第十二章 简单机械（知识清单）物理新教材人教版八年级下册

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第十二章 简单机械（知识清单）第1节 杠杆一、杠杆1. 杠杆：一根硬棒，在力的作用下能绕着固定点O转动，这根硬棒就是杠杆。（1）要有 的作用。例如，撬棒在没有使用时只是一根硬棒，而不是一个杠杆；（2）能绕固定点转动。杠杆在力的作用下，是绕固定点转动的，不是整体向某个方向运动的；（3）是硬棒。受力不发生形变或不易发生形变。 2. 描述杠杆特征的五个要素以用撬棒撬物体为例进行分析。 （1）描述杠杆的“五要素”【新教材力臂用双箭头】①支点：杠杆绕着转动的点O；②动力：使杠杆转动的力F1；③阻力：阻碍杠杆转动的力F2；④动力臂：从支点到动力 的距离l1。 ⑤阻力臂：从支点到阻力作用线的距离l2。（2）透析杠杆五要素①支点： 在杠杆上，可以在杠杆的一端，也可以在杠杆的其他位置；同一杠杆，使用方法不同，支点位置 改变。（以上均选填“一定”或“可能”）②动力与阻力：作用点 在杠杆上（选填“一定”或“可能”），分别使杠杆向 方向转动（选填“相反”或“相同”），动力和阻力是相对的，一般把人对杠杆施加的作用力称为动力。③力臂：是支点到力的作用线的距离，不是支点到作用点的距离；力臂 在杠杆上（选填“一定”或“不一定”），如图中l1、l2；若力的作用线过支点，则力臂为 。杠杆作图（含最小力作图 略）二、杠杆的平衡条件1. 杠杆平衡：当杠杆在动力和阻力的作用下 或匀速转动时，我们就说杠杆平衡了。2. 探究杠杆的平衡条件 【分析论证】实验结果表明，动力臂越长，需要的力越小；动力臂越短，需要的力越大。二者之间是 关系。【实验结论】杠杆的平衡条件是： 。杠杆原理公式表示： 【交流与评估】①杠杆在水平位置静止的目的：一是使杠杆的重心在支点，以消除杠杆 对实验的影响。二是便于直接读出 。②多次测量获得多组实验数据的目的：避免偶然性，获得普遍性的结论。③在实验前要调节杠杆两端的平衡螺母，使杠杆水平平衡。挂钩码后，不能再调节平衡螺母。④弹簧测力计要沿竖直方向施加力的目的：便于直接从杠杆上读出力臂。三、生活中的杠杆根据动力臂l1和阻力臂l2之间的大小关系及用途的不同，杠杆分为三类——省力杠杆、费力杠杆和等臂杠杆。四、“跨学科实践——制作简易杆秤”问题拆解①物理原理： m物g⋅L1=m砣g⋅L2+G杆⋅L0。其中 L1为提纽到秤钩的距离（定值），物体的质量m物为自变量，提纽到秤砣的距离L2因变量。②零刻度线校准：不挂物体时，移动秤砣使杆秤水平平衡，此时秤砣所在位置即为“零刻度”。这考查了对杠杆自重影响的理解。若秤杆重心在提纽左侧，零刻度线在提纽右侧；反之亦然，这也是为什么提纽要靠近秤盘一侧。③刻度均匀性分析：L2=m物g⋅L1−G杆⋅L0m砣g=L1m砣m物−G杆⋅L0m砣g，由物理原理变形可知L2与m物成正比关系，因此杆秤的刻度是均匀的。这体现了物理量与几何长度的线性关系，是数学一次函数在物理中的具体应用。④称量与精度：更换质量更大的秤砣可增大称量，但根据ΔL2=L1m砣⋅Δm物，分度值对应的长度变短，精度降低；更换提纽位置，改变了动力臂L1。L1越小，称量越大，但同样会降低精度。⑤误差分析举例：若秤砣磨损质量变小，根据平衡条件，称量同一物体时，L2需变大，导致读数偏大（“短斤少两”），是典型的系统误差。A:刻度的均匀性（线性关系本质：寻求秤砣与提纽距离x 与物体质量 m 的正比例函数关系）B:测量范围的决定因素（极值分析：mmax=Lmax·m砣/l0，在力臂都固定的情况下，称量与秤砣质量成正比)C:灵敏度分析（动态变化率：指单位质量变化引起的秤砣位移变化量，刻度越稀疏，读数越准，与温度计类比，ΔL2=L1m砣⋅Δm物灵敏度与阻力臂（AO）成正比，与动力（秤砣）质量成反比，体现了物理设计中的“权衡”思想。