滑轮和物体的总重。
9.答案:如图所示。
解析:绳子自由端移动的速度是物体上升速度的2倍,则相同时间内绳子自由端移动的距离等于重物上升高度的2倍,可知有2股绳子承担总重,即连在动滑轮上的绳子为2股。
第3节 机械效率
学习目标
1.知道什么是有用功、额外功、总功。
2.理解机械效率,会计算机械效率。
3.学会测定滑轮组的机械效率。
4.了解提高机械效率的方法。
自主探究
学点一:有用功和额外功
探究实验:使用动滑轮能否省功
方法点拨:(1)如图甲,用弹簧测力计将钩码匀速提升一定的高度,计算拉力所做的功。
(2)如图乙,用弹簧测力计并借助一个动滑轮将同样的钩码匀速提升相同的高度,计算拉力所做的功。
提出问题:为了计算拉力做功需要测量哪些量,应怎样测量?
实验结论:使用动滑轮不省功。
自主学习:阅读课本P85~P86的内容,了解有用功和额外功。
归纳总结:
1.在完成任务中,必须要做的功叫做 ,用 表示。?
2.在完成任务中,不用做但又不得不做的功,叫做 ,用 表示。?
3. 与 之和是总共做的功叫做总功,用 表示。?
学点二:机械效率
提出问题:从功的角度分析比较哪种机械性能好呢?
情境1:有用功相同,额外功不同
W有/J W额/J W总/J
方法1 600 180 780
方法2 600 90 690
情境2:额外功相同,有用功不同
W有/J W额/J W总/J
方法1 600 90 690
方法2 540 90 630
情境3:有用功不同,额外功不同
W有/J W额/J W总/J
方法1 600 180 780 76.9%
方法2 540 90 630 85.7%
自主学习:阅读课本P86的内容,了解机械效率。
归纳总结:
1.物理学中,将 跟 的比值叫做机械效率,用符号 表示。?
2.机械效率公式: ?
3.机械效率通常用百分数表示,没有单位,有用功总 总功,所以机械效率总 1。?
学点三:探究滑轮组的机械效率
思考讨论:测量滑轮组的机械效率需要测量哪些物理量,怎样测量?
设计实验:用弹簧测力计分别测量钩码的重力G和拉力F,用刻度尺测量钩码上升的高度h和弹簧测力计移动的距离s。使用同一滑轮组,只改变被提升物体的重,测出每次的物重、提升的高度、拉力、绳端移动的距离s,填入表格,并计算每次的机械效率。
次数 物重G/N 提升高度h/cm 有用功W有/J 拉力F/N 绳端移动的 距离s/cm 总功W总/J 机械效率η
1
2
3
注意事项:
(1)竖直向上匀速拉动弹簧测力计;
(2)应在匀速拉动过程中读数。
归纳总结:
1.同一滑轮组,提起的重物的重力越 ,滑轮组的机械效率越 。?
2.η== = ,滑轮组的机械效率与物体被提升的高度 。?
课堂检测
1.李玲同学值日时用水桶将水从一楼提到三楼教室,她做的有用功是( )
A.对桶所做的功 B.对水所做的功
C.对水和桶所做的功 D.对水、桶和人所做的功
2.买茶杯的人,从货架上拿起茶杯;喝茶水的人,从桌面上端起盛茶水的茶杯,就两人克服茶杯重力做的功,下列说法中正确的是( )
A.都是有用功 B.都是额外功
C.对喝茶的人而言是有用功 D.对买茶杯的人而言是有用功
3.关于机械效率,下列说法中正确的是( )
A.机械做的功越多,机械效率越高
B.机械做的总功越多,机械效率越高
C.做的额外功越多,机械效率就越高
D.额外功在总功中占的比例越大,机械效率就越低
4.如图所示的剪刀剪纸的机械效率为80%,这表示( )
A.若作用在剪刀的动力是1N,则阻力是0.8N
B.若作用在剪刀的阻力是1N,则动力是0.8N
C.若作用在剪刀的动力做功1J,则有0.2J的功用于剪纸
D.若作用在剪刀的动力做功1J,则有0.8J的功用于剪纸
5.如图所示,用滑轮组提升重物时,重800N的物体在10s内匀速上升了1m。已知拉绳子的力F为500N,则提升重物的过程中( )
A.做的有用功是800J
B.拉力F的功率是80W
C.绳子自由端被拉下3m
D.滑轮组的机械效率是60%
6.如图所示,有一斜面长为L、高为h,现用力F沿斜面把重为G的物体从底端匀速拉到顶端。已知物体受到斜面的摩擦力为Ff,则下列关于斜面机械效率η的表达式正确的是( )
A.η= B.η=
C.η= D.η=
7.小明用同一滑轮组分别将甲、乙两组钩码提升相同的高度,如图所示。他两次提升钩码所用的拉力分别为F甲和F乙,则F甲 F乙;所做的有用功分别为W甲和W乙,机械效率分别为η甲和η乙,则W甲 W乙,η甲 η乙。(均选填“>”“=”或“<”)?
