初中物理专题简单机械.docx
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初中物理专题简单机械
1.在力的作用下绕着固定点转动的硬棒叫杠杆,杠杆的五要素包括支点、动力、阻力、动力臂和阻力臂.
说明：
动力、阻力都是杠杆受到的力,所以作用点都在杠杆上.动力、阻力的方向不一定相反,但它们使杠杆的转动方向一定相反.
2.在探究杠杆的平衡条件时,实验前应先调节杠杆两端的平衡螺母,使杠杆在水平位置平衡,这样做的目的是便于在杠杆上量出力臂.杠杆的平衡条件是动力×动力臂＝阻力×阻力臂,用公式可表示为＝.
3.解决杠杆平衡时动力最小问题：
在杠杆中的阻力、阻力臂一定的情况下,要使动力最小,必须使动力臂最大.要使动力臂最大需要做到：
①在杠杆上找一点,使这点到支点的距离最远；②动力的方向应该是过该点且与该点和支点的连线垂直.
4.杠杆的分类与应用：
名称
结构特征
应用举例
省力杠杆
动力臂大于阻力臂
撬棒、铡刀、动滑轮、羊角锤、钢丝钳、手推车、花枝剪刀等
费力杠杆
动力臂小于阻力臂
缝纫机踏板、起重臂、人的前臂、理发剪刀、钓鱼竿等
等臂杠杆
动力臂等于阻力臂
天平、定滑轮等
5.定滑轮和动滑轮
定滑轮
①定义：
中间的轴固定不动的滑轮.②实质：
等臂杠杆.③特点：
使用定滑轮不能省力但是能改变力的方向.④理想的定滑轮若不计轮轴间摩擦,则拉力F＝G.
动滑轮
①定义：
轴和重物一起移动的滑轮.②实质：
动力臂是阻力臂两倍的杠杆.③特点：
使用动滑轮能省一半的力,但不能改变力的方向.④理想的动滑轮若不计摩擦和动滑轮重力,则拉力F＝G；若只忽略摩擦,则拉力F＝__（）.
6.滑轮组
（1）使用滑轮组既能省力又能改变力的方向,用滑轮组提升重物时,动滑轮上有n段绳子承担物重,如果不计摩擦和动滑轮的重力,则拉力F＝；如果只忽略摩擦,则拉力F＝.
（2）组装滑轮组的方法：
首先根据公式n＝求出绳子的段数,然后根据奇动偶定的原则,结合题目的具体要求组装滑轮组.
7.物理学中,将有用功与总功的比值,叫做机械效率,机械效率的公式是η＝,使用任何机械都不可避免地要做额外功,有用功总是小于总功,所以机械效率总是小于1,机械效率通常用百分数表示.
8.测量机械效率的方法：
（1）原理：
η==.
（2）应测物理量：
钩码重力G、钩码提升的高度h、拉力F、绳子自由端移动的距离s.
（3）器材：
除钩码、铁架台、滑轮、细线外,还需刻度尺和弹簧测力计.
（4）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.
考点1杠杆的分类与应用
【例1】（北京）如图11-1所示的工具中,在使用时属于费力杠杆的是（）
A.天平B.瓶盖起子C.食品夹D.钳子
图11-1
【解析】天平在使用过程中,动力臂等于阻力臂,是等臂杠杆,既不省力也不费力；瓶盖起子在使用过程中,动力臂大于阻力臂,属于省力杠杆；食品夹在使用过程中,动力臂小于阻力臂,属于费力杠杆；钳子在使用过程中,动力臂大于阻力臂,属于省力杠杆；故本题答案选C.
【答案】C
【变式训练】
1.“竹抻面”是我国传统面点美食,如图11-2甲,在制作面团的过程中,让一段毛竹的一端固定在绳扣中,人坐在另一端可以上下跳动,面团在毛竹不断挤压下变得更有韧性,如图乙是它的原理图.可以把毛竹视为一根杠杆,关于此杠杆的叙述中,正确的是（）
甲乙
图11-2
A.B是支点
B.杠杆在B点受到向下的力
C.杠杆在B点受到的力大于
D.A点移动的距离小于B点移动的距离
答案：
C
解析：
由题图可知,杠杆绕O点转动,O是支点,故选项A错误；面团在B点受到的力向下,杠杆在B点受到的力向上,故选项B错误；是动力,在B点受到的力是阻力,由题图可知,动力臂大于阻力臂,由杠杆平衡条件可知,阻力大于动力,即杠杆在B点受到的力大于,故选项C正确；由题图可知,A点的力臂大于B点的力臂,A点移动的距离大于B点移动的距离,故选项D错误,故本题选C.
