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第十一章 简单机械和功
第11章 跨学科实践：
调查机械并制作机械模型
（苏科2024版）九年级
上
01
教学目标
02
新知导入
03
新知讲解
05
典例分析
06
课堂练习
04
课堂小结
（苏科2024版）九年级
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PART 1 教学目标
（苏科2024版）九年级
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01
教学目标
?1.通过调查和制作，深化对杠杆、滑轮等简单机械的理解；巩固简单机械结构与原理；举例说明生活应用；能从杠杆、滑轮的使用特点来设计机械。。
2.能运用抽象与建模的思维，将复杂的实际机械抽象为简单的物理模型进行分析；经历“发现问题→设计解决方案→制作检验→评估改进”的完整工程思维过程；培养批判性思维，能对自已和他人的作品进行评估和优化。
3.能通过观察、调查、查阅资料等方式，收集关于某一机械的信息；设计调查方案；能基于物理原理和调查结果，提出制作模型的初步方案或设计草图。能选择合适的工具和材料，按照设计方案进行制作和组装。能通过测试模型的功能，检验其是否达到设计目的，并尝试分析成功或失败的原因。
PART 2 新知导入
（苏科2024版）九年级
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新知导入
【情境导入】在人类文明发展历程中，人们不断地创造和使用工具。其中，利用力学原理制造的各种装置统称为机械。机械的发展变化，反映了不同时期的生产力发展水平，闪烁着人类智慧的光芒。
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新知导入
【情境导入】在人类文明发展历程中，人们不断地创造和使用工具。其中，利用力学原理制造的各种装置统称为机械。机械的发展变化，反映了不同时期的生产力发展水平，闪烁着人类智慧的光芒。
02
新知导入
视频资料：机械发展史
PART 3 新知讲解
（苏科2024版）九年级
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新知讲解
机械的发展经历了从简单工具到复杂机器的演变。原始社会，人类使用杠杆、斜面等简单机械（如石器、木棒）提高效率。古希腊时期，阿基米德系统研究了杠杆原理，奠定了静力学基础。中世纪，滑轮、齿轮等工具广泛应用于建筑和农业。文艺复兴时期，达·芬奇设计了多种机械装置，推动工程学发展。18世纪工业革命后，蒸汽机的发明标志着动力机械的飞跃，内燃机、电动机相继出现，机械进入自动化时代。现代机械融合电子技术，发展为智能机器人、数控设备等，极大提升了生产力。这一历程体现了人类对自然规律的探索与利用。
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新知讲解
【任务一】选择一种机械，调查研究它的结构、功能、工作原理和相关的时代背景。例如，中国古代使用的绞车和欧洲中世纪修建城堡时使用的吊车），在工作原理上有异曲同工之妙。
绞车 吊车
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新知讲解
（一）调查中国古代绞车
（1）结构特征：中国古代绞车以木质结构为主，核心包括基座系统、传动装置和附件系统，其中传动部分包括定滑轮和轮轴。基座可移动，传动采用差速设计提升效率。
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新知讲解
（一）调查中国古代绞车
（2）主要功能：用于工程起重解决积水问题、军事应用牵引攻城器械、民生领域衍生小型装置如钓鱼卷线轮。
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新知讲解
（一）调查中国古代绞车
（3）时代背景与技术演进：起源于西晋，唐代标准化为移动基座，宋代在军事中达到高峰，明清分化为民用小型化和工程大型化。
