2024中考物理三轮突破5简单机械的分析与计算课件

这是一份2024中考物理三轮突破5简单机械的分析与计算课件，共60页。PPT课件主要包含了阻力臂，28×106，×104，A端下倾，固定不动，不省力，动滑轮，几分之一等内容，欢迎下载使用。

专题概述本专题包含杠杆的种类、动态平衡的分析与计算，滑轮的种类及滑轮组的分析与计算，斜面的分析与计算。
类型一、杠杆1.杠杆的平衡条件： ×动力臂=阻力× ，或F1l1=F2l2。【例1】如图所示，OAB为一可绕O点自由转动的轻质杠杆，OA垂直于AB，且OA长度为40 cm，AB长度为30 cm，在OA中点C处挂一质量为1 kg的物块，要求在端点B处施加一个最小的力F，使杠杆在图示位置平衡，则力F的力臂应是 　　 cm，最小的力F是 　　 N。
【解析】在B点施加一个力最小的力，则力臂应最大，当OB作为力臂时，动力臂是最大的，动力最小；OA＝40 cm，AB＝30 cm，根据勾股定理可知，OB 50 cm；OC＝20 cm；根据杠杆的平衡条件可知：G×OC＝F×OB，mg×OC＝F×OB，即：1 kg×10 N/ kg×20 cm＝F×50 cm，解得：F＝4 N。【分析】根据杠杆的平衡条件可知，在阻力、阻力臂一定时，动力臂越大，动力越小，根据杠杆的平衡条件求出最小的动力的大小。
【例2】一台起重机在某次起吊设备时，吊起的设备重为1.6×105 N，OB的长度是OA的8倍，吊臂状态如图所示，则此时吊臂下的液压挺杆对吊臂A点施加的竖直向上的支持力为 　 　 N。(与起吊的设备质量相比，吊臂的质量可忽略不计)
【解析】由图可知，起重吊臂是直的，OB的长度是OA的8倍，根据力臂的定义和数学关系可知，则物体拉力的力臂和支持力的力臂的比值为：L2：L1＝OB：OA＝8：1，根据杠杆平衡条件可得GL2＝F1L1，则支持力为： ×1.6×105 N＝1.28×106 N。【分析】根据杠杆平衡条件即可求得在竖直向上的方向上施加的支持力。
2.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。既省力又省距离的杠杆时不存在的。
【例2】家具用品中有很多被称为“神器”的小工具，给生活带来了很多便利。如图所示，下列“神器”中属于费力杠杆的是(　　)A． 餐盘夹子B． 核桃夹子C． 手动榨汁机D． 压蒜器
【解析】A.餐盘夹子在使用过程中，动力臂小于阻力臂，是费力杠杆，故A符合题意；B.核桃夹在使用过程中，动力臂大于阻力臂，是省力杠杆，故B不合题意；C.手动榨汁机在使用过程中，动力臂大于阻力臂，是省力杠杆，故C不合题意；D.压蒜器在使用过程中，动力臂大于阻力臂，是省力杠杆，故D不合题意。
【总结】此题考查的是杠杆的分类，主要包括以下几种：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。结合图片和生活经验，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。
【例4】如图所示，以O为转轴的轻质杠杆AOB，AB＝4OA，物体C重240 N，底面积为200 cm2，在杠杆A端与物体的上端中点用一根轻质硬棒连接，当在B端用120 N的动力F竖直向上拉时，杠杆AOB在水平位置平衡，该杠杆为 　 　杠杆(选填“省力”、“等臂”或“费力”)，此时物体C对水平地面的压强是 　 　Pa。