8.如图所示装置,绳重及摩擦不计。装卸工人将重为800N的货物提至高处,人对绳的拉力F1为500N,货物在1min内匀速上升了5m。
(1)请在图上画出绳子的绕法;
(2)求滑轮组的机械效率;
(3)如果重物是600N,要把重物提升5m,求拉力做的功。
参考答案
自主探究
学点一:有用功和额外功
1.有用功 W有
2.额外功 W额
3.有用功 额外功 W总
学点二:机械效率
1.有用功 总功 η
2.η=
3.小于 小于
学点三:探究滑轮组的机械效率
1.大 高
2. 无关
课堂检测
1.B 解析:将水桶从一楼提到三楼的目的是将水提上去,而水桶是为了装水,虽然没有用但是必须要做的,故对水所做的功为有用功,对水桶和人所做的功为额外功,对水、桶和人做的功为总功。
2.D 解析:喝茶的人目的是茶水,因此对茶水做的功是有用功,对茶杯做的是额外功;买茶杯的人目的是茶杯,对茶杯做的功是有用功。
3.D 解析:机械效率与做功的多少无关,机械效率等于有用功与总功的比值,有用功在总功中占的比例越大,机械效率越高;相反,额外功在总功中占的比例越大,机械效率就越低,故D项正确。
4.D 解析:剪刀可以看作是一个杠杆,根据杠杆的平衡条件F1l1=F2l2知,要比较动力或阻力大小,必须知道动力臂和阻力臂,A、B两项错误;利用剪刀的目的是剪纸,所以剪纸做的功是有用功,由机械效率为80%知,如果动力做功1J,有0.8J是用于剪纸,C项错误,D项正确。
5.A 解析:在提升重物的过程中W有=Gh=800N×1m=800J;拉力F的功率是P==100W;绳子自由端被拉下s=2×1m=2m;滑轮组的机械效率是η==80%。
6.D 解析:斜面机械效率η等于有用功Gh与总功之比,总功等于力F乘以在力的方向上运动的距离,也等于有用功加上额外功,此题额外功等于FfL,故D项正确。
7.答案:< < <
解析:甲、乙滑轮组承担物重的绳子股数都是三股,提起的重物越重,所需的拉力越大,所以F甲8.答案:(1)绕法如图所示。
(2)滑轮组的机械效率:η==80%。
(3)动滑轮的重力:G动=2F1-G物=2×500N-800N=200N。
拉力F2==400N,
W=F2s=400N×5×2m=4000J。
解析:人站在地上拉绳子,绳子末端方向向下,一个动滑轮,所以有两股绳子承担物重,绳端固定在定滑轮上;滑轮组的机械效率可由公式η=直接求出;当重物改变时机械效率改变,故不能利用第(2)问的机械效率求解,这里是学生常出错的地方,一定要找到变化中不变的量,动滑轮的重力始终没有变,先求出G动=2F1-G物=2×500N-800N=200N,F2==400N,再求出拉力做的功,W=F2s=400N×5×2m=4000J。
第十二章 简单机械
第1节 杠杆
学习目标
1.了解生活中常见的杠杆。
2.知道杠杆的五要素。
3.理解杠杆的平衡条件并能进行简单的应用。
4.掌握杠杆力臂作图。
自主探究
学点一:杠杆
生活体验:回忆下列机械的使用过程,思考问题。
(1)剪刀、杆秤等发生了怎样的运动?
(2)它们在什么情况下才能这样运动?
(3)它们有什么相同之处?