（4）历史价值：体现材料革新、结构优化和人机工程创新，传承古代造物理念，是中国机械文明的重要见证。
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新知讲解
（一）调查中国古代绞车
（5）工作原理：基于轮轴杠杆原理，通过差速设计和滑轮组实现省力及高效提升，制动系统支持重物悬停。
理论支持：①定滑轮不省力：F=G，不省距离：s=h；②轮轴可以省力，但费距离；③机械效率的计算：W有用=Gh，W总=Fs，额外功包含克服绳重与摩擦做功：
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新知讲解
（二）调查中国古代龙骨水车
（1）主要构造：其核心传动部分由轮轴系统构成，包括链轮和横轴，作为动力传递的中枢。
（2）工作原理：操作时，农民通过脚踏板或手摇柄施加杠杆作用，输入人力动力，驱动链轮旋转。链轮带动刮板链条在沟槽中循环运转。
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新知讲解
（二）调查中国古代龙骨水车
（3）主要功能：将水从低处连续提升至高处。滑轮装置辅助减少摩擦损耗，优化传动效率，确保水流平稳输送。这种设计高效解决了农田灌溉中的水位提升问题，大大提高了农业生产的效率。
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新知讲解
（二）调查中国古代龙骨水车
（4）历史价值：龙骨水车不仅体现了古代劳动人民的智慧与创造力，还是简单机械组合应用的杰出典范，在中国古代农业技术发展中扮演了重要角色，并且一直沿用到改革开放前。
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新知讲解
（二）调查中国古代龙骨水车
（4）历史价值：龙骨水车不仅体现了古代劳动人民的智慧与创造力，还是简单机械组合应用的杰出典范，在中国古代农业技术发展中扮演了重要角色，并且一直沿用到改革开放前。
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（二）调查中国古代龙投石机
（1）核心结构：机架、杠杆、动力装置、瞄准与释放机构等。
（2）核心功能：攻城破防、投掷燃火物、毒烟罐或金属碎片、杀伤士兵及牲畜。瓦解敌方士气。反击攻城部队，压制其器械等等。
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新知讲解
（二）调查中国古代龙投石机
（3）时代背景与发展历程：春秋战国攻城需求
催生，汉唐时结构优化，种类增多，应用广泛。
宋代达到鼎盛时期，成为攻城核心。元代传入
“回回炮”，威力巨大；明代因火药武器普及逐渐淘汰。投石机是冷兵器时代工程力学与军事智慧的结晶，但体积大、移动难、受天气影响，终被火药武器取代。其原理对后世机械有启发。文献与考古可证其发展。
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新知讲解
（二）调查中国古代龙投石机
（4）工作原理：①人力牵引式：众人拉拽
短臂绳索储能，松绳后短臂下摆，长臂端高
速甩出弹丸。②配重式：提升短臂端配重储
存重力势能，释放后配重下落带动短臂下摆，长臂高速甩出弹丸，射程威力更大。③能量转换：人力/重力势能→杠杆动能→弹丸动能，射程可达数百米。
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新知讲解
【任务要求二】选择一种机械，调查研究它的结构、功能、工作原理和相关的时代背景。例如，中国古代使用的绞车和欧洲中世纪修建城堡时使用的吊车），在工作原理上有异曲同工之妙。
绞车 吊车
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新知讲解
【任务要求一】选择一种机械，调查研究它的结构、功能、工作原理和相关的时代背景。例如，中国古代使用的绞车和欧洲中世纪修建城堡时使用的吊车），在工作原理上有异曲同工之妙。
绞车 吊车