D：误差传递逻辑（逻辑推理： 测量值依赖于标准量（秤砣），标准量减小致测量值虚高，磨损→砣轻→力臂需变长→读数偏大）第2节 滑 轮一、定滑轮和动滑轮1. 定滑轮和动滑轮的概念2. 几种常见情况中的物理量关系（图中物体均做匀速直线运动，忽略绳重及摩擦）二、滑轮组1. 滑轮组：把定滑轮和动滑轮组合在一起，就构成了滑轮组。2. 滑轮组的特点（1）使用滑轮组时，既可以省力，也可以改变施力的 。（2）使用滑轮组提起重物时，动滑轮上有n段绳子承担物重，提起物体的力就是物重的 （忽略动滑轮重、绳重及各处的摩擦力）。（3）拉力移动的距离s与物体升高的距离h的关系为s= h。（4）确定承担物重绳子段数n的方法（“分离法”）：在定滑轮与动滑轮之间画一条虚线，只考虑与动滑轮相连的绳子段数。如图甲所示的滑轮组中，绳子段数为n = ，则F= EQ \F(1,5)G，s=5h；图乙所示的滑轮组中，与动滑轮相连的绳子段数为n = ，则F= EQ \F(1,4)G，s=4h。甲 乙三、轮轴和斜面1. 轮轴 （1）轮轴的组成：由两个半径不等的圆柱固定在同一轴线上组成，大的称为轮，小的称为轴。 （2）轮轴的特点轮轴可以看成一个可连续转动的不等臂杠杆。当动力作用在轮上时，轮轴是一个省力杠杆，但费距离。当动力作用在轴上时，轮轴是一个费力杠杆，但省距离。（3）生活中的一些轮轴：例如，水龙头的开关、门把手、自行车的脚踏板、自行车的手把等。2. 斜面（1）斜面：是一个与水平面成一定夹角的的倾斜平面。（2）分析斜面的特点 根据功的原理，如果不计斜面和物体的摩擦，则FL=Gh，所以F= 。斜面长是斜面高的几倍，拉力就是物体重力的几分之一，所以斜面是一种省 的机械。因为斜面长大于高h，所以使用斜面时要费 。第3节 机械效率一、有用功和额外功1. 有用功、额外功和总功（1）有用功：将钩码提升一定的高度是我们的工作目的，动滑轮对钩码的拉力所做的功叫作 ，用W有用表示。有用功是为了达到某一目的而必须要做的功。（2）总功：弹簧测力计的拉力所做的功，叫作 ，用W总表示。W总=W有用+W额外。（3）额外功：用动滑轮提升钩码时，我们还不可避免地要克服动滑轮本身所受的重力及摩擦力等因素的影响而多做一些功，这部分功叫作 功，用W额外表示。额外功是对人们没有用但又不得不做的功。2. 杠杆、滑轮组、斜面三种简单机械的有用功、额外功和总功二、机械效率1. 机械效率（1）物理学中，将有用功跟总功的比值叫做 ，用η表示。（2）计算公式：η＝ （3）对机械效率的理解①机械效率总是小于 。这是因为使用任何机械都不可避免地要做额外功，所以有用功总是小于总功，机械效率通常用百分数表示。②机械效率并不是固定不变的。机械效率反映的是机械在一次做功的过程中有用功跟总功的比值,同一机械在不同的做功过程中，机械效率往往会不同。③机械效率的高低与是否省力、做功多少、物体提升的高度等因素 （选填“有关”或“无关”）。④机械效率的高低是反映机械优劣的重要标志之一。机械效率越高，机械的性能越好。2. 测量滑轮组的机械效率 【实验原理】 η＝ EQ \F(W有,W总)＝ EQ \F(Gh,Fs)；测量的物理量有：物体的重力G及升高的高度h；拉力F及拉力移动的距离s。【实验器材】定滑轮、动滑轮组成的滑轮组，弹簧测力计，钩码和刻度尺。【实验步骤】【探究归纳】①同一装置的机械效率并不是固定不变的，与被提升的物重有关，物体重力越大，机械效率越高。②机械效率还与机械装置本身有关，与其结构、自身的重力以及润滑程度都有关系。