自主学习:阅读课本P76~P77的内容,找到杠杆的定义,在图12.1-1中找到杠杆的五要素。
归纳总结:
1.一根硬棒,在力的作用下能 ,这根硬棒就是杠杆。?
2.杠杆的五要素:
(1) :杠杆可以绕其转动的点O;?
(2) :使杠杆转动的力F1;?
(3) :阻碍杠杆转动的力F2;?
(4) :从支点O到动力F1作用线的距离l1;?
(5) :从支点O到阻力F2作用线的距离l2。?
学点二:探究杠杆的平衡条件
实验目的:研究杠杆平衡的条件。
实验器材:杠杆和支架、钩码、刻度尺、线
实验步骤:
①调节杠杆两端的螺母,使杠杆在水平位置平衡。
②在杠杆两边挂上不同数量的钩码,调节位置,使杠杆重新平衡。
③把支点右边的钩码重力当作动力F1,支点左边的钩码重力当作阻力F2,量出动力臂l1和阻力臂l2,将各数值填入表格中。
④改变钩码数量或位置,重复上面的步骤,得出三组数据。
实验次数 F1/N l1/cm F2/N l2/cm
1
2
3
实验结论:分析实验数据,得出结论。
交流评估:反思实验中出现的问题以及出现过的失误,思考怎样解决问题。
归纳总结:根据杠杆的力臂关系 或写为 。?
学点三:生活中的杠杆
问题探究:我们身边的杠杆有很多,你能通过观察和思考对杠杆进行分类吗?
归纳总结:根据杠杆的力臂关系 ,可以把杠杆分成三类。?
(1)若l1>l2,则F1 F2, 杠杆,特点是 ;?
(2)若l1= l2,则F1 F2, 杠杆,特点是 ;?
(3)若l1课堂检测
1.下列关于杠杆的说法中正确的是( )
A.杠杆必须是一根直棒
B.杠杆不一定要有支点
C.杠杆可以是直的,也可以是弯的
D.杠杆的力臂是从支点到力的作用点的距离
2.如图所示是小丽在“研究杠杆的平衡条件”的实验中,使杠杆在水平位置平衡。如果在杠杆两边的钩码下面各增加一个大小相等的钩码,则杠杆( )
A.仍然平衡 B.不平衡,左端下降
C.不平衡,右端下降 D.无法确定
3.如图所示,轻质杠杆AB可以绕O点转动,在A点用细线悬挂一重物,在B点施加一竖直向下的动力,使杠杆在水平位置保持平衡。若将动力的方向改为沿虚线方向,仍使杠杆在水平位置保持平衡,则( )
A.动力臂增大,动力增大 B.动力臂增大,动力减小
C.动力臂减小,动力减小 D.动力臂减小,动力增大
4.如图所示,爸爸和亮亮一起在儿童乐园玩跷跷板,当爸爸移动到某一个位置时,亮亮竟然将爸爸跷起来了,则下列说法中正确的是( )
A.亮亮和爸爸对跷跷板的作用力相等
B.亮亮对跷跷板施加的作用力大些
C.亮亮到跷跷板支点的距离短
D.亮亮对跷跷板的作用力与力臂的乘积大一些
5.如图所示的生活用具中,使用时属于省力杠杆的是( )
6.如图所示,用细线将杠杆AOB悬挂起来,当A端挂重物G1、B端挂重物G2时,杠杆平衡,此时OA恰好处于水平位置,AO=BO,杠杆重力不计,则( )
A.G1G2
C.G1=G2 D.都有可能
7.如图所示,OB为一轻质杠杆,O为支点,OA=0.3m,OB=0.4m,将重30N的物体悬挂在B点,当杠杆在水平位置平衡时,在A点至少需加 N的拉力,这是一个 (选填“省力”或“费力”)杠杆。?
8.如图所示,在轻质杠杆OA中点悬挂重为60N的物体,A端施加一竖直向上的力F,杠杆在水平位置平衡,则力F的大小是 ,保持F的方向不变,将杠杆从A位置匀速提升到B位置的过程中,力F将 (选填“变大”“变小”或“不变”)。?
9.物理实验小组的同学利用如图所示的装置,在杠杆支点的两边分别挂上钩码来探究杠杆的平衡条件。
(1)如图甲所示,为使杠杆在水平位置平衡,应将右端的平衡螺母向 (选填“左”或“右”)移动,将杠杆调在水平位置的目的是方便测量 。?
