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第11讲简单机械机械效率2013~2015年初中学业水平考试试题统计与命题解读考点聚焦考纲要求云南省近三年考题统计命题角度年份/卷别/题号/分值题型杠杆滑轮知道简单机械。通过实验,探究并了解杠杆的平衡条件2014云南,1,3分2014昆明,20,8分2013云南,19(1),3分2013昆明,18(1),2分选择作图实验杠杆类型的判断、运动和静止的相对性、运动和力考点聚焦考纲要求云南省近三年考题统计命题角度年份/卷别/题号/分值题型机械效率知道机械效率,了解提高机械效率的途径和意义2015云南,17,2分;2015曲靖,18,2分2015曲靖,25,8分;2015云南,26,9分2014曲靖,22,7分;2014云南,18,2分2013云南,18,2分;填空实验计算机械效率、功率的计算、有用功、总功、额外功、探究斜面的机械效率、速度、功、功率及机械效率的综合计算考点1考点2考点3考点4考点1杠杆五要素及平衡条件1.杠杆(1)定义:在力的作用下绕着固定点转动的硬棒叫杠杆。说明:①杠杆可直可曲,形状任意。②在力的作用下不易发生形变。(2)五要素——组成杠杆示意图。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”表示考点1考点2考点3考点4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,但它们使杠杆的转动的方向相反。考点1考点2考点3考点4方法提示画力臂的方法:考点1考点2考点3考点42.研究杠杆的平衡条件(1)杠杆平衡是指:杠杆静止或匀速转动。(2)调节:调节杠杆两端的螺母,使杠杆在水平位置平衡。目的:可以方便地从杠杆上读出力臂的大小;消除杠杆自身重力产生的力矩。调节方法与天平的调节相同:左偏右调、右偏左调。(3)杠杆的平衡条件(或杠杆原理):动力×动力臂=阻力×阻力臂。公式:F1l1=F2l2或𝐹1𝐹2=𝑙2𝑙1。考点1考点2考点3考点4(4)应用:名称结构特征特点应用举例省力杠杆动力臂大于阻力臂省力、费距离撬棒、铡刀、动滑轮、轮轴、羊角锤、钢丝钳、手推车、花枝剪刀费力杠杆动力臂小于阻力臂费力、省距离缝纫机踏板、起重臂、人的前臂、理发剪刀、钓鱼竿等臂杠杆动力臂等于阻力臂不省力不费力天平、定滑轮说明:应根据实际来选择杠杆,当需要较大的力才能解决问题时,应选择省力杠杆;当为了使用方便,省距离时,应选费力杠杆;又省力又省距离的杠杆是不存在的。考点1考点2考点3考点4考点2滑轮与滑轮组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特点不省力但是能改变动力的方向省一半的力,但不能改变动力的方向省力又能改变动力的方向考点1考点2考点3考点4定滑轮动滑轮滑轮组力的关系F=G(不计轮轴间摩擦)F=12G(不计轮轴间摩擦和动滑轮重力)F=12(G物+G动)(只忽略轮轴间的摩擦)F=1nG(不计轮轴间的摩擦和动滑轮的重力)F=1n(G物+G动)(只忽略轮轴间的摩擦)重物和动力运动关系绳子自由端移动距离sF(或速度vF)=重物移动的距离sG(或速度vG)绳子自由端移动距离sF(或速度vF)=2倍的重物移动的距离sG(或速度vG)绳子自由端移动距离sF(或速度vF)=n倍的重物移动的距离sG(或速度vG)考点1考点2考点3考点4特别提醒1.分析绳子段数:截线法:此法是在定滑轮和动滑轮之间作一条水平辅助线,假设它把滑轮组的绕线“截断”。水平线与绳的截点数就是“绳子的段数”;当绳的末端从定滑轮出来这根不算,从动滑轮上去的这根则算。特殊情况:如丙图,末端绳子虽然从定滑轮出来,但人拉绳和重物连在一起,这段也必须算,n=3。2.组装滑轮组方法:首先根据公式求出绳子的股数;然后根据“奇动偶定”的原则,结合题目的具体要求组装滑轮。n=𝐺物+𝐺动𝐹,F=𝐺ℎ𝑠考点1考点2考点3考点4考点3斜面1.