资源简介

第十章《机械与人》
10.1 科学探究：杠杆的平衡条件
知识点1 杠杆
1.杠杆：在力的作用下能绕着固定点转动的硬棒，这根硬棒就叫杠杆。
杠杆形成的条件：（1）要有力的作用。（2）能绕着固定点转动。（3）“硬棒”泛指有一定长度的，在外力作用下不发生形变的物体。杠杆可以是直的，也可以是任何形状的。
2.杠杆的五要素：
（1）支点（O）：杠杆绕着转动的固定点。它可能在棒的某一端，也可能在棒的中间，在杠杆转动时，支点是相对固定的；
（2）动力（F1）：使杠杆转动的力；
（3）阻力（F2）：阻碍杠杆转动的力；
（4）动力臂（L1）：从支点到动力作用线的距离；
（5）阻力臂（L2）：从支点到阻力作用线的距离。
知识点2 杠杆平衡条件
1.杠杆的平衡：当杠杆在动力和阻力的作用下 静止 时，我们就说杠杆处于平衡状态（右图中左右两杠杆均处于平衡状态）。
2.杠杆的平衡条件的实验：
实验步骤：（1）首先调节杠杆两端的螺母，使杠杆在 水平位置平衡 。用细线在左右两端悬挂数量不同的钩码，左侧钩码对杠杆的力记为动力，右侧钩码对杠杆的力记为阻力。控制动力臂和动力不变，通过改变阻力大小（通过改变钩码个数）和阻力的方向（阻力作用点在杠杆上的位置），直至杠杆再次在 水平位置平衡 。如右图所示，当杠杆在水平位置平衡时，这样就可以由杠杆上的刻度直接读出力臂的大小，分别记录动力、动力臂和阻力、阻力臂，并计入表格（见下表）。
次数 动力F1/N 动力臂L1/cm 动力×动力臂/N.cm 阻力F2/N 阻力臂L2/cm 阻力×阻力臂/N.cm
1
2
3
（2）调节钩码个数并改变钩码在杠杆上的位置，重复上述步骤两次（要求每次必须改变动力和动力臂），并计入表格。
（3）实验结论：
杠杆的平衡条件：动力×动力臂=阻力×阻力臂，或F1L1=F2L2。
N（牛）
【重点点拨】（1）实验前，调节杠杆使其在水平位置平衡时，杠杆 左端低 ，平衡螺母往 右 调，杠杆 右端低 ，平衡螺母往 左 调,简记为“左低右调，右低左调”。
（2）实验中使杠杆在 水平位置平衡 是为了便于测量力臂 ，使杠杆在倾斜位置平衡也可得出杠杆的平衡条件，只是在测量时力臂不在杠杆上，实验操作比较麻烦。
（3）在实验过程中，不允许再旋动两端的螺母。
（4）杠杆的 支点在中间 位置（ 支点与杠杆自身 重心重合 ）的目的是 为了消除杠杆自重对实验结果的影响 。
知识点3 杠杆的应用
1.省力杠杆：动力臂L1＞阻力臂L2，则平衡时F1＜F2，这种杠杆使用时可省力（即用较小的动力就可以克服较大的阻力），但却费了距离（即动力作用点移动的距离大于阻力作用点移动的距离;并且比不使用杠杆，力直接作用在物体上时移动的距离大）。
2.费力杠杆：动力臂L1＜阻力臂L2，则平衡时F1＞F2，这种杠杆叫做费力杠杆。使用费力杠杆时虽然费了力（动力大于阻力），但却省距离（可使动力作用点比阻力作用点少移动距离）。
3.等臂杠杆：动力臂L1=阻力臂L2，则平衡时F1=F2，这种杠杆叫做等臂杠杆。使用这种杠杆既不省力，也不费力，即不省距离也不费距离。
补充说明：既省力又省距离的杠杆时不存在的。
10.2 滑轮及其应用
一、定滑轮
1．定义：在使用时滑轮的轴固定不动的滑轮。
因为滑轮可以连续旋转，因此可看作是能够连续旋转的杠杆，仍可以用杠杆的平衡条件来分析。
2.实质：是一个等臂的杠杆，支点是滑轮的轴，力臂就是滑轮的半径。在如图中动力臂L1和阻力臂L2都是滑轮的半径，即为等臂杠杆。
3.特点：不能省力，但可以改变力的方向，给工作带来方便。既不省距离也不费距离。
所谓“改变力的方向”是指我们施加某一方向的力能得到一个与该力方向不同的力。
4.动力移动的距离（S绳）与重物移动的距离（h）相等。
对于定滑轮来说，无论朝哪个方向用力，定滑轮都是一个等臂杠杆，所用拉力都等于物体的重力G物（不计绳重和摩擦）。
二、动滑轮