考点2实验探究杠杆的平衡条件
【例2】（南京）用如图11-3所示的装置做“探究杠杆的平衡条件”实验.
甲乙
图11-3
（1）实验开始时,杠杆的位置如图甲所示.为使杠杆在水平位置平衡,应将杠杆的平衡螺母向________（选填“左”或“右”）移动.
（2）如图乙所示,在刻度线“2”处挂2个钩码,在刻度线“4”处用调好的弹簧测力计竖直向下拉杠杆,杠杆在水平位置平衡时,弹簧测力计的示数为,将弹簧测力计斜向左拉,杠杆在水平位置平衡时,其示数________（选填“>”“=”或“<”,下同）；再将弹簧测力计斜向右拉,杠杆在水平位置平衡时,其示数________.
（3）得到实验结论后,利用图乙所示的装置,只借助杠杆上的刻度线,右侧只使用弹簧测力计,左侧只悬挂重物.若弹簧测力计的量程是0~2.5N,当杠杆在水平位置平衡时,通过计算可知,悬挂的重物最重可达________N.
【解析】
（1）使杠杆重心右移应将平衡螺母向右调节,直至重心移到支点处,使杠杆重力的力臂为零,这样就减小了杠杆的自重对实验的影响；
（2）将弹簧测力计斜向左拉或将弹簧测力计斜向右拉,阻力和阻力臂不变,拉力的力臂变短,根据杠杆平衡条件可知,杠杆在水平位置平衡时,拉力变大,所以＞,＞；（3）设杠杆上的一个刻度为1cm,重物的重力为G,根据杠杆的平衡条件可得：
G×1cm＝2.5N×5cm,解得,G＝12.5N.
【答案】
（1）右
（2）＞＞（3）12.5
【变式训练】
2.小明利用铁架台、带有刻度且分度值为1cm的杠杆、细线、若干钩码等实验装置探究杠杆的平衡条件.
甲乙
图11-4
（1）在挂钩码前,小明发现杠杆左端高右端低（如图11-4甲）,他应将杠杆两端的平衡螺母向____（选填“左”或“右”）调节,使杠杆在水平位置平衡.
（2）接着小明在杠杆的两端挂上不同数量的钩码,移动钩码的位置,保持杠杆在水平位置平衡,则杠杆两侧受到的作用力大小________（选填“大于”“等于”或“小于”）各自钩码所受重力大小.设右侧钩码对杠杆施的力为动力,则动力臂大小（如图乙）为________cm.
（3）改变钩码数量与位置,获取多组测量数据,填入记录表中,根据表中的数据得出杠杆的平衡条件是：
＝,据此,实验测量数据记录表中第3次实验中的空格应填________.
实验测量数据记录表：
实验次序
动力/N
动力臂/cm
阻力/N
阻力臂/cm
1
2.0
5.0
1.0
10.0
2
2.0
10.0
2.0
10.0
3
2.0
15.0
3.0
…
…
…
…
…
（4）测量多组数据的目的是________（选填“减小实验误差”或“避免实验错误”）.
答案：
（1）左
（2）等于10.0（3）10.0（4）避免实验错误
解析：
（1）由图知,左端较高,所以平衡螺母应向左调节.
（2）杠杆两侧受到的作用力大小等于各自钩码所受重力大小；动力臂大小可以直接从杠杆上读出,为10.0cm.（3）根据杠杆平衡条件：
＝,代入数据：
2.0N×15.0cm＝3.0,解得：
＝10.0cm.（4）在实验中,获取多组测量数据,这样可以减少实验的偶然性,避免实验错误.
考点3滑轮的应用
【例3】（汕尾）如图11-5所示,用下列装置提升同一重物,若不计滑轮自重及摩擦,则最省力的是（）
ABCD
图11-5
【解析】由题意知不计滑轮自重及摩擦.A图是动滑轮,由动滑轮及其工作特点可知,省一半的力,即=G；B图是定滑轮,由定滑轮及其工作特点可知,不省力,即=G；C图是滑轮组,绕在动滑轮上的绳子有3股,则=G；D图是滑轮组,绕在动滑轮上的绳子有2股,则=G.故选C.
