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(共53张PPT)
第十章　简单机械
课标链接 1.知道简单机械。(物理观念)
2.通过实验,探究了解杠杆的平衡条件。(科学探究、科学思维)
3.知道机械效率。(科学思维)
4.了解提高机械效率的途径和意义。(物理观念)
5.了解人类使用机械的历程。(科学态度与责任)
6.了解机械的使用对社会发展的作用。(科学态度与责任)
必备知识夯基础
考点 1
杠杆
考点清单
1.杠杆及其五要素
定义 在力的作用下绕着固定点转动的硬棒叫杠杆 ①杠杆可直可曲,形状任意。②在力的作用下不易发生形变 五要素 支点 杠杆绕着转动的固定点,用“O”表示
动力 使杠杆转动的力,用“F1”表示
阻力 阻碍杠杆转动的力,用“F2”表示
动力臂 从支点到动力作用线的距离,用“L1”表示
阻力臂 从支点到阻力作用线的距离,用“L2”表示
五要素 说明
动力、阻力都是杠杆受到的力,所以作用点在杠杆上;动力、阻力的方向不一定相反,但它们使杠杆转动的方向相反
2.杠杆的平衡条件
调节 调节杠杆两端的平衡螺母,使杠杆在不挂钩码时,保持水平并静止,达到平衡状态
①目的:可以方便地从杠杆上读出力臂的大小;消除杠杆自身重力对杠杆平衡的影响
②调节方法:左端高向左调,右端高向右调
杠杆的平衡条件 动力×动力臂=阻力×阻力臂
公式:F1l1=F2l2或
动力臂和阻力臂的比值不变
动力和阻力的比值也不变
3.杠杆的分类
种类 省力杠杆 费力杠杆 等臂杠杆
示意图
力臂 l1大于l2 l1小于l2 l1等于l2
力的情况 F1小于F2(省力) F1大于F2(费力) F1等于F2(不省力也不费力)
距离情况 费距离 省距离 不费距离也不省距离
应用工具 橇棒、铡刀、瓶盖起子等 钓鱼竿、镊子、筷子等 跷跷板、天平等
教材素材再利用
1.如图所示,赛艇的船桨是一种杠杆,划船时它是一支费力杠杆,手移动的距离小于(选填“大于”或“小于”)桨在水中移动的距离。
考点 2
滑轮与滑轮组
类型 定滑轮 动滑轮 滑轮组
定义 中间的轴固定不动的滑轮 和重物一起移动的滑轮 定滑轮和动滑轮的组合
实质 等臂杠杆 动力臂为阻力臂2倍的省力杠杆
变形或图示
类型 定滑轮 动滑轮 滑轮组
特点 不省力但是改变动力的方向 省一半的力,但 不能改变动力的方向 既能省力又能
改变动力的方向
F移动距离(s)和G移动距离(h)的关系 s=h s=2h s=nh
教材素材再利用
2.如图甲所示,旗杆顶部的滑轮是定滑轮,它可以改变力的方向;如图乙所示,电动起重机吊钩处的滑轮为动滑轮,它可以省一半力。
考点 3
机械效率的计算
1.机械效率及其计算公式
三种功 有用功 使用机械时,完成工作目标必须做的功,用W有表示 有用功总小于总功,所以机械效率总小于1,通常用百分数表示
额外功 并非需要,又不得不做的功,用W额表示 总功 有用功与额外功的和,也是作用在机械上的动力做的功,W总=Fs=W有+W额
机械 效率 有用功跟总功的比值,用公式表示为η=,实际中η<1 提高机械效率的方法:减小机械自重、减小机件间的摩擦、增大物重
影响机械效率的因素 滑轮组 ①被提升的物重:物重增加,机械效率提高;②动滑轮重:动滑轮重增加,机械效率减小;③绳重和摩擦 斜面 ①斜面的倾斜程度:斜面越陡,机械效率越高;②斜面的粗糙程度:斜面越粗糙,机械效率越低
