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- 2021-11-10 发布
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第十二章 简单机械
一、考点知识梳理
(一)杠杆
1.杠杆概念:一根硬棒,在力的作用下能绕着固定的点O转动,这根硬棒就是杠杆。
2.杠杆的五要素:
⑴支点:杠杆可以绕着其转动的点,通常用点O表示。支点可以在杠杆的任意位置,在杠杆转动是,支点是相对固定的。
⑵动力:使杠杆转动的力,用F1表示。
⑶阻力:阻碍杠杆转动的力,用F2表示。
⑷动力臂;从支点O到动力F1作用线的距离,用L1表示。
⑸ 阻力臂:从支点O到阻力F2作用线的距离,用L2表示。
3. 力臂的画法:
⑴找出支点并用O表示。提示:支点一定在杠杆上,可以在杠杆的某的端点,也可以在杠杆中间的某处。在杠杆转动时这个点是相对固定的。
⑵通过力的作用点画出力的作用线。
⑶从支点O向力的作用线作垂线。
⑷标力臂;用大括号或背向双箭头。
练习:
4. 杠杆平衡条件:
动力×动力臂=阻力×阻力臂
公式:F1×L1=F2×L2
5、杠杆的分类及应用
29
杠杆类型
杠杆特点
杠杆优点
杠杆缺点
应用
省力杠杆
L1>L2 F1F2
(动力>阻力)
费力
省距离
起重机的前臂、理发剪刀、钓鱼竿
等臂杠杆
L1F2
(动力>阻力)
既不省力也不费力
天平、定滑轮
(二) 、滑轮
1、滑轮:a、定义:滑轮是个周边有槽,能绕轴转运的小轮。
b、实质:滑轮实质上是一种变形的杠杆。
2、定滑轮:a、定义:轴固定不动的滑轮叫做定滑轮
b、实质:是一个等臂杠杆
C、特点:使用定滑轮不省力也不省距离,但可以改变力的方向。
练习:一杆红旗重10N,绳子重和摩擦不计,问红旗手要用多大的力升旗?拉力方向和重力方向相同吗?如果不用定滑轮会怎么样?
点拨:旗杆顶部是一个定滑轮,旗手向下拉,红旗就向上升,根据:定滑轮特点:使用定滑轮不省力也不省距离,但可以改变力的方向。可得:红旗手要用10N的拉力升旗。拉力方向和重力方向相反。如果不用定滑轮就必须搭一个高台,红旗手扛着红旗爬上去。可见改变力的方向是一个很大的优点。
3、动滑轮:a、定义:轴可以随物体一起运动的滑轮叫动滑轮
b、实质:动力臂为阻力臂两倍的杠杆。
C、特点:使用动滑轮可以省一半力,但不能改变力的方向,且要花费双倍的距离。
练习:已知物体G重20N,动滑轮重2N,不计绳重和摩擦,求拉力的大小。若物体上升了1m,则绳子向上移动了几m?
29
解析:根据动滑轮特点:使用动滑轮可以省一半力,但不能改变力的方向,且要花费双倍的距离。物体G重20N,动滑轮重2N,总重为22N,则拉力F为22N的一半,即11N。
物体上升了1m,则绳子向上移动了2m。
解:F=×(G物+G动)=×(20N+2N)=11N
S=2h=2×1m=2m
答:拉力F为11N,绳子向上移动了2m
4、滑轮组:a、定义:定滑轮和动滑轮组合在一起使用
b、特点:使用滑轮组既可以省力又可以改变力的方向,但要多移动距离。
c、滑轮组的计算:有几股绳子吊在动油轮上,拉力就是物体重(包括动滑轮重)的几分之一(不计绳重和摩擦)。
d、公式:F=G/n(G=G物+G动)
绳子自由端移动距离:s=nh
点拨:组装滑轮组时,吊在动滑轮上绳子股数为n,若n为奇数时,则绳子的固定端挂在动滑轮上,若n为偶数时,绳子的固定端挂在定滑轮上。口诀:奇动偶定
练习:已知动滑轮重5N,每一个钩码重5N,不计绳重和摩擦,问拉力是多少N,物体上升1m,弹簧测力计向上移动了几m?
解析:根据“滑轮组的计算:有几股绳子吊在动油轮上,拉力就是物体重(包括动滑轮重)的几分之一(不计绳重和摩擦)。”物体重为5N×4=20N,物体与动滑轮总重为20N+5N=25N.则拉力为25N的1/5 ,即为5N,拉力移动的距离为1m的5倍。即5m.