【解析】(1)由题知，O为支点，因为AB＝4OA，所以OB＝3OA，动力臂大于阻力臂，此杠杆为省力杠杆；(2)由杠杆平衡条件可得：FB×OB＝FA×OA，杠杆A端受到的力：FA 360 N，方向竖直向上；由于力的作用是相互的，物体C受到硬杆的压力：F压＝FA＝360 N，此时物体C对水平地面的压力：F＝G+F压＝240 N+360 N＝600 N，受力面积S＝200 cm2＝0.02m2，物体C对水平地面的压强：p 3×104Pa。
【总结】本题考查了杠杆分类，以及杠杆平衡条件、压强公式的应用，关键是利用杠杆平衡条件求出硬杆对物体的压力。(1)根据动力臂与阻力臂的大小关系确定杠杆类型；(2)利用杠杆平衡条件求杠杆A端受到的力，由于动力方向竖直向上，杠杆A端受到的力也是竖直向上；由于力的作用是相互的，物体C受到硬杆的压力等于杠杆A端受到的力；此时物体C对水平地面的压力等于重力加上硬杆的压力，再利用p求物体C对水平地面的压强。
3.杠杆的动态平衡:①确定作用在杠杆上的力和力臂；②分析转动过程中保持不变的力或力臂；③分析转动过程中力臂或力的变化情况；④根据杠杆的平衡条件F1L1=F2L2,确定相应的力或力臂的变化情况。
【例5】如图所示，长1米的粗细均匀的光滑金属杆可绕O点转动，杆上套一滑环，用测力计竖直向上拉着滑环缓慢向右移动，并保持金属杆处于水平状态。则测力计示数F与滑环离开O点的距离s之间的关系图象为(　　)A． B． C． D．
【解析】由题意可知，杠杆是粗细均匀的一只金属杆，重心在杠杆的中点，即阻力和阻力臂是保持不变的，离开O点的距离s为动力臂，根据杠杆的平衡条件可知，Fs＝GLG，则动力为：F ，即F与S成反比，所以图象B是正确的。【分析】杠杆是粗细均匀的一只金属杆，重心在杠杆的中点，即阻力和阻力臂是保持不变的，然后根据杠杆的平衡条件求出F与S之间的关系。
【例6】如图所示，质地均匀的圆柱体，在拉力F的作用下，由实线位置匀速转到虚线所示位置，整个过程中，拉力F始终作用于A点且与OA保持垂直(OA为圆柱体横截面的直径)，圆柱体在转动过程中不打滑。则下列分析正确的是(　　)A．拉力F逐渐变小B．拉力F逐渐变大C．由于拉力F的力臂始终保持最长，拉力F始终保持最小值不变D．条件不足，无法判断
【解析】整个过程中，拉力F始终作用于A点且与OA保持垂直；由图可知，动力F的力臂L(L＝OA)始终保持不变，阻力为圆柱体的重力G始终大小不变，由实线位置转到虚线位置时，重力的力臂逐渐减小，根据杠杆平衡条件可得FL＝GL′，所以动力F逐渐变小。【分析】本题主要考查两个方面的知识：(1)力臂的概念：从支点到力的作用线的距离叫做力臂；(2)运用杠杆的平衡条件FL＝GL′分析动力的大小变化。
【例7】如图所示的杠杆平衡，若F1为动力，则该杠杆为 　 　杠杆(选填“省力”、“费力”或“等臂”)。若F1、F2的大小和方向均不变，它们的作用点同时向支点O移动相同的距离，则杠杆会 　 　 。(选填“A端下倾”、“B端下倾”或“仍然平衡”)
【解析】由图可知，动力臂要大于阻力臂，为省力杠杆；原来平衡时，由杠杆的平衡条件可得F1•AO＝F2•BO，因为AO＞BO，所以F1＜F2；设向支点O移动相同的距离为L，则A端力与力臂的乘积为：F1(AO﹣L)＝F1AO﹣F1L，B端力与力臂的乘积为：F2(BO﹣L)＝F2BO﹣F2L，因F1＜F2，则F1L＜F2L，所以F1(AO﹣L)＞F2(BO﹣L)，则杠杆的A端向下倾斜。
【分析】根据动力臂和阻力臂的大小判定杠杆的种类；根据杠杆原来平衡，设移动的距离为L，再比较F1(L1﹣L)和F2(L2﹣L)即可作出判断。