1．定义：使用时，滑轮的轴随物体一起移动的滑轮。
2. 实质：动力臂L1为阻力臂L2二倍的杠杆（L1=2L2）．支点O在滑轮的边缘上. 随着动滑轮位置的变化，支点O的位置也在变化。如右图，O为支点，动力臂L1等于直径，阻力臂L2等于半径。
3. 特点：可以省一半的力．但不能改变力的方向．省了力但要费距离。动力移动的距离（S绳）为物体上升距离（h）的2倍。
注意（了解即可）：对于动滑轮来说：（1）动滑轮在移动的过程中，支点也在不停地移动；（2）动滑轮省一半力的条件是：动滑轮与重物一起匀速移动，动力F1的方向与并排绳子平行，不计动滑轮重、绳重和摩擦。
三、滑轮组
1.定义：定滑轮和动滑轮组合在一起的装置叫滑轮组。
2.特点：可以省力，也可以改变力的方向（有时只能省力，不能改变力的方向）。使用滑轮组时，有n段绳子吊着物体，提起物体所用的力就是物重的n分之一，即（适用条件：不计动滑轮重、绳重和摩擦）。或（适用条件：不计绳重和摩擦）。
（3）滑轮组是由若干个定滑轮和动滑轮组合而成，使用轮组，通常综合了动滑轮能省力和定滑轮能改变用力的方向的优点，所以使用很广，使用滑轮组虽然能 省力 ，但很 费距离 。
3.动力移动的距离（绳子自由端移动的距离）S绳和重物移动的距离h的关系是：使用滑轮组时，滑轮组吊着物体的绳子段数（动滑轮上承担物重的绳子段数）n，提起物体所用的力移动的距离（绳子自由端移动的距离）就等于物体移动距离的n倍，即S绳=nh。
拓展：判断滑轮组吊着物体所用绳子段数n的方法。 从左往右 将与 动滑轮 接触的绳子 段数之和 即为滑轮组吊着物体所用绳子段数n。
绳子自由端移动的速度与物体上升的速度的关系：V绳=nV物。
【知识归纳】
定滑轮相关公式
G物 h F S绳
动滑轮相关公式
F S绳
滑轮组相关公式
10.3 做功了吗
一、机械功
物理学中把力和物体在力的方向上移动的距离的乘积叫做机械功，简称功，用符号W表示。
二、判定怎样才算做功
1.功的二要素。判断力是否做功必须同时包括两个必要因素：一是作用在物体上的力；二是物体在力的方向上有通过的距离。
2.不做功的三种情况：有力无距离也叫“劳而无功”、有距离无力也叫“不劳无功”、力和距离垂直也叫“垂直无功”。
①“劳而无功”，F≠0，S=0，例如：用力推物体，物体未动；关键词：“未动”、“不动”、“静止”。
②“不劳无功”，F=0，S≠0，例如：跑出去的篮球继续在空中运动，此过程中手对篮球不做功；由 惯性 引起的运动，此时原来使物体运动的力对物体不做功。
③“垂直无功”，F≠0，S≠0，F⊥S，例如：手提着物体在水平方向运动，此时手对物体不做功。
三、功的计算
1.功的计算公式：W=FS或者W=Pt（第十章第4节知识）。
注意：
①要求哪个力对物体做功，公式中的F就是这个力；
②公式中的S一定是在力F的方向上通过的距离；
10.4 做功的快慢
一、功率
（1）功率的定义：在物理学中把一段时间内物体做的功与做功所用的时间的比叫做功率，用符号P表示；
（2）功率的物理意义：表示物体做功的快慢；功率大，物体做功快，功率小，物体做功慢；
例如：某电动车的输出功率为300W,表示的物理意义是：该电动车每秒对外做功为300J。
J/s（焦耳每秒）或W（瓦特） J(焦耳）
（3）功率的公式： ，即；
s（秒）
P：功率 1W=1J/s
W：功（物体所做的功）
t：物体做功所用的时间
功率的推导公式：
功率的单位：瓦特（W），千瓦（kW），1kW=103W；
二、功率大小的比较
功率是表示物体做功快慢的物理量，一般采用下列三种办法比较功率的大小：
（1）在相同时间内，比较做功的多少，做功越多的物体，功率越大。
（2）在完成相同功的条件下，比较所用时间的长短，所用时间越短的物体，功率越大。
（3）做功多少和所用时间都不同的情况下，通过公式计算，然后进行比较，P大的功率大。
