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力和机械的基础知识和学习指导

时间：2022-06-25 15:34:19 机械/重工/工业自动化我要投稿

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力和机械的基础知识和学习指导

　　《力和机械》主要学习内容可简单概括为“三力一棒二轮”。“三力”即弹力、重力、摩擦力；“一棒”即杠杆；“二轮”就是定滑轮、动滑轮。对于“三力”的学习，我今天向大家推荐一种学习方法，叫“咬文嚼字”。关于“一棒二轮”的学习，则向同学们推荐“图表法”和“公式法”。

力和机械的基础知识和学习指导

　　力和机械的基础知识

　　一、基础知识导学：

　　“三力”──弹力：

　　1．概念：相互接触的物体由于发生弹性形变而受到的力叫弹力,弹力的大小与弹性形变的大小有关。

　　咬文嚼字：弹力概念中说到“接触”和“发生弹性形变”，我们可以以此字眼来判断一个物体是否受到弹力。即产生弹力时两物体一定是接触并发生了弹性形变。但有时弹性形变很微小，难以判断。我推荐大家可用“假设法”来判断是否产生了弹力。基本思路为：先假设研究对象相接触的物体没有接触，然后分析研究对象的运动状态是否发生变化，若其运动状态不变，则可断定原接触处不存在弹力；若其运动状态发生变化，则原接触处一定存在弹力。比如图1中，我们可假设球与左侧壁没有接触，此时球受重力G与水平地面对它的支持力作用，在这两个力的作用下，球仍能处于静止状态，故球与左侧壁虽然相互接触，但并没有挤压发生形变，所以左侧壁对球没有弹力作用。用此法，同学们可试着分析一下图中球和两支持面之间有没有弹力。

　　2．弹力的方向：与使该物体发生形变的外力的方向相反（与该物体恢复形变的趋势方向相同）。

　　咬文嚼字：“与发生形变的外力的方向相反”。比如在右图中，球对绳有一个向下的拉力，所以绳对物体的弹力方向，沿绳指向绳收缩方向。

　　“三力”──重力：

　　1．概念：地面附近的物体，由于地球的吸引而受的力叫重力。

　　咬文嚼字：“地面附近的物体”告诉我们不仅地球上的物体都要受到重力作用，而且地面附近的物体也要受到地球重力作用，比如空中飞行的客机也要受到重力作用。

　　据“由于地球的吸引……”这句话，我们可知重力的施力者是地球，其力的方向指向地心。所以重力的方向是“竖直向下”。生活中用重垂线、水平仪分别检查墙是否竖直和面是否水平就是利用重力方向“竖直向下”知识。

　　2．重力大小：计算公式G=mg。其中g=9.8N/kg 它表示质量为1kg 的物体所受的重力为9.8N。

　　3．重力的作用点：重力在物体上的作用点叫重心。质地均匀外形规则物体的重心，在它的几何中心上。如均匀细棒的重心在它的中点，球的重心在球心。方形薄木板的重心在两条对角线的交点。

　　“三力”──摩擦力

　　1．概念：两个互相接触的物体，当它们有相对运动趋势或发生相对运动时，就会在接触面上产生一种阻碍运动趋势或相对运动的力，这力就叫摩擦力。

　　咬文嚼字：摩擦力产生条件：

　　①“两个互相接触的物体”。就是说产生摩擦力的两个物体要相互接触并挤压。

　　②“有相对运动趋势或发生相对运动”。就是说相接触的两物体如果要产生摩擦力的话，那么这两个物体必须做相对运动。两物体相对静止也行，但要有相对运动的趋势。

　　当然，摩擦力产生还要加上一个条件，即两物体接触面不光滑。切记，如果以后在解题时题中明确告诉“接触面光滑”，则暗示物体在此表面将不受摩擦力！

　　摩擦力方向：

　　由“产生一种阻碍运动趋势或相对运动的力”可知，物体所受摩擦力方向总与物体相对运动趋势的方向或相对运动的方向相反。

　　摩擦力的类型：

　　由“有相对运动趋势或发生相对运动时”，我们可知摩擦力有两种。两物体静止但有相对运动趋势时产生的摩擦力我们就叫静摩擦；发生相对运动时产生的摩擦力我们就叫动摩擦。动摩擦根据物体运动的形式又分为滑动摩擦和滚动摩擦。