【交流、反思与评估】①实验时拉力的方向应竖直向上，应在钩码匀速移动时读取拉力的大小。②确定绕线方式与承担重物绳子的段数n：与动滑轮连接的段数即为承担重物绳子的段数。③影响滑轮组机械效率的因素： 的重力、 的重力、绳子与滑轮之间的摩擦力；与绳子的绕法、绳子段数 （选填“有关”或“无关”）。④动滑轮重力、物重都相同时，所测机械效率不同的可能原因是：绳子与滑轮或滑轮与轴之间的 不同。⑤可以不用刻度尺测量距离，用下列公式计算，也能得出机械效率。 η＝ EQ \F(W有,W总)＝ EQ \F(Gh,Fs)＝ EQ \F(G,nF) ×100%3. 提高机械效率的方法 （1）尽量减少额外功，采取减轻机械本身的质量和加润滑油减小摩擦的办法。（2）当额外功一定时，在机械能承受的范围内增加所做的有用功（如使用滑轮组提升物体时，在绳子能承受拉力的范围内，尽可能增加每次提起的重物质量），充分发挥机械的作用。三、功、功率和机械效率的比较 （教材习题选编）1.如图为指甲剪的示意图，其中有省力杠杆，也有费力杠杆。哪个部分是省力杠杆，哪个部分是费力杠杆？2.搬运砖块的独轮车，车体和砖块所受的总重力G为1000N，独轮车的有关尺寸如图所示。抬起独轮车时，人手向上的力F应是多少？3.仔细观察自行车，看看它上面有几种简单机械，分别说明它们各起到了什么作用。4.起重机把质量为0.5t的重物匀速提升了3 m，而它的电动机所做的功是3.4×104 J，起重机的机械效率是多少？（g取10 N/kg）。5.有没有机械效率为100%的机械？为什么？举例说明，通过什么途径可以提高机械效率。6.用一个动滑轮在5s内将一个重200N的物体向上匀速提起3m，拉力为150N。这个动滑轮的机械效率是多少？拉力的功率是多少？7.工人师傅用如图所示的装置把质量为48kg的货物从地面匀速提升至3楼，所用的拉力为300N。图示装置的机械效率是多少？（g取10N/kg）。8.小明的妈妈蒸馒头需要1 kg面粉。在没有秤的情况下，他利用一根轻杆、一瓶550 mL的矿泉水和几根细线等物品帮妈妈大致称出了1 kg的面粉。如果操作是你，你会怎样做？9. 脚踏式垃圾箱的结构可简化如图所示。在A处向下踩动脚踏板，连杆CD便向上顶起箱盖。在这个过程中，涉及到了两个杠杆：一个是踏板杠杆ABC，另一个是箱盖杠杆DEF。请解答下列问题：（1）定性分析：杠杆ABC属于_____杠杆，杠杆DEF属于_____杠杆。（两空均选填“省力”“费力”或“等臂”）（2）定量计算：若脚在A处施加竖直向下的力F1 =20 N，此时杠杆ABC平衡。已知动力臂LAB是阻力臂LBC的5倍。连杆CD将这个力传递给箱盖，作用在D点。对于箱盖杠杆DEF，若阻力臂LEF（假设箱盖重力作用在F端）是动力臂LED的4倍。求：此时能顶起的箱盖最大重力G是多少？（不计连杆重及摩擦）10.在天宫课堂中，我国航天员王亚平讲了在太空中测量航天员质量的方法。其中用到了一个 “弹簧凸轮机构”，它可以产生恒力来牵引航天员运动，以便计算航天员的质量。有同学根据杠杆原理设计了一个装置：把一个半径为OC的圆轮和一个凸轮固定在一起组成一个杠杆，支点为O。如图甲所示，圆轮边缘的绳索与被牵引的航天员相连，拉力是F1，力臂为OC；凸轮上的绳索一端连接着被拉长的弹簧，拉力为F2，力臂为OA，另一端连接图中的B点。当弹簧收缩使杠杆沿顺时针方向转过一定角度到达图乙所示的位置时，弹簧缩短，拉力减小为F2′，凸轮使其力臂变成了OD，OD比OA长，而F1的力臂仍然等于圆轮半径。已知：OA=12cm、F2=30N、F2′=20N，求图中OD的长度应为多少？省力杠杆费力杠杆等臂杠杆示意图力臂关系l1>l2l1