(2)实验中测得的数据如表所示,表格中漏填的数据为 N。?
测量序号 动力F1/N 动力臂l1/cm 阻力F2/N 阻力臂l2/cm
① 1 20 2 10
② 2 15 1.5 20
③ 3 5 ? 15
(3)有的同学按现有方案得出如下结论:“动力×支点到动力作用点的距离=阻力×支点到阻力作用点的距离。”这个结论与杠杆平衡条件不符,原因是实验过程中 (填字母)。?
A.没有改变力的大小 B.没有改变力的方向
C.没有改变力的作用点 D.实验次数较少,结论具有偶然性
10.在图中画出杠杆AB在图示位置静止时,作用在A端点的最小力F的方向及其力臂l。
参考答案
自主探究
学点一:杠杆
1.绕着固定点O转动
2.(1)支点 (2)动力 (3)阻力 (4)动力臂 (5)阻力臂
学点二:探究杠杆的平衡条件
动力×动力臂=阻力×阻力臂 F1l1=F2l2
学点三:生活中的杠杆
F1l1=F2l2
(1)< 省力 省力费距离
(2)= 等臂 不省力也不省距离
(3)> 费力 费力省距离
课堂检测?
1.C 解析:杆可直可弯,没有形状限制,A项错误,C项正确;杠杆要转动一定要有支点,B项错误;力臂是从支点到力的作用线的距离,点到线的距离,不是点到点的距离,D项错误。
2.B 解析:由题意可知,杠杆两边的钩码下面各增加一个大小相等的钩码时,左端力和力臂的乘积大于右端力和力臂的乘积,故B项正确。
3.D 解析:若将动力的方向改为沿虚线方向,动力臂减小,要使杠杆在水平位置保持平衡,则动力增大。
4.D 解析:根据杠杆的平衡条件F1l1=F2l2可知,杠杆倾斜不是由力的大小决定,而是由力与力臂的乘积的大小决定,哪一方的乘积大,就向哪一方倾斜,故D项正确。
5.A 解析:A项中钢丝钳在使用过程中,动力臂大于阻力臂,是省力杠杆;B、C、D三项中的生活用具在使用过程中,动力臂小于阻力臂,均是费力杠杆。
6.A 解析:从题知,OA处于水平位置,G1对杠杆的拉力为竖直向下,所以G1对杠杆拉力的力臂即为杠杆AO的长度,G2对杠杆拉力的方向也是竖直向下,但OB不是处于水平,所以G2对杠杆拉力的力臂小于OB的长度。根据杠杆的平衡条件:F1l1=F2l2可知,力与相应的力臂成反比关系,它们的杠杆示意图如图所示,因为AO=BO,所以lOA>lOB',所以物体的重力G17.答案:40 费力
解析:由题图可知,当杠杆在水平位置平衡时,物体对杠杆的阻力为F2=30N,拉力为动力F1,动力臂为l1=OA=0.3m,阻力臂为l2=OB=0.4m,由杠杆平衡条件可知,F1==40N,由于l1
8.答案:30N 不变
解析:杠杆在水平位置平衡时,动力臂是阻力臂的两倍,则动力是阻力的一半,故力F的大小是30N;如图所示,C是OB的中点,BE∥CD,则D是OE的中点,即OE=2OD,故F=G=30N,所以将杠杆从A位置匀速提升到B位置的过程中,力F的大小不变。
9.答案:(1)右 力臂
(2)1
(3)B
解析:(1)由题图可知,左边下降,所以应将右端的平衡螺母向右移动。当杠杆水平时,杠杆与重力的方向垂直,力臂在杠杆上,这样容易测量力臂的大小。(2)由实验①②可知,动力×动力臂=阻力×阻力臂,所以空格处的数据应为1。(3)在实验中,既改变了力的大小,又改变了力臂的大小,并测量了多次,所以A、C、D三项错误;力臂的大小与支点到力的作用点的距离并不一定相等,力臂的大小是由支点及力的方向决定的,
当力的方向发生变化时,力臂也会变化,故B项正确。
10.答案:如图所示。
解析:根据杠杆平衡的条件,若要使力F最小,则需要其力臂最长,当力F垂直于AOB的时候力臂最长,此时F最小。