2.常见简单机械的机械效率的计算
比较项 有用功 总功 机械效率
物体上升高度为h时所做的功 W有=Gh 拉力F移动s所做的功W总=Fs η=
物体上升高度为h时所做的功 W有=Gh 拉力F移动s所做的功W总=Fs,s=h η=
比较项 有用功 总功 机械效率
物体上升高度为h时所做的功W有=Gh 拉力F移动s所做的功W总=Fs,s=nh(n为承担动滑轮绳子的段数) η=
克服摩擦力所做的功 W有=Ffs物 拉力F移动s所做的功W总=Fs=Fns物(n为承担动滑轮绳子的段数) η=
考向突破增知能
考向 1
杠杆类型的判断
命题角度
例1在如图所示的两种常用工具中,以下判断正确的是(　　)
A.甲省力、乙费力
B.甲费力、省距离、省功
C.乙省力、费距离、省功
D.甲费力、乙费距离、都不省功
答案:D
方法归纳　结合生活经验,先判断杠杆在使用过程中,动力臂和阻力臂的大小关系,再判断它是属于哪种类型的杠杆。
对应练1人的前臂就是物理学中的杠杆。如图所示,对于利用前臂提起重物的过程中,以下分析合理的是(　　)
A.前臂是省力杠杆
B.重物给前臂的力是动力
C.肱二头肌给桡骨的力是阻力
D.前臂杠杆的支点O在肘关节处
答案:D
考向 2
杠杆的平衡条件及其应用
例2如图所示,轻质杠杆OB可绕O点转动,OA=AB。在A点悬挂物体,在B点竖直向上拉动杠杆使其始终保持水平平衡,拉力为F。下列说法正确的是(　　)
A.F的大小为物重的2倍
B.物重增加5 N,F的大小也增加5 N
C.物体悬挂点右移,拉力F会增大
D.将F改为沿图中虚线方向,拉力F会减小
答案:C
对应练2远行去看祖国的大好河山,同学们常会用到拉杆旅行箱。如图所示,装有物品的旅行箱整体可视为杠杆,小明在A点沿图示方向施加拉力F使行李箱静止,O为支点,B为行李箱的重心,A为拉杆的端点。下列说法正确的是(　　)
A.拉杆箱可以看作费力杠杆
B.图中OA为拉力F的力臂
C.其他条件不变时,仅伸长拉杆的长度,会更省力
D.其他条件不变,箱内物体下滑,重心位置由B变至C,再次静止时,拉力F增大
答案:C
考向 3
机械效率的计算
例3某建筑工人用如图所示的滑轮组将重为480 N的物体匀速提升6 m,用时20 s,不计绳重和摩擦。
(1)求物体上升速度的大小。
(2)求该过程中的工人做的有用功。
(3)已知动滑轮重为120 N,求该滑轮组的机械效率。
答案:(1)0.3 m/s　(2)2 880 J　(3)80%
解析:(1)物体上升的速度为v物==0.3 m/s。
(2)由题意及做功公式可得,工人所做有用功为
W有=G物h物=480 N×6 m=2 880 J。
(3)不计绳重、摩擦,额外功为克服动滑轮重力所做的功,即
W额=G动h动=120 N×6 m=720 J
则总功为
W总=W有+W额=2 880 J+720 J=3 600 J
该滑轮组的机械效率为η==0.8=80%
对应练3安装在某种塔式起重机吊臂一侧的滑轮组如图所示,某次匀速起吊600 kg的物体时,上升5 m,用时15 s,滑轮组的机械效率是80%,则所做有用功是　　　　　 J,总功是　　　　 J,拉力F的功率是　　　　 W。(g取10 N/kg)
答案:3×104　3.75×104　2.5×103
实验突破
探究杠杆的平衡条件
试验点 1
【设计与进行实验】
1.平衡螺母的作用:调节杠杆在水平位置平衡