解:拉力:F=×(G物+G动)=×(5N+25N)=5N
绳子自由端移动距离:S=nh=5×1m=5m.
答:拉力是5N,弹簧测力计向上移动了5m.
5、轮轴:由一个轴和一个大轮组成,能绕共同的轴转动的简章机械,它实质上是一个可以连续转动的杠杆,使用轮轴右以省力。
6、斜面:是一种费距离但能省力的简单机械
公式:FL=Gh
(三) 机械效率
1、有用功、额外功、总功
a、有用功:为了达到目的人们必须要做的,对人们有用的功,用W有表示。
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b、额外功:为了达到目的人们不需要但以不得不额外做的功,用W额表示。
c、总功:有用功与额外功之和。
2、机械效率
a、概念:有用功跟总功的比值。
b、公式:η=×100% η总是小于1
c、影响机械效率的因素;⑴物体重,⑵机械自身重力,绳子重,摩擦力等。机械效率与是否省力无。同一滑轮组所挂物体越重,有用功越多,机械效率越高,不同滑轮组挂同一物体,动滑轮越重额外功越多,机械效率越低。
d、提高机械效率的方法:
⑴增大有用功:表现为在机械可承受范围内,增大提升物体的重力。
⑵减小额外功:表现为 a、改进机械结构,减小机械自身重力。 b、定时润滑,减小摩擦
e、滑轮组提升物体是的机械效率: η===(因为s=nh)
f、斜面机械效率:η=
二、重点难点解读
1.重点实验再现:
杠杆的平衡条件
⑴实验器材:铁架台 杠杆 钩码 弹簧测力计
⑵注意事项:实验前通过调节平衡螺母,使杠杆水平平衡:挂钩码后,不能再移动平衡螺母:读数时,杠杆仍要处于水平平衡状态,以便直接读出力臂的长度.
⑶多次实验归纳出共同规律,避免一两次实验的偶然性造成错误结论.
2. 经典例题分析
例1:(2014浙江丽水)如图所示,杠杆OAB能绕O点转动,在A点挂一重物G,为保持杠杆在水平位置平衡,在B点分别作用的四个力中最小的是( )
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A. F1 B. F2 C. F3 D. F4
【答案】C
【解析】:
例2:(2014•邵阳)如图所示,工人用250N的力F将重为400N的物体在10s内匀速提升2m,则此过程中( )
A. 工人做的有用功为800J B. 工人做的总功为500J
C. 滑轮组的机械效率为60% D. 拉力做功的功率为20W
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例3:(2014•安徽)工人师傅使用一个动滑轮将400N的重物匀速提升到3m高处,假如所用的拉力方向竖直向上、大小为250N,则( )
A.拉力所做的功为750J
B. 机械的效率为80%
C.若用该动滑轮提升更重的货物,机械效率将保持不变
D.若采用轻质滑轮完成原任务,机械效率将保持不变
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考点:功的计算;机械效率;机械效率的计算.
例4:(2014•青岛)小雨受到的重力为640N,他站在水平地面上时对地面的压强为1.6×103Pa.
(1)他用图甲所示滑轮组匀速提升物体A,滑轮组的机械效率为90%(不计绳重和摩擦),此时他对水平地面的压强为6×103Pa.则物体A重力GA=?
(2)如图乙所示,若他用此滑轮组从水下缓慢提起边长为0.3m的正方体B(不计水的阻力、绳重和摩擦),当物体B的下表面所受水的压强为2×103Pa时,小雨对水平地面的压强为匀速提升物体A时对水平地面压强的,则物体B的密度ρB=?
29
物体受到的浮力F浮=ρgV排=1×103kg/m3×10N/kg×0.018m3=180N,
29
三、巩固练习热身:
1.(2014•黄冈)如图所示是液压起重车意图.使用时液压杆将起重臂顶起,可将重物吊起并安放到需要的地方.请在图中分别画出:
(1)重物对起重臂的作用力的示意图及该力的力臂;
(2)液压杆对起重臂最小作用力的示意图.
【答案】
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【解析】
2.(2014•青岛)运用知识解决问题:
如图2所示的轻质杠杆AB,OA=20cm,OB=40cm.物体M的密度为3×103kg/m3.体积为8×10﹣3m3.叶子姐姐在B端施加100N的力使杠杆水平平衡,则此时物体M受到水平面的支持力FM= N,请画出物体M的受力示意图.