【答案】C
【变式训练】
3.工人们为了搬运一个笨重的机器进入厂房,他们设计了如图11-6所示的四种方案（机器下方的小圆表示并排放置的圆柱形钢管的横截面）.其中最省力的方案是（）
ABCD
图11-6
答案：
C
考点4机械效率
【例4】（遵义）搬运工人用如图11-7所示的滑轮组将一个重120N的物体匀速提升3m,所用的拉力为50N,不计绳重及摩擦.求：
图11-7
（1）滑轮组的机械效率；
（2）动滑轮的重；
（3）若用该滑轮组同时拉4个这样的物体,拉力为多大.
【解析】由图可知,n＝3；
（1）滑轮组的机械效率η=×100%＝×100%＝×100%＝×100%＝80%；
（2）由F＝（G＋）可得,动滑轮的重＝3F－G＝3×50N－120N＝30N；（3）若用该滑轮组同时拉4个这样的物体,则拉力F′＝＝（4×120N+30N）＝170N.
【答案】
（1）80%
（2）30N（3）170N
【变式训练】
4.（泰安）如图11-8所示,某人用滑轮组匀速提升重为720N的物体的过程中,他对水平地面的压强为Pa,已知滑轮组的机械效率是75%,他双脚与水平地面的接触面积是,求：
图11-8
（1）他对绳子的拉力.
（2）此人所受的重力.
答案：
（1）480N
（2）680N
解析：
（1）由图知,n＝2,拉力端移动的距离s＝2h,滑轮组的机械效率η=＝＝＝,则拉力F＝＝＝480N；
（2）由p=得人对地面的压力＝pS＝＝200N,而人对地面的压力：
＝－F,所以人的重力＝+F＝200N+480N＝680N.
考点5测量滑轮组的机械效率
【例5】（聊城）在“测量滑轮组的机械效率”实验中,小丽用如图11-9所示的同一滑轮组提升不同钩码的方法,分别做了甲、乙、丙3次实验,实验数据记录如下表：
甲乙丙
图11-9
实验次数
钩码所受的重力G/N
提升高度h/m
拉力F/N
绳端移动的距离s/m
机械效率η
1
2
0.05
1.0
0.15
66.7%
2
4
0.05
1.7
0.15
78.4%
3
6
0.05
①
0.15
②
（1）实验中要竖直向上________拉动弹簧测力计,使钩码升高.
（2）表格中编号①处数据应为________,编号②处数据应为________.
（3）分析以上实验数据可以得出如下结论：
同一滑轮组的机械效率主要与________有关.
（4）若将此滑轮组换一种绕绳方法,不计摩擦及绳重,提升相同的物体时,滑轮组的机械效率________（选填“变大”“变小”或“不变”）.
【解析】
（1）实验中要竖直向上匀速拉动弹簧测力计,测力计示数稳定,便于读数；
（2）由图知,测力计的分度值为0.2N,测力计示数为2.4N；第3次实验中,滑轮组的机械效率η=×100%＝×100%＝×100%≈83.3%；（3）实验中选用的是同一滑轮组,动滑轮的重力不变；由表中实验数据可知,同一滑轮组提起的物体越重,滑轮组的机械效率越高,所以同一滑轮组的机械效率主要与提起物体的重力有关.（4）若将此滑轮组换一种绕绳方法,动滑轮的重不变,不计摩擦及绳重,由η=＝＝＝可知,提升相同的物体时,滑轮组的机械效率不变.
【答案】
（1）匀速
（2）2.483.3%（3）提起物体受到的重力（4）不变
【变式训练】
5.在“测量滑轮组的机械效率”的实验中,某组同学用同样的滑轮安装了如图11-10甲、乙所示的滑轮组,实验测得的数据如下表所示.
甲乙
图11-10
次序
物体的重力G/N
提升高度h/m
拉力F/N
绳端移动的距离s/m
机械效率η
1
2
0.1
1
0.3
66.7%
2
3
0.1
1.4
0.3
71.4%
3
4
0.1
1.8
0.3
74.1%
4
2
0.1
1.5
0.2
（1）表格内的第4次实验中应补充的数据是________（结果精确到0.1%）.这次数据是用图中_______（选填“甲”或“乙”）所示的滑轮组测得的.