斜面:(1)定义:一个与水平面成一定夹角的倾斜平面。(2)特点:省力机械。如图:用F表示力,s表示斜面长,h表示斜面高,物重为G。理想情况下,根据功的原理,得W=Fs=Gh,变形得,当h一定时,斜面越长越省力;例:盘山公路。说明:螺线可以看作是绕着圆柱上的斜面。例:饮料瓶瓶盖、螺丝钉、螺旋千斤顶等。η=𝑊有用𝑊总考点1考点2考点3考点4考点4机械效率1.相关概念:(1)有用功W有用:对人们有用的功。公式:W有用=Gh(提升重物)(2)额外功W额:并非我们需要但又不得不做的功。公式:W额=W总-W有用(3)总功W总:有用功加额外功或动力所做的功。公式:W总=Fs=W有用+W额(4)机械效率η:有用功跟总功的比值。公式:考点1考点2考点3考点42.机械效率的测量:(1)原理:;(2)应测物理量:钩码重力G、钩码提升的高度h、拉力F、绳的自由端移动的距离s;(3)器材:除钩码、铁架台、滑轮、细线外还需弹簧测力计、刻度尺。(4)步骤要点:必须匀速、竖直拉动弹簧测力计使钩码升高。目的:保证测力计示数最小且大小不变。(5)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越多;②提升重物越重,做的有用功相对就越多;③若各种摩擦越大做的额外功就越多;④绕线方法和重物提升高度不影响滑轮组机械效率。η=𝑊有用𝑊总考点1考点2考点3考点4说明:①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。②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。(6)结论:①同一种滑轮组(额外功相同),提升的重物越重,机械效率越高;②不同的滑轮组,提升相同的重物,额外功越多的机械效率越低;③使用机械虽然不能省功,但人类仍然使用,是因为使用机械或者可以省力或者可以省距离、也可以改变力的方向,给人类工作带来很多方便。考法考法简单机械作图主要是杠杆五要素作图、杠杆最小力问题作图、定滑轮和动滑轮的杠杆本质作图、滑轮组绕绳作图等。例题(2015四川雅安)请作出图中:①物体A所受重力G的示意图;②力F的力臂l。考法解析:①过物体的重心沿竖直向下的方向画一条带箭头的线段,并用符号G表示;②过O点向F的作用线作垂线,垂线段的长就是该力的力臂。答案:如图所示:方法点拨画重力示意图的关键是要把握它的三要素;画杠杆的力臂则要找准支点和力的作用线,并从支点向力的作用线作垂线。一、探究杠杆的平衡条件1.实验器材:铁架台或支架、带刻度的杠杆、钩码。2.实验要求:(1)组装器材,在不挂任何钩码,调节杠杆水平位置平衡;这样力臂的数值在杠杆上就能直接读出或量出(同时也是为了消除杠杆自身重力的影响);(2)在杠杆左、右两边分别挂上不同数量的钩码,使杠杆在水平位置重新平衡;(3)读出动力,动力臂,阻力,阻力臂,填写实验记录表1,并计算出实验中F1×L1和F2×L2的数值;(4)改变力及力臂的大小,重复上述实验步骤(2)、(3),(要求每次实验都应改变钩码数目和悬挂位置),填写实验记录表;(5)对实验数据进行分析比较,得出实验结论;(6)实验结束,整理实验器材。3.实验记录表:4.实验结论:杠杆的平衡条件:动力×动力臂=阻力×阻力臂或F1×L1=F2×L2。次数动力F1(N)动力臂L1(cm)动力×动力臂(F1×L1)阻力F2(N)阻力臂L2(cm)阻力×阻力臂(F1×L1)12例1(2015江苏苏州)物理实验复习时,小美和小丽再探有关杠杆平衡的问题。(1)小美先将杠杆调节至水平位置平衡,在左右两侧各挂如图甲所示的钩码后,杠杆的端下降。要使杠杆重新在水平位置平衡,如果不改变钩码总数和悬挂点位置,只需将即可。(2)小丽还想探究当动力和阻力在杠杆同侧时杠杆的平衡情况,于是她将杠杆左侧的所有钩码拿掉,结果杠杆转至竖直位置,如图乙所示。小丽在A点施加一个始终水平向右的拉力F,却发现无论用多大的力都不能将杠杆拉至水平位置平衡。