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新知讲解
【任务二】深入调查生产、生活中使用的机械
【任务要求】观察生产、生活中使用的机械，选择其中一种进行较为深入的调查。例如，现代建筑工地上的塔式起重机、挖土机和推土机，智能化生产线上的机械手或机器人，方便人们出行的自行车，日常生活中的指甲钳、抽水马桶里的冲水装置，等等。从材料、结构、功能、工作原理等方面进行研究，分析其中的创新点，提出进一步改进和创新的设想。
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新知讲解
（一）调查塔式起重机
1．塔式起重机（塔吊）是建筑工地的重型机械，用于吊装建材。其核心结构：
（1）塔身：支撑高度，稳定性由重心和底座宽度决定；
（2）起重臂：费力杠杆（支点在塔顶，需较大动力平衡长臂载荷）；
（3）平衡臂：通过配重块实现杠杆平衡，防止倾覆；
（4）起升结构：滑轮组（动滑轮省力，定滑轮改变方向）提升重物；
（5）回转结构：轮轴驱动起重臂水平旋转。
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新知讲解
（一）调查塔式起重机
2．塔式起重机的材料、结构与创新发展研究
（1）材料特性：塔式起重机金属结构采用高强度合金钢，减重并提升
承载能力。塔身标准节用高强度螺栓连接。起重臂用耐磨钢，驾驶室
用碳纤维复合材料优化强度与轻量化。液压系统耐高压橡胶软管。
（2）工作原理：基于“杠杆-轮轴”原理：起升机构卷筒钢丝绳升降重物，变幅机构小车移动改变半径，回转机构360°旋转。液压顶升系统：缸体固定-活塞杆运动，实现塔身接高。电气控制系统变频调速降低能耗。
（3）改进与创新设想：①智能化，能实现无人驾驶自动吊装；②提升安全性能，减少事故风险。
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新知讲解
（一）调查国产挖土机
（1）材料特性与应用
挖土机核心结构采用高强度低合金钢。动臂与斗
杆采用箱型截面，铰点等部位堆焊耐磨层，寿命
延长2倍以上。履带板用渗碳钢，液压系统采用
耐高压无缝钢管，聚氨酯密封件。驾驶室配备防弹玻璃及吸音棉，提升安全性与舒适性。
（2）结构组成：动臂、斗杆、铲斗；柴油发动机、液压泵组、回转机构、三点式悬挂减震；履带底盘、行走马达；PLC+触摸屏、集成电子监控、故障诊断、作业模式选择。
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新知讲解
（一）调查国产挖土机
（3）工作原理：①液压传动：柴油机驱动主泵输出高压油，
多路阀分配至执行元件。动臂/斗杆/铲斗油缸协同控制挖掘
轨迹。②回转机构：行星齿轮减速器实现360°全回转。③行走系统：双速马达，低速大扭矩，高速转场。
（4）技术创新：①智能控制：GPS电子围栏防盗；3D挖掘引导系统，实时显示标高偏差。②节能系统：电控共轨发动机+负载敏感液压，降低空载油耗；动臂势能回收节能。③轻量化：拓扑优化减重，高强度钢+铝合金复合结构，FRP罩壳，整机减重。④远程运维：4G/5G实时监控数据，远程诊断升级。
（5）改进设想：①智能化无人作业系统；②混合动力绿色节能。
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新知讲解
【任务三】设计制作机械模型
【任务要求】利用身边的器材设计和制作机械模型。例如，根据历史资料制作抛石机模型，或参照现实生活中的起重机制作起重机模型等。
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新知讲解
（三）深入调查智能化生产流水线上的机械手
（1）材料特性：高强度铝合金、碳纤维复合材料、40CrNiMoA合金、铬钼钢、食品级硅胶、防静电聚甲醛、陶瓷涂层等。
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新知讲解
（三）深入调查智能化生产流水线上的机械手
（2）结构组成
①驱动系统：伺服电机配谐波减速器；