三、功率的应用：
1.功率的公式： （其中P：功率，W：功，t：做功所用的时间）
2.计算功率的另一个公式：P=Fv，即物体 在拉力F的作用下，以速度v沿拉力F的方向做匀速直线运动 ，则拉力F所做的功的功率可表示为P=Fv．（其中F表示物体所受的拉力，v表示物体运动的速度）。
a．推导：由，联立W=Fs，得==Fv。
由该公式可知：在功率P一定时，力F与速度v成反比。
b．应用：当汽车上坡时，司机采取换挡的办法，减小速度，以获得较大的牵引力。
10.5 机械效率
知识点1 机械效率
１.有用功：为达目的，必须要做的功。符号：W有 单位：焦耳（J）。
【知识拓展】根据人们使用机械的不同，有用功的计算也不尽相同。例如：若使用机械的目的是提升重物，那么 克服物体的重力做的功就是有用功，即（W有=FS=G物h）。如果使用机械的目的是在水平面上平移重物，那么 克服物体与水平面间的摩擦力做的功是有用功，即（W有=FS=fS）。
公式：W有=W总－W额=W总η；
动滑轮、定滑轮及滑轮组提升重物模型：W有＝G物h
斜面模型：W有= G物h。
水平面拉动物体：W有＝fS
2.额外功：不需要但又不得不做的功。如：从井中打水时 提水桶和绳子所做功（对水桶和绳子所做的功）。
【知识拓展】对于滑轮组提升重物的情况，克服动滑轮重、绳重等所做的功是额外功。在解题过程中，常忽略绳重和摩擦，则此时克服动滑轮重所做的功为额外功。利用斜面提升重物时，克服斜面摩擦所做的功为额外功。
公式：W额= W总－W有
竖直方向不计摩擦和绳重的动滑轮、滑轮组提升物体模型：W额=G动h（其中，G动：动滑轮的重力，h：物体上升的距离）。
斜面模型：W额=fS（其中，f：斜面对物体的摩擦力，S：物体在斜面上移动的距离）。
3.总功：有用功与额外功之和或动力（拉力）所做的功。
公式：
斜面模型：W总= fS+G物h=FS（其中，f：斜面对物体的摩擦力，S：物体在斜面上移动的距离，G物：物体的重力，h：物体上升的距离）。
机械效率：有用功跟总功的比值。机械效率计算公式：
斜面模型：见下图
S h
知识点2 实验探究：测量滑轮组的机械效率
【实验目的】会测量滑轮组的机械效率。
【实验原理】 （G物：动滑轮所拉物体的重力；h：动滑轮处物体上升的距离；F：绳子自由端的拉力；S：绳子自由端移动的距离）
【待测数据】物重G物、拉力F、重物上升的距离h、弹簧测力计移动的距离S
【实验器材】钩码、滑轮组、铁架台、细线、弹簧测力计、刻度尺。
【实验步骤】
（1）按如图所示组装滑轮组。
（2）将钩码挂在滑轮组下方，记录下所挂钩码的重力G物，用弹簧测力计竖直向上拉住绳子自由端。
（3）将刻度尺放在如图所示的位置，分别记录下钩码和绳子自由端的起始位置A、B。
（4）用弹簧测力计匀速拉动绳子自由端，使物体匀速上升一段距离，记录弹簧测力计的读数，分别记录下钩码和绳子自由端上升后所达到的末位置A1、B1。
（5）根据测量数据，分别计算出钩码上升的距离ｈ（h=A/-A）和绳子自由端移动的距离ｓ（s=B/-B），然后根据Ｗ有＝G物h和Ｗ总＝FS计算出有用功和总功，按 ，计算该滑轮组的机械效率。
（6）改变所挂钩码的重力，重复以上实验步骤。
（7）钩码重力不变，改变动滑轮个数重复上述实验步骤。
【实验结论】
①滑轮组机械效率与物体重力和动滑轮的个数有关；
②同一滑轮组，提起的 物重（G物） 越重，滑轮组的机械效率越高；
③不同的滑轮组机械效率不同，且在 物重（G物） 相同时，动滑轮越重，滑轮组的机械效率越低。
【考点方向】
1.步骤：必须匀速拉动弹簧测力计使钩码升高，目的：保证测力计示数大小不变，便于读数。
2.结论：影响滑轮组机械效率高低的主要因素有：
（1）动滑轮越重，个数越多则额外功相对就多，机械效率就低（动重η低）。
（2）提升重物越重，做的有用功相对就多（物重η高）。