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3.(2014•邵阳)小猴和小白兔同时发现了一个实心胡萝卜,它们都想多分点.小猴提出分配方案:将胡萝卜放在三角形石块的尖端,调节胡萝卜位置,使胡萝卜静止时保持水平,然后沿支点处竖直切开,各拿一份,如图甲所示.小白兔说:“我要长的那一头!”,小猴却暗自高兴.
请问:
(1)从质量角度来看,小猴有没有吃亏?答: .
(2)从图乙可看出,造成上述现象的原因是:A端重力的力臂 (选填“大于”或“小于”或“等于”)B端重力的力臂,根据杠杆平衡的条件可得出:A端的质量 (选填“大于”或“小于”或“等于”)B端的质量.
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4.(2014•株洲)如图是运动员在水平地面上做俯卧撑时的情景.已知地面对两个手掌的支持力为360N,对两个脚尖的支持力为240N,手掌到脚尖的距离为1.5m,则运动员所受的重力为 N,人体重心到脚尖的水平距离为 m.
5.(2014•宜宾)如图所示,以下杠杆中属于费力杠杆的是( )
A. 拦道木升起 B.活塞式抽水机抽水 C.手推车 D.羊角锤拨钉子
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故选A.
考点:杠杆的分类.
6.皮划艇是我国奥运优势项目之一,如图所示,比赛中运动员一手撑住浆柄的末端(视为支点),另一手用力划浆.下列说法正确的是( )
A.为省力,可将用力划浆的手靠近支点
B.为省力,可将用力划浆的手远离支点
C.为省距离,可将用力划浆的手远离支点
D.将用力划浆的手靠近支点,既能省力又能省距离
7.(2014•南京)如图所示的器具,属于省力杠杆的是( )
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D、筷子在使用过程中,动力臂小于阻力臂,是费力杠杆,故D错误.
故选:B.
考点: 杠杆的分类.
8.(2014•安徽)身高相同的兄弟二人用一根重力不计的均匀扁担抬起一个900N的重物.已知扁担长为1.8m,重物悬挂点与哥哥的肩之间的距离OA=0.8m,如图所示.则( )
A.以哥哥的肩A为支点,可计算出弟弟承担的压力为400N
B.以O为支点,可计算出兄弟二人承担的压力之比为4:9
C.以O为支点,可计算出兄弟二人承担的压力之比为9:5
D.以弟弟的肩B为支点,可计算处哥哥承担的压力为600N
考点:杠杆的平衡分析法及其应用.
9.(2014•泰安)一辆质量是3.5×103kg的汽车不慎陷入泥泞地面,汽车司机组织人们用如图的滑轮组将汽车拖出.已知整个过程中,水平拉力F是1×103N,汽车沿水平方向匀速移动了2m,滑轮组的机械效率为90%.求:
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(1)拉力F做的总功.
(2)有用功为多大?
(3)汽车受到的阻力大小.
10.(2014•威海)小刚和小明分别用沿斜面向上的力F甲、F乙把同一重物匀速拉到两个斜面的顶端,若两个斜面光滑、等高,甲斜面长4m,乙斜面长5m,所做的功跟别是W甲、W乙,则下列说法正确的是( )
A.使用甲斜面比使用乙斜面要省功
B.甲斜面的机械效率比乙斜面的机械效率高
C.拉力F甲与F乙之比为5:4
D.两个拉力做功W甲与W乙之比为4:5
【答案】:C
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【解析】:
11.(2014•威海)如图甲所示是某船厂设计的打捞平台装置示意图.A是动滑轮,B是定滑轮,C是卷扬机,卷扬机拉动钢丝绳通过滑轮组AB竖直提升水中的物体,可以将实际打捞过程简化为如图乙所示的示意图.在一次打捞沉船的作业中,在沉船浸没水中匀速上升的过程中,打捞平台浸入水中的体积相对于动滑轮A未挂沉船时变化了0.4m3;在沉船全部露出水面并匀速上升的过程中,打捞平台浸入水中的体积相对于动滑轮A未挂沉船时变化了1m3.沉船浸没在水中和完全露出水面后卷扬机对钢丝绳的拉力分别为F1、F2,且F1与F2之比为3:7.钢丝绳的重、轴的摩擦及水对沉船的阻力均忽略不计,动滑轮的重力不能忽略.(水的密度取1.0×103kg/m3 g取10N/kg)求:
(1)沉船的重力;
(2)沉船浸没水中受到的浮力;
(3)沉船完全露出水面匀速上升1m的过程中,滑轮组AB的机械效率.