②运动机构：4-6轴关节
③感知系统：3D相机、力传感器、碰撞传感器
④控制系统：EtherCAT总线，支持20+台协同
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新知讲解
（三）深入调查智能化生产流水线上的机械手
（3）工作原理
闭环控制：指令→分解→驱动→减速→反馈。
智能操作：3D视觉定位，力控装配，MES联动换型。
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新知讲解
（三）深入调查智能化生产流水线上的机械手
（4）技术创新
①轻量化高动态：拓扑优化减重，响应频率高
②智能感知：深度学习抓取成功率、力位控制良率高
③模块化重构：2小时完成构型变更
④数字孪生：故障预警准确率>90%
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新知讲解
（三）深入调查智能化生产流水线上的机械手
（5）改进方向
①智能化：强化学习异常处理，边缘AI芯片，识别速度提升
②绿色节能：永磁悬浮降耗，能量回收节电循环
③人机协作：气动肌肉外骨骼，电容传感器防护，遇人降速
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新知讲解
（三）深入调查智能化生产流水线上的机械手
（6）应用趋势
①新能源：锂电池装配机械手需求逐年增加，精度需求高
②医疗：手术机械手渗透率占2成，力控精度高
③2025年：AI视觉智能机械手市场占比超一半。
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新知讲解
任务三、设计制作机械模型
【任务要求】利用身边的器材设计和制作机械模型。例如，根据历史资料制作抛石机模型，或参照现实生活中的起重机制作起重机模型等。
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新知讲解
（一）制作投石机模型
1．利用雪糕棒、一次性筷子、橡皮筋等制作投石机模型
（1）器材：雪糕棒若干、一次性筷子2-4根、橡皮筋一根、饮料瓶盖一个、粗塑料吸管（或废旧笔管）一根、热熔胶枪一把（或速干胶水）。钢卷尺/直尺、记号笔、剪刀、小锯条（或美工刀）等。
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新知讲解
（一）制作投石机模型
（2）制作过程：
①底座支架搭建：将四根雪糕棒搭成四方形，并用热熔胶或速干胶水粘接连接处。将一次性筷子截成合适的长度，做成支架并粘接在底座上。
②转轴安装：将一次性筷子截成合适的长度架在支架上，中间套上塑料软管（或废旧笔管）制成的套管，并在套管上粘上一小段雪糕棒作为垫片，用以固定杠杆。
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新知讲解
（一）制作投石机模型
（2）制作过程：
③杠杆制作：将雪糕棒一端钻一个小孔，另一端用热熔胶粘瓶盖，勺口朝外。将一根橡皮筋穿过小孔固定在杠杆尾端，另一端套在底座横杆上。并将距离小孔约4cm处用热熔胶固定在转轴的垫片上。
④测试：先空载将瓶盖向下拉约30°，松手看是否顺畅；再放纸团或乒乓球，测量射程。
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新知讲解
（二）制作电梯模型
1．利用废旧纸箱、竹签、细棉线等材料制作电梯模型
（1）器材：瓦楞纸废旧纸箱一只、竹签若干根、细线一卷等、热熔胶枪一把（或速干胶水）。钢卷尺/直尺、记号笔、剪刀等。
03
新知讲解
（二）制作电梯模型
（2）制作过程：
①电梯井制作：将瓦楞纸纸箱裁剪成合适的尺寸，用热熔胶粘接，制作电梯井。将两个长竹签固定在电梯井底板上适当的位置，用来充当轿厢的滑轨。
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新知讲解
（二）制作电梯模型
（2）制作过程：