2.实验前杠杆平衡螺母的调节:左高向左调,右高向右调。注意:平衡后的杠杆,在实验过程中不能再调节平衡螺母
3.让支点处于杠杆中央的目的:克服杠杆自身重力的影响
4.实验开始需调节杠杆在水平位置平衡的目的:便于测量力臂
5.弹簧测力计的使用和读数
6.绘制记录实验数据的表格,至少进行3次实验,表格中要有单位
【分析数据,总结结论】
7.分析异常数据找出原因:杠杆自身重力对实验结果产生影响
8.分析数据总结杠杆平衡条件
杠杆的平衡条件是动力×动力臂=阻力×阻力臂,写成公式为F1l1=F2l2
【交流与反思】
9.测量多组数据的目的:使实验结论具有普遍性
10.将一端钩码换成弹簧测力计的好处:能直接测出拉力的大小,实验操作更方便
11.弹簧测力计从竖直拉杠杆变成倾斜拉杠杆,杠杆仍保持水平平衡时,弹簧测力计的示数逐渐增大
12.杠杆类型的判断,通过比较动力臂和阻力臂的大小,可判断杠杆的种类
13.杠杆力臂作图
14.杠杆平衡条件在生活中的应用及计算
例1某实验小组探究“杠杆平衡条件”的实验装置如图所示(杠杆刻度均匀,每个钩码重0.5 N)。
(1)挂钩码前,杠杆如图甲所示。此时正确的操作是向　　　　(选填“左”或“右”)调节杠杆两端的螺母,使杠杆在水平位置平衡。
(2)接下来,在A、B两处挂上如图乙所示的钩码后,杠杆重新在水平位置平衡,若将A处的钩码拿掉一个,要使杠杆在水平位置再次平衡,则应将B处所挂钩码向　　　(选填“左”或“右”)移动　　　个格。
(3)某同学用弹簧测力计替代钩码,在B点竖直向下拉,然后将弹簧测力计绕B点逆时针旋转一定角度至如图丙所示位置。在旋转过程中,要使杠杆始终在水平位置平衡,则弹簧测力计的示数将逐渐　　　　(选填“变大”或“变小”),原因是　 　。
答案:(1)右　(2)左　2　(3)变大　阻力和阻力臂不变,动力臂变小,动力变大
测量滑轮组的机械效率
试验点 2
实验原理 η=
实验装置
测量 器材 测重力及拉力:弹簧测力计
测距离:刻度尺
实验 设计 (1)用弹簧测力计测量钩码所受的重力
(2)匀速拉动弹簧测力计使钩码上升,读出拉力F的值,同时分别记下钩码和绳端的初、末位置
(3)用刻度尺测量钩码移动的距离和绳端移动的距离
(4)改变钩码所受的重力,多测几次
实验 结论 同一滑轮组提升的重物越重,滑轮组的机械效率越高
评估 交流 (1)实验中,要匀速缓慢拉动弹簧测力计,其目的是使弹簧测力计示数稳定,便于读出拉力大小
(2)实验中没有刻度尺,也能测量滑轮组的机械效率,因为
η=
例2在“测量滑轮组的机械效率”的实验中,各小组所用实验装置如图所示。
实验 次数 钩码总 重G/N 钩码上升的高度h/m 拉力 F/N 绳自由端移动的距离s/m 机械效
率η
1 1 0.1 0.6 0.3 55.6%
2 2 0.1 0.9 0.3 74.1%
3 3 0.1 1.2 0.3
(1)在实验操作中应竖直向上　　　　拉动弹簧测力计;
(2)第一组同学正确操作并记录数据如上表,则第3次机械效率为　 　　;
(3)分析表中的实验数据及测量结果可知:影响滑轮组的机械效率的因素是　 ;
(4)第二组同学也利用1 N、2 N、3 N的钩码进行三次实验,每次测得的机械效率均大于第一组同学的测量值,不可能的原因是　　　。
A.测拉力时,弹簧测力计未调零,指针指在零刻度线上方
B.弹簧测力计每次拉动钩码时均加速上升
C.第二组所使用的动滑轮的重力小于第一组