（2）分析比较第1、2、3次实验数据可以判定,若要增大滑轮组的机械效率,应该________.在第1次实验中,拉力F所做的额外功为________J.
（3）某同学认为,使用相同的滑轮所组成的滑轮组提升同一个重物时,越省力的滑轮组其机械效率越大,他的想法正确吗？
________.请你利用补充完整后的表格中的数据说明你的判断：
__________________________________________________________.
答案：
（1）66.7%乙
（2）增大物体的重力0.1（3）不正确第1次比第4次省力,但两次的机械效率相同
解析：
（1）第4次实验的机械效率：
η=＝＝≈66.7%；由s＝nh可得,n＝＝＝2,而图乙中提升物体绳子段数为2,故选择装置乙.
（2）比较第1、2、3次实验数据可知,对于同一滑轮组,物重越大,滑轮组的机械效率越高,因此增大物体的重力可以提高滑轮组的机械效率；根据第1次实验数据可知,＝Gh＝2N×0.1m＝0.2J,＝Fs＝1N×0.3m＝0.3J,由＝＋可得,＝＝0.3J－0.2J＝0.1J.（3）比较第1、4次实验数据可知,第1次比第4次省力,但两次的机械效率相同.
1.（潍坊）下列图中所示的工具,在使用过程中不省力的是（）
ABCD
图11-11
A.用羊角锤起钉子B.用撬棒撬物体
C.用起子起瓶盖D.用钓鱼竿钓鱼
答案：
D
解析：
杠杆可分为三类：
①省力杠杆,动力臂大于阻力臂；②费力杠杆,动力臂小于阻力臂；③等臂杠杆,动力臂等于阻力臂.用羊角锤起钉子时,动力臂大于阻力臂,是省力杠杆；用撬棒撬物体时,动力臂大于阻力臂,是省力杠杆；用起子起瓶盖时,动力臂大于阻力臂,是省力杠杆；用钓鱼竿钓鱼时,动力臂小于阻力臂,是费力杠杆.故本题答案选D.
2.（潍坊）下列图11-12中的工具,属于等臂杠杆的是（）
A.镊子B.钳子C.起子D.天平
图11-12
答案：
D
解析：
镊子在使用过程中,动力臂小于阻力臂,是费力杠杆；钳子在使用过程中,动力臂大于阻力臂,是省力杠杆；起子在使用过程中,动力臂大于阻力臂,是省力杠杆；天平在使用过程中,动力臂等于阻力臂,是等臂杠杆,故选D.
3.（潍坊）建筑工人要向楼上运送货物,为了省力,他在一个斜面上安装了一个滑轮组,做成如图11-13所示的机械装置,斜面的倾角为30°且固定在水平面上.工人用400N的力拉绳子,重为500N的货物沿斜面匀速向上运动6m所用时间为20s,求此过程中：
图11-13
（1）重物沿斜面匀速运动的速度大小；
（2）工人提升重物做的有用功；
（3）该装置的机械效率.
答案：
（1）已知物体移动距离s＝6m,运动时间t＝20s,根据公式可算出货物运动速度v=＝＝0.3m/s；
（2）斜面的倾角为30°,根据直角三角形特点,物体在斜面移动6m,物体上升的高度h＝s＝×6m＝3m,工人提升重物做的有用功＝Gh＝500N×3m＝1500J；（3）由图可知,绳子自由端移动的距离s′＝2×6m＝12m,工人所做总功＝Fs′＝400N×12m＝4800J,装置的机械效率η=×100%＝×100%≈31.25%.
解析：
（1）已知物体移动距离和运动时间,利用v=计算速度；
（2）已知物体的重力和升高的高度,根据公式W=Gh可求工人做的有用功；（3）已知拉力的大小和斜面的长度,根据公式W=Fs可求工人做的总功.有用功与总功的比值就是斜面的机械效率.
4.（潍坊）现有下列实验器材：
铁架台、卷尺、质量为的钩码一个、细棉线若干,请你利用上述器材设计一个实验方案,测出一支粗细不均匀竹筷的质量.要求:
（1）写出主要实验步骤及所要测量的物理量（可画图辅助说明）；
（2）写出竹筷质量的表达式=________.