类型二、滑轮组1.定滑轮(1)定义：工作时，中间的轴 的滑轮叫定滑轮(2)实质：是个等臂杠杆。轴心O点固定不动为支点，其动力臂和阻力臂都等于圆的半径r，根据杠杆的平衡条件可知，因为重物匀速上升时不省力。
(3)特点： ，但可改变力的 。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(图中得到使重物G上升的力)。(4)动力移动的距离与重物移动的距离相等。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。(不计绳重和摩擦)
【例8】为探究定滑轮的特点，设计了如图所示的两种方式拉升同一重物。若在相同的时间内使重物匀速上升相同高度。则下列说法正确的是(　　)A．使用这个滑轮能省力B．甲拉力大小等于乙拉力大小C．甲拉力做的功大于乙拉力做的功D．甲拉力比乙拉力使绳子自由端移动的速度小
【解析】A.由图可知，图中的滑轮是定滑轮，使用定滑轮只能改变力的方向，不能省力，故A错误；B.定滑轮是等臂杠杆，由于阻力和阻力臂不变，动力臂都等于滑轮的半径，即甲、乙拉力的力臂相等，根据杠杆的平衡条件F1l1＝F2l2，可知，甲拉力大小等于乙拉力的大小，故B正确C.由题意可知，重物上升的距离相同；在使用定滑轮中，绳子移到的距离等于重物上升的距离；由于甲、乙拉力大小相等，根据W＝Fs可知甲、乙拉力做功的大小相等，故C错误；D.由题意可知，重物在相同时间内上升的距离相同，即重物上升的速度相同；在使用定滑轮中，绳子移动的距离等于重物上升的距离，绳子移动的时间和重物上升的时间相同，根据v 可知，甲、乙拉力移动的速度都等于重物上升的速度，故D错误。
【分析】(1)由图可知，图中的滑轮是定滑轮，使用定滑轮只能改变力的方向，不能省力，由此得出结论；(2)定滑轮是等臂杠杆，由于阻力和阻力臂不变，动力臂都等于滑轮的半径，根据杠杆的平衡条件可得出结论；(3)由题意可知，重物上升的距离相同；在使用定滑轮中，绳子移动的距离等于重物上升的距离；由于甲、乙拉力大小相等，根据W＝Fs可知甲、乙拉力做功的大小，由此可得出结论；(4)由题意可知，重物在相同时间内上升的距离相同；在使用定滑轮中，绳子移动的距离等于重物上升的距离，由此可得出结论。
2.动滑轮(1)定义：工作时，轴随重物一起移动的滑轮叫 。(2)实质：是一个动力臂为阻力臂 的杠杆。(3)特点：省一半力，但不能改变力的 。(4)动力移动的距离是重物移动距离的 倍。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。
【例9】如图所示，物体M重100 N，滑轮重10 N，若不计摩擦及绳重，当滑轮在恒力F作用下，以0.2 m/s的速度匀速上升，物体M的的速度及拉力F的大小分别为(　　)A．0.1 m/s，110 NB．0.2 m/s，55 NC．0.4 m/s，210 ND．0.4 m/s，110 N
【解析】由图可知是动滑轮的特殊使用方法，根据动滑轮的特点可知：F＝2G物+G轮＝2×100 N+10 N＝210 N；物体上升距离是拉力F和滑轮移动的距离的二倍，滑轮以0.2 m/s的速度匀速上升，故物体上升速度为2v＝2×0.2 m/s＝0.4 m/s。【分析】解决此题要知道轮轴随物体一起运动的滑轮是动滑轮，如图拉动滑轮时，拉力的大小是物重的2倍，但移动距离是物体移动距离的一半，所以使用这样使用动滑轮费力但可以省距离。