②轿厢制作：将纸箱板裁剪成合适的大小，粘接成轿厢，并将两根竹签穿过轿厢两侧面板，将一根足够结实足够长的细棉线固定在轿厢顶部，用来牵引轿厢。安装好电梯井的顶板，并初步调试细线牵引轿厢上下运动。
03
新知讲解
（二）制作电梯模型
（2）制作过程：
③滑轮和轮轴的制作：将纸箱板剪成三个圆形纸片，其中中间一片直径略小，用胶水粘贴起来，在圆心处串入竹签，做成定滑轮，并做好两边的支架。固定在电梯井顶部。再用同样方法，制作底部的轮轴，用一根短的竹签制作摇把，固定在电梯井的底板上。
03
新知讲解
（二）制作电梯模型
（2）制作过程：
④组装调试：将轿厢顶部的细线绕过电梯井顶部的定滑轮，将细线的另一端截取合适的长度，固定在底部轮轴的轴上。轻轻摇动轮轴的摇把，尝试将电梯的轿厢提升或下降。
PART 4 课堂小结
（苏科2024版）九年级
上
04
课堂小结
PART 5 典例分析
05
典例分析
例1.中华文明源远流长，古人的智慧除四大发明以外，还有许多值得我们学习的机械。绞车是与辘轳相似的另一种机械，它从唐代起便被普遍应用，成为建筑、军事必备器械之一。如图是我国古人利用绞车提升巨石的情景，下列说法正确的是（　　）
A．使用此装置可以省功
B．上方的滑轮可以改变力的方向
C．使用此装置可以省距离
D．绞车由动滑轮、定滑轮及轮轴组成
B
05
典例分析
【答案】B
【解析】A．使用任何机械（如杠杆、滑轮、斜面）时，都需要克服阻力做额外功，所以使用任何机械都不能省功，故A错误；
B．由图可知上方的滑轮是一个定滑轮，定滑轮的本质是等臂杠杆 ，不省力也不费力，但可以改变用力的方向，故B正确；
C．由图可知此装置是由定滑轮和轮轴组成的，定滑轮的本质是等臂杠杆 ，使用时既不省力也不费力；轮轴的本质是省力杠杆，省力杠杆费距离，故C错误；
D．由图可知此绞车由定滑轮和轮轴组成，并没有动滑轮，故D错误。
故选B。
05
典例分析
例2．如图是一种利用滚轴和绳子组装的特殊机械，借助这种装置可以将较重的物体搬运到高处，某人借助该装置提升重物G（不计摩擦和装置的自重），下列说法错误的是（　　）
A．图中A可简化为定滑轮
B．图中B可简化为动滑轮
C．人将绳子向下拉1米时，重物G也上升1米
D．利用该装置不仅可以省力，也能改变力的方向
C
05
典例分析
【答案】C
【解析】A．提升物体时，A的轴的位置固定不动属于定滑轮，故A正确，不符合题意；
B．图中B和物体一起移动，可看作是动滑轮，故B正确，不符合题意；
C．由图知，A、B组成滑轮组，n=5，则拉力端移动距离s=5h，人将绳拉过1m时，物体上升的高度h=02m，故C错误，符合题意；
D．不计摩擦和装置的自重，人对绳的拉力F=12G，拉力方向向下，可见，利用该装置既能省力，又能改变力的方向，故D正确，不符合题意。
故选C。
?
05
典例分析
例3．港珠澳大桥的成功建成离不开我国自行制造的世界上最大的吊装船“振华30”，如图是“振华30”正在吊装重达6000t沉管隧道最后的一段，吊装中使用了非常复杂的滑轮组，下列有关说法正确的是（　　）
A．使用滑轮组是为了省功
B．滑轮组中定滑轮的作用是改变力的方向
C．图中钢丝绳股数很多，是为了提高滑轮组的机械效率
D．该滑轮组的机械效率可能大于100%
B
05
典例分析
【答案】B
【解析】A．根据功的原理，使用任何机械都不省功，使用滑轮组可以省力或改变力的方向，但不能省功，故A错误；
B．定滑轮的特点是不省力，但可以改变力的方向，在滑轮组中定滑轮的作用就是改变力的方向，故B正确；
C．使用滑轮组过程中，克服钢丝绳重和摩擦做的功是额外功，在有用功一定时，钢丝绳股数越多，额外功越多，机械效率越低；图中钢丝绳股数很多，是为了省力，故C错误；
D．机械效率是有用功跟总功的比值，由于使用机械时不可避免地要做额外功，总功一定大于有用功，所以机械效率总是小于100%，不可能大于100%，故D错误。
05
典例分析
例4．如图甲所示是我国古人使用绞车和滑轮吊起石材时的模拟图，其简化结构图如图乙所示，绞盘横杆长度L与滚轴直径d之比为4∶1，已知每块大理石的重力为280N，吊框的重力为100N，不计绳重和机械间的所有摩擦，g取10N/kg。
（1）绞车可以看做_______（选填“轮轴”或“斜面”）；
（2）一位工匠的最大推力为400N，在某次工作中，该