（3）摩擦，若各种摩擦越大，做的额外功就多（摩多η低）。
归纳：提高有用功能增加机械效率； 机械效率
减少额外功能增加机械效率。 的提高
3.同一滑轮组：绕线方法和重物提升高度不影响滑轮机械效率。
4.测量机械效率时，为什么不能使弹簧测力计静止？机械效率会怎样？
答：当弹簧测力计静止时，绳子和滑轮之间没有摩擦力，拉力示数会变小，有用功在总功中占的比例增大，滑轮组的机械效率偏大。
5.实验中改变钩码的数量，改变动滑轮的个数进行多次实验的目的是什么？(避免偶然性，使结论具有普遍性）。
答：改变钩码个数、改变动滑轮的个数从而获得多组数据，这样可以避免一组数据的偶然性，更能得出普遍性规律。
6.通过该实验我们可以得出结论：增大物重或减少动滑轮的重力可以提高滑轮组的机械效率。
10.6 合理利用机械能
知识点1：动能和势能
1.能量：如果一个物体能够对别的物体做功，就说这个物体具有能量。
物体做功的过程就是能量转化的过程，物体做的功越多，说明某种能转化为别的形式的能越多。
2.动能和势能的概念：
动能：
（1）概念：物体由于 运动 具有的能，叫做动能。一切物体都具有动能。
（2）影响动能大小的因素：物体的 质量 和 速度 。物体的质量越大，速度越大，物体具有的动能就越大。
（3）单位：焦耳（J）。
势能：弹性势能和重力势能统称为势能。
（1）重力势能
①概念：物体由于 高度位置 所具有的能量，叫做重力势能。
②影响重力势能大小的因素：物体的 质量 和物体 所处的高度 。物体的质量越大，所处的高度越高，物体的重力势能就越大。
③单位：焦耳（J），重为1N的物体（质量约为0.1kg），被举高1m时所的能量，就是1J。在这个过程中，该物体所增加的重力势能也是1J。
（2）弹性势能
①概念：物体 因弹性形变 而具有的能，叫做弹性势能。
②影响弹性势能大小的因素： 弹性形变程度 。同一物体在弹性限度
范围内的弹性形变程度越大，弹性势能就越大。
③单位：焦耳（J）。
3.影响动能和势能的大小因素：
（1）动能的大小与两个因素有关：一是物体的质量，二是物体运动速度的大小；当物体的质量一定时，物体运动的速度越大其动能越大，物体的速度越小其动能越小．具有相同运动速度的物体，质量越大动能越大，质量越小动能越小；物体的质量越大，速度越大，其动能就越大。
（2）重力势能的大小与两个因素有关：一个是物体的质量，另一个是物体被举高的高度。当物体的质量一定时，物体被举高的高度越大，其重力势能越大，物体被举高的高度越小，其重力势能越小；当物体被举高的高度一定时，物体质量越大其重力势能越大，物体质量越小其重力势能越小；物体的质量越大，举得越高，其重力势能就越大。
（3）弹性势能的大小与两个因素有关：一个是弹簧本身的性质，另一个是弹性形变的大小。当弹簧本身的性质相同时，形变越大，它具有的弹性势能就越大，形变越小，具有的弹性势能就越小；当弹簧形变相同时，性质不同的弹簧弹性势能不同。
知识点2：动能和势能的相互转化
1.机械能的概念：
（1）动能和势能统称机械能。动能和势能的和就是机械能，动能和势能都属于机械能，动能是物体运动时具有的能量，势能是存储着的能量，动能和势能是机械能的两种表现形式。
（2）机械能大小：等于动能和势能的总和。
2.动能和势能的转化
（1）在一定的条件下，动能和重力势能之间可以相互转化。如将一块小石块，从低处抛向
高处，再从高下落的过程中， 先是动能转化为重力势能 ， 后又是重力势转化为动能 。
在一定的条件下，动能和弹性势能之间可以相互转化。如跳水运动员，在起跳的过程中，压跳板是 动能转化为弹性势能 ，跳板将运动员反弹起来是 弹性势能转化为动能 。
归纳：在机械能的相互转化中，若题目中说将A能量转化为B能量，则转化前的这种能量形式减少，转化后的这种能量形式增加，即A能量减少，B能量增加。

展开更多......

收起↑