【例10】 如图所示，置于水平桌面上的物体A重490 N，物体B重294 N，物体B在匀速下降了40 cm的过程中，拉动物体A在水平桌面上匀速移动了一段距离；若用一水平向左的力F拉动物体A，使物体A在5 s内匀速移动0.5 m(不计动滑轮、绳重以及滑轮轮轴间摩擦)，则拉力F为　 　 N，绳子拉力对物体B所做的功为　 　J，物体A与桌面的滑动摩擦力为　 　 N。
物体A匀速运动，拉力和摩擦力是一对平衡力，物体A所受摩擦力：f＝F′＝147 N。(2)用一水平向左的力F拉动物体A，拉力：F＝f+F′＝147 N+147 N＝294 N；(3)绳子拉力对物体B所做的功：W＝GBh＝GB294 N 73.5 J。
【分析】(1)根据滑轮组的省力情况，已知物体B重294 N，不计动滑轮、绳重以及滑轮轮轴间摩擦，可求出绳子自由端的拉力，物体A匀速运动，拉力和摩擦力是一对平衡力，可知物体A所受摩擦力大小。(2)若用一水平向左的力F拉动物体A，拉力F的大小等于物体A所受摩擦力与绳子自由端的拉力之和。(3)已知物体A移动0.5 m，根据承担物重的绳子股数，可知物体B上升的距离，根据W＝Gh可求出对物体B做的功。
3.滑轮组：(1)定义：由若干个定滑轮和动滑轮匹配而成。(2)特点：可以 ，也可以改变力的 。使用滑轮组时，有几段绳子吊着物体，提起物体所用的力就是物重的 ，即 (条件：不计动滑轮、绳重和摩擦)。注意：如果不忽略动滑轮的重量则： 。(3)动力移动的距离S和重物移动的距离h的关系是：使用滑轮组时，滑轮组用n段绳子吊着物体，提起物体所用的力移动的距离就是物体移动距离的 倍，即S=nh。(4)绳子端的速度与物体上升的速度关系： 。
【例11】如图所示，如果绳重和摩擦不计，动滑轮重不计，物重G＝300 N，则图甲中的拉力F甲＝　 　 N，图乙中的拉力F乙＝　 　 N；如果不计绳重及摩擦，每个滑轮的重力为30 N，物重G＝300 N，则拉力F甲＝　 　 N，拉力F乙＝　 　 N。
(1)当绳重和摩擦不计、动滑轮重不计时，(2)当不计绳重及摩擦时，
【总结】本题考查了使用滑轮组省力情况的判断，注意关系式：当绳重和摩擦不计、动滑轮重不计时，拉力F G；当不计绳重和摩擦时，拉力F (G+G动)。
【例12】如图所示，水平地面上放着一个重为800 N的物体，某人利用滑轮组拉着物体匀速运动时，物体与地面间的摩擦力为160 N，不计滑轮重及摩擦，则人的水平拉力F大小为 　 　 N，物体的机械能 　 　(选填“增大”“减小”或“不变”)。
【解析】(1)由图可知，n＝2，则不计滑轮重及绳与轮之间的摩擦，人的水平拉力F=1/2f=1/2×160 N＝80  N。(2)某人利用滑轮组拉着物体匀速运动时，物体质量不变，速度不变，动能不变，物体并没有被举高，势能不变，则机械能不变。
【分析】(1)由图可知，左侧滑轮为动滑轮，右侧滑轮为定滑轮，此滑轮组能省一半力。不计滑轮重及绳与轮之间的摩擦时，根据F f求出拉力大小。(2)影响动能的影响因素是物体的质量和物体运动的速度，影响重力势能的因素是物体的质量和物体的高度，其中动能和势能统称为机械能。在分析各个能量的变化时，根据各自的影响因素进行分析。
【例13】工人使用如图所示的滑轮组，在50 s内将重1500 N的物体A匀速提升1 m，拉力F为500 N。在此过程中，不计绳重和轮与轴间的摩擦。求：(1)绳子自由端的移动速度v绳；【解析】不计绳的重力和摩擦，n＝4(1)物体上升的速度：v 0.02 m/s，绳子自由端的移动速度：v绳＝4v＝4×0.02 m/s＝0.08 m/s；【分析】(1)根据v绳＝4v求出自由端移动的速度。【答案】(1)绳子自由端的移动速度0.08 m/s；