答案：
见解析
解析：
（1）①如图11-14所示,用细棉线将筷子悬挂起来,调整悬挂点的位置,直到筷子在水平位置平衡,然后在悬挂点处做上标记,记作O′.
②如图11-15（或图11-16）所示,在筷子的O点处用细棉线悬挂起来,用另一根细棉线拴好钩码,挂在筷子左侧（或右侧）并移动钩码位置,直到筷子在水平位置再次平衡,然后在悬挂钩码的细棉线处做上标记,记作P.
③用卷尺分别测出O点到O′点的距离和O点到P点的距离.
图11-14图11-15图11-16
（2）根据杠杆的平衡条件“＝”可得,＝＝.
5.（潍坊）（多选）建筑工地上,装修工人用如图11-17所示的滑轮组运送材料或废料,先将质量为m的地板砖从地面匀速提升到三楼,工人所用拉力为,滑轮组的机械效率为,然后又将质量为m的废料从三楼匀速运送到地面,工人所用拉力为,滑轮组的机械效率为.如果不计绳重及摩擦,则（）
图11-17
A.＝B.＞C.＝D.＞
答案：
AC
一、单项选择题
1.（连云港）如图11-18所示是生活中几种常见的杠杆,其中属于费力杠杆的是（）
A.道钉撬B.钢丝钳C.开瓶扳手D.筷子
图11-18
答案：
D
解析：
道钉撬在使用过程中,动力臂大于阻力臂,是省力杠杆；钢丝钳在使用过程中,动力臂大于阻力臂,是省力杠杆；开瓶扳手在使用过程中,动力臂大于阻力臂,是省力杠杆；筷子在使用过程中,动力臂小于阻力臂,是费力杠杆.故本题选D.
2.（泰州）如图11-19所示,杠杆在水平位置平衡,下列操作仍能让杠杆在水平位置保持平衡的是（）
图11-19
A．两侧钩码同时向外移一格
B．两侧钩码同时向内移一格
C．左侧的钩码向内移一格,右侧减去一个钩码
D．在两侧钩码下方,同时加挂一个相同的钩码
答案：
C
解析：
设一个钩码的重力为G,横梁上一个格的长度为L,原来杠杆处于平衡状态,则有2G×3L＝3G×2L；两边各向外移一格,左边2G×4L＝8GL,右边3G×3L＝9GL,8GL＜9GL,杠杆右端下沉,故选项A错误；两边各向内移一格,左边2G×2L＝4GL,右边3G×1L＝3GL,4GL＞3GL,杠杆左端下沉,故选项B错误；左侧的钩码向内移一格,右侧减去一个钩码,左边2G×2L＝4GL,右边2G×2L＝4GL,4GL＝4GL,杠杆平衡,故选项C正确；在两侧钩码下方,同时加挂一个相同的钩码,左边3G×3L＝9GL,右边4G×2L＝8GL,9GL>8GL,杠杆左端下沉,故选项D错误.
3.如图11-20所示,用轻质材料制成的吊桥搭在河对岸.一个人从桥的左端匀速走到桥的右端,桥面始终是水平的,不计吊桥和绳的重力,人从吊桥左端出发时开始计时,则人在吊桥上行走过程中,吊桥右端所受地面支持力F与人行走时间t的关系图像是（）
ABCD
图11-20图11-21
答案：
B
解析：
人从吊桥一端出发,在运动时间t后,杠杆A端受地面的支持力F（动力）,动力臂为OA＝L,杠杆受到物体的压力（阻力）F′＝G,阻力臂为OB,OB＝vt,因为杠杆平衡,所以F×OA＝F′×OB＝G×vt,即F×L＝G×vt,所以F＝.由此可知,当t＝0时,F＝0；当t增大时,F变大,是正比例关系.故本题选B.
图11-22
4.（乐山）如图11-23所示,杠杆AOB用细线悬挂起来,在A、B两端分别挂上质量为、的重物时,杠杆平衡,此时AO恰好处于水平位置,AO＝BO,不计杠杆重力,则、的关系为（）
图11-23
A．＞B．＜C．＝D．无法判断
答案：
B
解析：
杠杆示意图如图11-24：
根据杠杆的平衡条件：
＝可知,＝,＝,即＝,力与相应的力臂成反比关系,从图中可以看出力臂＞,所以物体的重力＜,即＜.故本题选B.