答案:(1)匀速　(2)83.3%　(3)物体所受重力　(4)B
多维训练培素养
1.如图所示,关于旗杆上端定滑轮的作用,说法正确的是(　　)
A.省力 B.省功
C.费力 D.改变力的方向
答案:D
2.(2025·贵州安顺模拟)2024年8月8日,我国选手在巴黎奥运会静水项目男子500 m双人划艇决赛中,勇夺冠军。如图所示,运动员手中的桨可视为杠杆,下列工具正常使用时,与桨属于同类杠杆的是(　　)
A.拧螺丝时使用的扳手
B.剪铁丝时使用的钢丝钳
C.钓鱼时使用的鱼竿
D.修剪树枝时使用的园艺剪
答案:C
3.如图所示,用剪刀将一张纸片缓慢地一刀剪开的过程中,以下说法正确的是(　　)
A.此剪刀是省力杠杆
B.剪刀刃的厚度很薄,是为了减小压强
C.手施加的动力不变
D.手施加的动力逐渐变大
答案:D
4.下列挪动球形石墩的方法中,最省力的是(　　)
答案:A
5.我国古代劳动人民在建筑工地上运送大木料的情境如图所示,对于此图片提供的信息,下列说法正确的是(　　)
A.大木料下放置小圆木是为了增大摩擦
B.支架下垫有石块是为了增大地面所受的压强
C.工人使用的横杆相当于省力杠杆
D.抬起大木料的过程中使用横杆可以省功
答案:C
6.【跨学科试题】《墨经》最早记述了秤的杠杆原理,如图所示,“标”“本”表示力臂,“权”“重”表示力,以下说法符合杠杆平衡原理的是(　　)
A.“权”小于“重”时,A端一定上扬
B.“权”大于“重”时,“标”一定大于“本”
C.增大“重”时,应把“权”向A端移
D.减小“重”时,应更换更大的“权”
答案:C
7.【跨学科试题】家用手摇晾衣架如图所示,衣服和晾衣架的总重为120 N,不计动滑轮重、绳重及摩擦。下列分析判断正确的是(　　)
A.滑轮B为定滑轮
B.使用滑轮A是为了省力
C.使用该滑轮组可以省功
D.晾衣架静止时,绳的拉力F为30 N
答案:D
8.《天工开物》里记载的一种捣谷的舂如图甲所示,其简化原理图如图乙所示, OA∶AB=3∶5,捣谷人对B点
的作用力F1使水平静止的横木
转动。若碓头质量为20 kg,g取
10 N/kg,不计横木的重力和转动摩擦,下列说法正确的是(　　)
A.碓的头部较细,是为了增大压力
B.图乙中的舂相当于省力杠杆
C.横木水平时,捣谷人对B点的作用力F1最小为300 N
D.人脚越靠近O点越省力
答案:C
9.小聪想搬起地面上重350 N的石块,但未搬起;小明用重50 N的动滑轮在6 s内将此石块匀速竖直提升了3 m,如图所示(不计绳重和滑轮摩擦),下列说法不正确的是(　　)
A.搬石块时,小聪没有对石块做功
B.绳子自由端的拉力为200 N
C.动滑轮的机械效率为87.5%
D.拉力的功率为100 W
答案:D
10.端午节时,同学们外出游玩。购买饮料时,售货员用启瓶器开启饮料瓶的情境如图所示。启瓶器在正常使用时,属于　　　　(选填“省力”“等臂”或“费力”)杠杆。开启后的瓶盖中间出现了凹陷,说明力可以使物体发生　 。
答案:省力　形变
11.小李同学在利用如图所示的装置研究动滑轮特点时,猜想:如果忽略绳重与摩擦,绳端拉力F可能与被提升木块所受的重力、木块上升的高度、动滑轮所受的重力、动滑轮的直径等因素有关。
(1)若小李探究绳端拉力F与动滑轮直径的关系,请将实验步骤补充完整。
步骤一:按图安装动滑轮。
步骤二:匀速拉动弹簧测力计,使木块升高,读出拉力F的值并记录。