(2)动滑轮的总重G动。【解析】(2)不计绳重和摩擦，动滑轮的重：G轮＝500 N。【分析】(2)不计绳重和摩擦，知道拉力和物重的大小，利用F (G轮+G物)求动滑轮的重。【答案】(2)动滑轮的总重500 N。
类型三、机械效率１.有用功：对机械、活动有用的功。公式：W有用＝Gh(提升重物)=W总－W额=ηW总；斜面：W有用= Gh。2.额外功：并非需要但又不得不做的功。公式：W额= W总－W有用=G动h(忽略轮轴摩擦的动滑轮、滑轮组)；斜面： W额=fL。3.总功：有用功加额外功或动力所做的功。公式： W总=W有用＋W额=FS= W有用／η；斜面：W总= fL+Gh=FL。
【例14】小明值日时用水桶提水从一楼上到三楼，下列关于小明做功的说法中正确的是(　　)A．对水所做的功是有用功B．对水所做的功是额外功C．对桶所做的功是有用功D．对水所做的功是总功
【解析】AC.小明目的是提水，对水做的功为有用功，故A正确、C错误；B.对桶做的功为额外功，故B错误；D.小明把水、桶、自身提升做的功为总功，故D错误。
【例15】用如图甲的滑轮组提升重200 N的物体，已知拉力F为80 N，不计绳重和摩擦，物体和绳子自由端的运动情况如图乙所示，反映绳子自由端运动的图线是 　　(选填“A”或“B”)，动滑轮重为 　 　 N，3 s内对物体做的有用功为 　 　J。
【解析】(1)由图甲可知，n＝3，则拉力端移动距离s＝3 h，所以图乙中上面的倾斜直线A是绳子自由端运动的s﹣t图像，而下面的倾斜直线B是物体运动的s﹣t图像；(2)不计绳重和摩擦，拉力F (G+G动)，则动滑轮重力：G动＝3F﹣G＝3×80 N﹣200 N＝40 N；(3)由图乙可知，t＝3 s时，物体运动的高度h＝1.5 m，对物体做的有用功：W有用＝Gh＝200 N×1.5 m＝300 J。
【总结】本题考查了使用滑轮组时动滑轮重力、有用功的计算，要利用好关系式：不计绳重和摩擦，拉力F (G+G动)。
4.机械效率：有用功跟总功的比值。机械效率计算公式： 。 【例16】关于机械效率，下列说法正确的是(　　)A．有用功越大，机械的机械效率就越高B．额外功越大，机械的机械效率就越低C．总功越大，机械的机械效率就越低D．有用功与总功的比值越大，机械的机械效率就越高
【解析】A.机械效率是有用功与总功的比值，总功不确定，机械效率不能确定。此选项错误；B.有用功不确定，总功不能确定，总功不确定，机械效率不能确定。此选项错误；C.机械效率是有用功与总功的比值，有用功不确定，机械效率不能确定。此选项错误；D.机械效率是有用功与总功的比值，比值越大，说明机械效率越高。此选项正确。
【总结】理解机械效率的定义，明确有用功、额外功和总功之间的关系是解决此类题目的关键。①总功＝有用功+额外功；②有用功和总功的比值叫机械效率；③由机械效率的定义可知，机械效率的高低只与有用功在总功中所占的比例有关，比例越大，机械效率越高。
5.滑轮组的机械效率(不计滑轮重以及摩擦时)(1)滑轮组(竖直方向提升物体)： (G为物重，h为物体提升高度，F为拉力，S为绳子自由端走的距离)。 (2)滑轮组(水平方向拉动物体)： (f为摩擦力，l为物体移动距离，F为拉力，S为绳子自由端走的距离)。 