工匠匀速推动绞车提升大理石板10m；
①在绳子最大拉力足够的情况下该工匠最多一次能够借
助绞车吊起多少块大理板？
②此时绞车的机械效率为多少？（百分号前保留1位小数）
05
典例分析
【答案】（1）轮轴 （2）5块 93.3%
【解析】（1）通过转动绞盘使绳子绕道滚轴，从而拉起物体，绞盘相对于轮，滚轴相对于轴，所以绞车可以看做轮轴。
（2）①一位工匠的最大推力为400N，绞盘横杆长度L与滚轴直径d之比为4∶1，则绳子的最大拉力
每块大理石的重力为280N，吊框的重力为100N，则工匠最多一次能够借助绞车吊起大理石数量
②吊起5块大理石时绞车的机械效率
PART 6 课堂练习
（苏科2024版）九年级
上
06
课堂练习
D
1. 如图是古代战争中的“大炮”——抛石机，能将石头抛得很远。它实际上是一个（　　）
A. 滑轮组 B. 省力杠杆
C. 等臂杠杆 D. 费力杠杆
06
课堂练习
2. 如图所示为古人利用绞车提升巨石的情景，下列说法中，正确的是（　　）
A. 使用此装置可以省功
B. 使用轮轴可以省距离
C. 上方的滑轮可以改变力的方向
D. 绞车由动滑轮、定滑轮及轮轴组成
C
06
课堂练习
3. 如图甲是《天工开物》中记载的一种农业生产汲水装置——辘轳，图乙是它提水时的示意图，为方便提水，应按照_________（省力/费力）杠杆来设计，支点是______（A/B/C）点；图丙中水龙头开关的设计也应用了同样原理，开关选用______（①/②）效果更好。
省力
B
①
06
课堂练习
4. 如图所示为手摇升降晾衣架的结构示意图，使用它可以方便地升降衣架来晾晒衣物。该装置通过一些机械的组合来实现此功能，装置中有____个动滑轮，使用该装置________（能/不能）省力，________（能/不能）改变力的方向。
2
能
能
06
课堂练习
5．抛石机是古人常用的重型攻城武器之一，如图甲所示，抛石机炮架上方横置一个可以转动的轴，固定在轴上的长杆称为“梢”。小强利用一次性筷子、勺子、细线、金属环等制作了抛石机模型，如图乙所示：手指竖直向下拉动细线下的金属环，使模
型的“梢”水平平衡．用重力为0.712N的正方体实心铜块作为
“炮弹”，轴到铜块的距离为30cm，轴到细线的距离为10cm。
（1）图乙中，“梢”实质是一个_____（选填“省力”“费力”或“等臂”）杠杆；为了减少抛石机对守城士兵的直接伤害，修筑城墙时应适当______（选填“高”或“矮”）一些。
（2）小强在发射调试时，“梢”在0.1s的时间内从水平位置开始旋转了90°，铜块恰好离开勺子，该过程中模型克服铜块重力做功的功率为_______W。
（3）小强在发射调试时，对金属环的力恒为2.67N，方向竖直向下，则机械效率为____%。
（4）为使“炮弹”抛更远，请你写出一条建议：___________________________________ 。
费力
高
2.136
80
下拉的速度大一些等。
06
课堂练习
6.如图所示为履带式吊车将重为6×104N的挖掘机从河道内吊出的情景。OB为吊臂，CA为液压杆，F1为液压杆对吊臂的作用力。当挖掘机静止时，吊臂B端受到竖直向下的
总拉力为6.2×104N。??
（1）静止在图示位置的吊臂可看作________杠杆；
（2）吊臂B端和吊钩上都装有滑轮，此时用4×104N的拉力F?将挖掘机匀速提
升1m用时10s。此过程中；F2所做有用功为________J，F?的功率为______W，
滑轮组的机械效率为______；
（3）已知吊车质量（不包含动滑轮、吊钩与钢丝绳）为15t，履带前后端E、F相距8m，此时吊车重心在EF正中，竖直吊绳到履带前端E的距离也为8m。为防止翻车，保持如图所示的吊臂长度和角度不变，该吊车可吊重物的最大质量为______t。以下操作可能引起翻车的是______，应避免。
A．缓缓缩短吊绳??B．缩短液压杆??C．缩短吊臂
费力
6×104
8000
75%
7.3
B
Thanks!
https://www.21cnjy.com/recruitment/home/fine
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