步骤三:换用　　　　　　　　的动滑轮,使同一木块匀速上升
相同的高度,读出拉力F的值并记录。
步骤四:重复步骤三,多做几次实验。
(2)步骤四的目的是:　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(3)若小李五次实验测得F分别为:1.8 N、1.8 N、1.8 N、1.8 N、1.8 N,则初步得到的结论是:在其他因素相同时,　　　　　　　　 　　　　　　　　　　。
答案:(1)不同直径
(2)多次测量避免偶然性
(3)绳端拉力F与动滑轮直径无关
12.如图所示,在“测量滑轮组机械效率”的实验中,利用图甲、乙、丙三个实验装置进行实验,测得的实验数据如表所示。(钩码规格相同、动滑轮个数越多所受重力越大)
实验 次数 钩码所受重力 G/N 提升高 度h/m 绳端拉 力F/N 绳端移动 距离s/m 机械效
率η
1 4 0.1 0.3
2 8 0.1 3.2 0.3 83.3%
3 8 0.1 2.0 0.5 80.0%
(1)在实验中,应沿竖直方向　　　　拉动弹簧测力计。
(2)第一次实验中,如图戊所示,弹簧测力计的示数是　　　　 N,机械效率是
　　　　(精确到0.1%)。
(3)由1、2两次实验数据可得出结论:　　　　　　　　　　　　　　。
(4)由　　　　两次实验数据可得出结论:使用不同滑轮组提升相同重物,动滑轮越重,机械效率越低。
(5)在第三次实验操作的基础上,如图丁所示,改变绳端拉力方向,测得的滑轮组机械效率将　　　　(选填“偏高”“偏低”或“不变”)。
答案:(1)匀速
(2)1.8　74.1%
(3)使用同一滑轮组,物体所受重力越大,机械效率越高
(4)2、3
(5)偏低
13.修建房屋时,人们往往会利用起重机(如图甲所示)来搬运质量较大的建筑材料。图乙为起重机内部滑轮组的简易图。现用该起重机将质量为400 kg的建筑材料在20 s内拉起5 m,绳子自由端的拉力F=1 500 N,不计绳重和摩擦,g取10 N/kg。求:
(1)起重机对建筑材料做的有用功;
(2)该起重机滑轮组的机械效率(结果精确到0.1%)。
答案:(1)20 000 J　(2)88.9%
14.中国已经与多个国家签署了基建合作协议,涉及铁路、公路、桥梁、隧道、水利等多个领域,基础建设需要大型机械助力。如图所示,起重机滑轮组10 s内将质量为1.5×103 kg的建筑模块匀速提高了4 m,在此过程中,钢丝绳自由端的拉力功率是7.2×103 W,g取10 N/kg。
(1)若建筑模块与地面的接触面积是20 m2,
起吊前模块对水平地面的压强是多少
(2)求钢丝绳自由端的拉力做的功。
(3)求钢丝绳自由端的拉力。
答案:(1)750 Pa　(2)7.2×104 J　(3)6×103 N
解析:(1)建筑模块所受的重力为
G=mg=1.5×103 kg×10 N/kg=1.5×104 N
起吊前模块对地面的压力为F=G=1.5×104 N
对地面的压强为p==750 Pa。
(2)由P=可得,钢丝绳自由端的拉力做的功为
W=Pt=7.2×103 W×10 s=7.2×104 J。
(3)由题图知,承担重物的绳子段数n=3,所以绳端移动的距离
s=nh=3×4 m=12 m,由W=Fs可得,绳端拉力为
F'==6×103 N。

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