图11-24
5.如图11-25所示的甲、乙两滑轮组,它们吊起的重物都是G,所用滑轮的规格相同,不计绳重与摩擦,当重物匀速上升时,下列说法正确的是（）
甲乙
图11-25
A.以其中的定滑轮为参照物,重物是静止的
B.甲滑轮组一般比乙滑轮组更省力
C.重物的动能减小,重力势能增大
D.两个滑轮组的机械效率不一样
答案：
B
6.（遂宁）如图11-26所示,作用在杠杆一端且始终与杠杆垂直的力F,将杠杆缓慢地由位置A拉至位置B,在这个过程中,力F的大小将（）
图11-26
A．不变B．变小C．变大D．先变大后变小
答案：
C
解析：
在杠杆缓慢由A到B的过程中,动力臂OA的长度没有变化,阻力G的大小没有变化,而阻力臂L却逐渐增大；由杠杆的平衡条件知：
F·OA＝G·L,当OA、G不变时,L越大,那么F越大；因此拉力F在这个过程中逐渐变大.故本题选C.
7.（黄冈）在道路条件不允许的情况下,军车通常采用如下方法原地掉头：
先将千斤顶放在车底部合适的位置将军车顶起来,然后推动军车绕千斤顶转动即可实现原地掉头（如图11-27）.下列有关分析正确的是（）
图11-27
A.千斤顶应放在车底部靠近车轮的位置
B.千斤顶应放在军车所受重力的作用线上
C.只要在车前部推就最省力
D.只要在车上离千斤顶最远的地方推就最省力
答案：
B
解析：
根据题意可知,千斤顶与车底部接触的地方为支点,车的重力为阻力,其作用点大致在车的重心上,支点到阻力作用线,即车所受重力的作用线的距离为阻力臂,人的推力为动力,支点到动力作用线的距离为动力臂,车的重力,即阻力不变,阻力臂越短,阻力和阻力臂的乘积越小,则动力和动力臂的乘积越小,因此,千斤顶应放在车所受重力的作用线上.故选项A、C、D错误,选项B正确.
8.一个滑轮组经改进后提高了机械效率,用它将同一物体匀速提升同样的高度,改进后与改进前相比（）
A.有用功减少,总功减少B.有用功增加,总功增加
C.有用功不变,总功不变D.有用功不变,总功减少
答案：
D
9.（桂林）如图11-28所示的四种机械装置中,不能省力的装置是（）
A.自行车的脚踏板B.旗杆顶的定滑轮C.水管上的水龙头D.大门上的门把手
图11-28
答案：
B
10.（烟台）用四个完全相同的滑轮组成如图11-29所示的甲、乙两个滑轮组,把相同的物体匀速提升相同的高度.若用、表示甲、乙两滑轮组的机械效率,、表示拉力所做的功（不计绳重与摩擦）,则（）
甲乙
图11-29
A.,B.,
C.,D.,
答案：
A
解析：
此题中,钩码的重力相同,钩码上升的高度相同,据＝Gh可知,所做的有用功相同；此时对动滑轮做的功是额外功,不计绳重和摩擦,滑轮相同,即额外功相同,即是相同的,据＝可知,是相同的,故拉力做的功相同,即＝,机械效率η=×100%,故也是相同的,即＝.故本题答案选A.
二、填空题
11.（聊城）如图11-30是一种拉杆式旅行箱的示意图,使用时它相当于一个________杠杆（选填“省力”或“费力”）.若旅行箱内装满物体且质量分布均匀,其总重为210N,轻质拉杆拉出的长度是箱体长度的二分之一,要使旅行箱和拉杆构成的杠杆水平平衡,则竖直向上的拉力F为________N.
图11-30
答案：
省力70
解析：
竖直向上的力F为动力,箱体的重力为阻力,支点在箱体中心,故动力臂大于阻力臂,所以是省力杠杆；当旅行箱和拉杆构成的杠杆水平平衡时,如图11-31所示：
由题意知,＝,因为＝,即所以竖直向上的拉力为F＝＝G＝×210N＝70N
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