【例17】甲装置中，空吊篮A重25 N，B处绳子承受的拉力足够大，C处绳子承受的最大拉力为100 N。小壮将A提升到高处，施加拉力F随时间变化关系如图乙，A上升速度随时间变化关系如图丙。忽略绳重、摩擦、空气阻力。下列说法不正确的是(　　)A．动滑轮所受的重力为15 NB．第2秒内克服滑轮重做的额外功为30 JC．此装置最多能匀速运载160 N重的货物D．此装置运载货物最高机械效率为92.5%
【解析】A.由图丙可知，在1～2 s内(第2 s内)A被匀速提升，由图乙可知拉力F＝20 N，由图知，n＝2，忽略绳重及摩擦，动滑轮重力G动＝nF﹣GA＝2×20 N﹣25 N＝15 N，故A正确；B.由图丙可知，第2 s内A上升的速度vA＝2 m/s，第2 s内滑轮上升的高度h＝vAt＝2 m/s×1 s＝2 m，第2秒内克服滑轮重做的额外功为W额＝G动h＝15 N×2 m＝30 J，故B正确；
C.忽略绳重及摩擦，绳子拉力为：F (G+GA+G动)，则提升货物的最大重力为：G＝2F最大﹣GA﹣G动＝2×100 N﹣25 N﹣15 N＝160 N，故C正确；D.此装置提升重物的机械效率随提升物重的增大而增大，则此装置提升重物的最大机械效率为：η 80%，故D错误。
【分析】(1)忽略绳重、摩擦、空气阻力，根据F (G+G动)求出动滑轮的重力；(2)根据图丙得出A上升的速度，根据速度公式求出动滑轮上升的高度，根据W额＝G动h求出额外功的大小；
(3)忽略绳重、摩擦、空气阻力，根据F (G+GA+G动)求出物体的最大重力；(4)忽略绳重、摩擦、空气阻力，根据η 求出滑轮组的最高机械效率。
6.斜面的机械效率：(1)斜面是省力费距离的简单机械；(2)沿粗糙斜面匀速上拉时拉力和摩擦力不是一对平衡力；(3) (h为斜面高，S为斜面长，G为物重，F为沿斜面对物体的拉力)。
【例18】如图所示，固定的斜面长s＝1.2 m，高h＝0.3 m。沿斜面向上用5 N的拉力在2 s内把一个重16 N的物体从斜面底端匀速拉到顶端。拉力的功率为 　　W，斜面的机械效率为 　 　。
【解析】(1)拉力所做的总功为：W总＝Fs＝5 N×1.2 m＝6 J；拉力的功率为：P 3W；(2)此过程所做的有用功为：W有＝Gh＝16 N×0.3 m＝4.8 J；则斜面的机械效率为：η 80%。
【分析】(1)根据公式W＝Fs求出拉力做的功，即总功；再根据公式P 求出拉力的功率。(2)根据W＝Gh求出有用功；然后根据公式η 求出斜面的机械效率。
7.杠杆的机械效率： (h为物体被提升的高度，S为动力移动的距离，G为物重，F为动力)。
【例19】用如图所示的实验装置测量一形状规则，质量均匀的杠杆的机械效率(不考虑摩擦)。实验时，竖直向上匀速拉动弹簧测力计，使挂在较长杠杆下面的钩码缓缓上升，钩码总重G为1.2 N，钩码上升高度h为0.1 m，测力计移动距离s为0.3 m，下列说法正确的是(　　)A．动力×动力臂＝G×OAB．杠杆自重为0.2 NC．钩码位于A和B机械效率不变D．机械效率是66.7%
【解析】A.根据图示可知，阻力大小等于钩码总重G，只有当杠杆在水平位置时，阻力臂才为OA，所以该关系式不一定成立，故A错误；B.有用功：W有用＝Gh＝1.2 N×0.1m＝0.12J；图中弹簧测力计的分度值是0.1 N，读数为0.5 N；测力计的拉力做的总功：W总＝Fs＝0.5 N×0.3m＝0.15J；则W额＝W总﹣W有＝0.15J﹣0.12J＝0.03J；测力计移动的距离s为0.3m，质量均匀的杠杆的重心在杠杆的中心，根据几何关系可知，杠杆重心上升的高度为弹簧测力计上升高度的一半，即h杠杆＝0.15m；不计摩擦，克服杠杆自重做的功是额外功，由W额＝G杠杆h杠杆可得杠杆自重：