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则打捞平台增大的浮力:F浮=ρgV排=1×103kg/m3×10N/kg×1m3=104N,即沉船的重力为G=104N;
考点: 重力的计算;阿基米德原理;滑轮(组)的机械效率.
次数
钩码重G/N
钩码上升高度h/m
有用功W有用/J
测力计拉力
F/N
测力计移动距离s/m
总功W总/J
机械效率η
1
4
0.1
0.4
1.1
0.5
0.55
72.7%
2
4
0.1
0.4
1.6
0.3
0.48
83.3%
3
2
0.1
0.2
0.9
0.3
0.27
12.(2014•广安)某实验小组在“测滑轮组机械效率”的实验中得到的数据如把表所示,第1、2、3次实验装置分别如图的甲、乙、丙所示.
(1)第3次实验中的机械效率是 .
(2)比较第2次实验和第3次实验,可得出初步结论:使用同样的滑轮组,提起的钩码越重,滑轮组的机械效率越 .
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(3)第1次实验中动滑轮个数比第2次实验多,动滑轮自重增大,对动滑轮所做的额外功 (选填“增大”或“减小”).因而,由第1、2次实验可知:滑轮组的机械效率可能与动滑轮自重力大小有关.
13.(2014•东营)“蛟龙号”创造了“中国深度”﹣﹣下潜7062m.今年“蛟龙号”将远赴印度洋探索2700m深处活火山的奥秘.已知:海水密度ρ═1.03×103kg/m3,声音在海水中的传播速度是1500m/s,取g=10N/kg.问:
(1)“蛟龙号”下潜到2700m深度时受到的海水的压强是多少?
(2)电磁波传播速度太大,在海水中的传输时间太短,测量误差就大.母船与“蛟龙号”信息传递要借助于声呐.在2700m深处的“蛟龙号”收到正上方母船的指令需要多长时间?
(3)“蛟龙号”到达海底扔掉部分配重后,排开的水所受的重力是5×103N,它受到的浮力是多少?
(4)任务完成后,起重机把重2.2×105N的“蛟龙号”吊到母船上,起重机滑轮装置原理如图乙,在滑轮装置作用下,“蛟龙号”离开水面后缓慢竖直上升10m后到达甲板,绳子自由端的拉力为68750N,移动的距离是40m,则滑轮装置的机械效率是多少?
(5)你认为“蛟龙号”面临的主要技术难题是什么(答出一条即可)?
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【答案】:(1)受到的海水的压强是2.78×107Pa;
(2)收到正上方母船的指令需要1.8s;
14.(2014•黄冈)当前城镇化建设进程中,在一些场馆和楼房建设工地上,常见一种“塔吊”的起重设备,其主要组成为电动机和机械两部分,如图所示.假设某“塔吊”配置的电动机铭牌上标有:额定电压380V,额定功率38kW,线圈电阻0.5Ω.在一次起吊中,该“塔吊”电动机正常工作25s,把质量为3t的重物吊起22m(g取10N/kg).求:
(1)电动机吊起重物的过程中消耗的电能.
(2)电动机正常工作过程中线圈产生的热量.
(3)该次起吊过程中“塔吊”机械部分的机械效率.
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【答案】:(1)电动机吊起重物的过程中消耗的电能9.5×105J.
(2)电动机正常工作过程中线圈产生的热量1.25×105J.
(3)该次起吊过程中“塔吊”机械部分的机械效率80%.
【解析】:
15.(2014福建福州)小明在测量物重时,
(1)弹簧测力计侧甲物体重.如图所示,甲物体重是 _N。
(2)估测乙物体重约10 N.请你利用下列器材帮他设计一个测量乙物体重的实脸方案。
器材:乙物体,弹簧测力计(0一5 N).已调平衡的杠杆.刻度尺和细线。
①简述主要测量步骤或在图30中画图出测量方案的示意图,并标出需测量的物理量符号。
(提示:作图时.弹簧测力计对杠杆的拉力F1用力的示意图表示,可不画出弹簧测力计实物图。)
②乙物体重力的计算表达式:G乙= _(用测量的物理量符号表示)。
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【答案】(1)4.4;
(2)如图:
四、中考预测展望:
1.(2014苏州)如图所示,在“测滑轮组机械效率”的实验中,若物体重6N.