你认为原因是。(3)他们认为(2)问中拉力是做功的。如果水平向右的拉力F大小不变,OA长L,将杠杆从竖直位置拉着转过30°的过程中,拉力F做功为。(3)12FLW=F×𝐿2=12FL。𝐿2,解析:(1)若每个钩码重力为G,杠杆上每格长L,由题图甲,左侧力与力臂的乘积:5G×4L=20GL,右侧力与力臂的乘积:2G×3L=6GL,因为20GL6GL,所以杠杆左侧下降;如果不改变钩码总数和悬挂点位置,若要杠杆平衡,左侧取下n个钩码挂到右侧,则:(5-n)G×4L=(2+n)G×3L,解得n=2,即需将左侧2个钩码挂到右侧即可;(2)由题图将杠杆左侧的所有钩码拿掉,在A点施加一个始终水平向右的拉力F,当杠杆拉到水平位置时,F的力臂通过支点,即力臂为0,根据杠杆的平衡条件可知,杠杆始终不能平衡;(3)由图杠杆从竖直位置转过30°的过程,F水平移动距离为OA长的一半,即所以拉力F做的功答案:(1)左左侧2个钩码挂到右侧(2)水平位置时动力臂为零,杠杆无法平衡方法点拨杠杆平衡条件实验中出现问题分析和杠杆平衡条件运用,关键是求出杠杆转动30°时水平拉力F水平移动距离。我们要学会设计实验、进行实验、收集实验数据、总结实验结论。二、测滑轮组的机械效率1.实验器材:刻度尺、钩码、弹簧测力计、铁架台,一个定滑轮和一个动滑轮组成的滑轮组,两个定滑轮和两个动滑轮组成的滑轮组,长约2m的细绳。2.实验操作过程:(1)钩码的重力由钩码的质量算出。(2)匀速拉动弹簧测力计使钩码G升高。注意“匀速拉动”。测拉力时,拉力F的大小由弹簧测力计上的示数读出。(3)钩码上升的高度(h),可用竖直放置在钩码旁的刻度尺读出。(4)细绳自由端通过的距离(s)的测定,可事先在细绳与动滑轮(或定滑轮)相切处用色笔在细绳上作个记号,再拉弹簧测力计,用滑轮组提升重物。用刻度尺量出钩码上升的高度后,再量细绳色点到与动滑轮(或定滑轮)相切处的距离,就是细绳自由端通过的距离(s)。实验结论:影响滑轮组机械效率高低的主要因素有:滑轮越重,个数越多则额外功相对就多;提升重物越重,做的有用功相对就多;若各种摩擦越大做的额外功就多。例2在“测滑轮组机械效率”的实验中(1)图甲是小强实验中的情景,下表是他记录的一组数据。钩码总重G/N钩码上升高度h/m测力计拉力F/N测力计移动距离s/m20.050.40.15①由表中数据可计算出,滑轮组对钩码做的有用功为0.1J,人做的总功为J。②对以上两个计算结果进行比较,其不合理之处是;结合弹簧测力计放大图,可知小强的错误是。(2)小红在小强实验的基础上多使用一个滑轮也做了实验,如图乙所示。小红多使用一个滑轮,目的是为了改变。(3)这两位同学使用各自的滑轮组提升相同的重物时,若忽略绳重及摩擦,它们的机械效率(选填“相同”或“不相同”),理由是。(4)如果这两位同学用弹簧测力计拉着物体加速上升,测得滑轮组的机械效率将会(选填“偏高”“偏低”或“不变”)。(5)如果将重大于2N的钩码挂在图甲中滑轮组下,根据题中已有的信息可以判断出这时滑轮组的机械效率应在范围内。解析:(1)①用拉力乘拉力移动的距离得出是0.06J,②比较有用功和总功大小发现出错了;错的原因是弹簧测力计的分度值是0.2N,小强看成了0.1N。(2)增加定滑轮只能改变力的方向,不能改变力的大小。(3)相同,因为做的有用功没有变,克服动滑轮做的额外功也没有变,所以效率不变。(4)因为加速上升,这样说明拉力大于匀速运动时的拉力,此时读数拉力变大,总功变大,但有用功不变,所以效率变低。(5)物体重2N时的效率为83.3%,当增大被拉升的物体重力时,滑轮组的效率会增大,但不会超过100%。答案:(1)①0.06②总功小于有用功弹簧测力计读数时看错了分度值(2)力的方向(3)相同做的有用功没有变,克服动滑轮做的额外功也没有变,所以效率不变(4)偏低(5)83.3%~100%方法点拨对滑轮组的分析、机械效率公式的运用和弹簧测力计的正确使用是实验的基础,同时,实验中分别