(1)实验时应沿竖直方向 拉动弹簧测力计.若物体上升高度为10cm,此时弹簧测力计的示数如图所示,则滑轮组的机械效率是
(2)若仅增加物体的重力(不计摩擦),该滑轮组的机械效率将
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考点:弹簧测力计的读数,滑轮组和机械效率的计算
2.(2014•南京)如图所示,搬运工人用滑轮组在20s内将重为540N的重物匀速提升3m,所用拉力为200N,则他所做的有用功是 J,额外功是 J,拉力的功率是 W,滑轮组的机械效率是 .
3.一名工人用如图所示的滑轮组提起450N的重物,绳自由端的拉力F为200N,重物在5s内匀速上升了1m.则拉力的功率是______________W,滑轮组的机械效率是______________.
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【答案】:120W;75%
【解析】:
4.如图所示,用甲、乙两种装置分别将重1N的物体匀速提升相同的高度,滑轮重0.2 N,不计摩擦和绳重,所用的拉力分别是F甲和F乙,机械效率分别是η甲和η乙,则( )
A. F甲> F乙 B. F甲= F乙 C. η甲>η乙 D. η甲 <η乙
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5.(2014浙江宁波)利用如图所示的装置,工人用力F把重为100N的物体以0.2m/s的速度匀速提升6m。若不计绳重和摩擦,则这一过程中( )
A.拉力F的大小为50N B.绳子自由端的速度为0.4m/s
C.拉力F所做的功为600J D.拉力F的功率为lOW
【答案】:C
【解析】:
6.如图所示,是用道钉撬撬道钉的示意图。当道钉对道钉撬的阻力F2是4000N时,要把道钉撬起,需要的动力F1最小为(不计道钉撬重)( )
A、20N B、200N C、2000N D、20000N
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7.(08江苏连云港)如图是搬运工人用滑轮组将仓库中的货物沿水平轨道拉出的示意图。已知货物的质量为600kg,所受轨道的摩擦力为其重力的0.1倍,滑轮组的机械效率为75%。若人以0.5m/s的速度匀速前行,经100s将货物拉出仓库,g取10N/kg,。求在此过程中:
(1)人做的有用功为多大?
(2)人的拉力为多大?
(3)人拉力的功率为多大?
【答案】:15000j 400N 200W
【解析】:
29
8.如图所示,轻质杠杆的A点挂一重物G,绳受的拉力为F2,为杠杆的支点。请在杠杆的端点B处画出使杠杆保持静止的最小的力Fl的示意图,并作出Fl和F2的力臂l1和l2。
【答案】:
9.()08甘肃兰州)如图是测定滑轮组机械效率时所用的滑轮,若使绳端的拉力沿向上的方向
(1)请在图中画出该滑轮组的绳子绕法。
(2)完善下列实验步骤:
A.按组装图把实验器材装配好
B.用弹簧秤测量出重物的重力
C.在动滑轮下面挂上重物,并分别记下重物和弹簧秤的位置
D. 拉弹簧秤,使重物上升一段距离,读出
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E.用刻度尺分别量出 和 移动的距离
F.由测得的数据,求出滑轮组的机械效率
(3)在这个实验中,若物重4N,重物上升了0.1m,弹簧秤示数为2N,请计算该滑轮组的机械效率η= 。
(4)你能分析一下效率不是100%的原因吗?请你试着写出两条: 、 。
【答案】(1)如图:
物重4N”就误认为拉力是物体重的1/2,是2股绳子,如果是2股绳子,则动滑轮重力就时0,这与实际不符,
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考点:滑轮组的机械效率.
10.在探究“杠杆的平衡条件”的实验中,有甲、乙两位同学作出了如下的猜想:
(1)甲同学:
(2)乙同学:动力×动力臂=阻力×阻力臂。
为了验证以上两种猜想是否正确,两位同学采用了如图所示的实验装置来进行实验和收集证据,并设计了如下的实验方案:
A.按如图所示的装置安装实验器材。
B.在没有挂钩码时,将杠杆调节至水平位置平衡。
C.将钩码(每个钩码的质量均为50g)分别挂在杠杆的两边并移动其悬挂的位置,重新将杠杆调节至水平位置平衡。
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D.改变悬挂的钩码个数,并移动其悬挂的位置,使杠杆又在水平位置平衡。并将每次实验测得的数据都记录在下表中,那么:
(1)在记录数据的表格中,根据实验装置右边的放大图补充表格中漏掉的两空(g=10N/kg)。
(2)在实验中,当杠杆处于水平位置平衡时,杠杆的重心在图中的_______点。
(3)综上所述,由此可得出的结论是: 。
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