　　2．摩擦力的大小：关于摩擦力的大小的判断，我在后面“典型例题”中再给同学们具体讲。

　　“一棒”──杠杆

　　1．概念：在力的作用下绕着固定点转动的硬棒叫杠杆。

　　咬文嚼字：

　　只说“绕着固定点转动”，没说非要是直的`。所以杠杆可以是直的也可以是曲的。比如课本图13、4-4丙图中的抽水机的压柄就是一个曲的杠杆。

　　“硬棒”说明做杠杆的材质一定要“硬”。比如课本图13、4-4丙图中的抽水机的压柄我们就不能用塑料或玻璃等易碎材质。

　　2．杠杆五要素：（如下图所示）

　　支点：杠杆绕着转动的点。用字母O 表示。

　　动力：使杠杆转动的力。用字母 F1表示。

　　阻力：阻碍杠杆转动的力。用字母 F2表示。

　　动力臂：从支点到动力作用线的距离。用字母l1表示。

　　阻力臂：从支点到阻力作用线的距离。用字母l2表示。

　　说明：①、动力、阻力都是杠杆的受力，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

　　②画力臂方法：（简单概括为“一找支点、二画线、三连距离、四标签”）

　　找支点O；画力的作用线（沿力的方向，用虚线）；画力臂（虚线，过支点垂直力的作用线作垂线）；

　　标力臂（双箭头或大括号）。

　　3．研究杠杆的平衡条件：

　　杠杆平衡是指杠杆静止或匀速转动。实验前调节杠杆两端的螺母，使杠杆在水平位置平衡。这样做的目的是“可以方便的从杠杆上量出力臂”。

　　杠杆的平衡条件（或杠杆原理）是：

　　动力×动力臂＝阻力×阻力臂。写成公式是F1l1=F2l2也可写成：F1/ F2=l2/ l1

　　咬文嚼字：

　　由“F1l1=F2l2”知，在阻力和阻力臂不变的情况下，如果我们想杠杆省力（F1小）；则l1就必需大。也就是说，省力杠杆的结构特征是动力臂（l1）大于阻力臂（l2）。

　　同理，费力杠杆的结构特征就应是动力臂（l1）小于阻力臂（l2）。

　　4．应用：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。

　　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、钓鱼杆

　　等臂

　　杠杆

　　动力臂等于阻力臂

　　不省力

　　不费力

　　天平，定滑轮

　　“二轮”──定滑轮、动滑轮

　　1．概念：中间的轴固定不动的滑轮叫定滑轮；和重物一起移动的滑轮叫动滑轮；若干定滑轮、动滑轮组合在一起使用就叫滑轮组。

　　咬文嚼字：

　　定滑轮重在“定”字，即所谓定滑轮就是“中间的轴固定不动”的滑轮；

　　动滑轮重在“动”字，即就是“和重物一起移动”的滑轮；

　　滑轮组重在“组”字，即定滑轮和动滑轮的“组合”。

　　2．实质：如下图示，定滑轮的实质是等臂杠杆，因此使用定滑轮不能省力但是能改变动力的方向；

　　如图所示，动滑轮的实质是动力臂为阻力臂2倍的省力杠杆，因此使用动滑轮能省一半的力，但不能改变动力的方向。

　　既然滑轮组由若干定滑轮、动滑轮组合在一起使用，因此滑轮组应兼具二者的特点，即既能省力又能改变动力的方向。

　　3．相关计算公式：

　　定滑轮：

　　F拉=G物（理想的定滑轮，不计轮轴间摩擦）

　　S绳=h物（S绳为绳子自由端移动距离，h物为重物移动的距离）

　　V绳=V物（V绳为绳子自由端移动速度，V物为重物移动的速度）

　　动滑轮：

　　F拉=G物（不计轴间摩擦和动滑轮重力）

　　F=(G物+G动) （忽略轮轴间的摩擦，考虑动滑轮重力）

　　S绳=2h物（S绳为绳子自由端移动距离，h物为重物移动的距离）

　　V绳=2V物（V绳为绳子自由端移动速度，V物为重物移动的速度）

　　滑轮组：

　　F拉=G物（不计轮轴间的摩擦和动滑轮的重力）

　　F拉=(G物+G动) （只忽略轮轴间的摩擦）

　　S绳=nh物（S绳为绳子自由端移动距离，h物为重物移动的距离）

　　V绳=nV物（V绳为绳子自由端移动速度，V物为重物移动的速度）

　　实验技能：

　　1．力的测量：

　　测量力的大小工具叫做测力计。弹簧受到的拉力越大，弹簧的伸长就越长。利用这个道理做成的测力计就叫做弹簧测力计。

　　弹簧测力计的正确使用方法：

　　①首先看清弹簧测力计的量程，也就是弹簧测力计上的最大刻度即弹簧测力计的测量范围，加在弹簧测力计上的力不能超出这个范围。

　　②认清弹簧测力计上最小刻度值，即每一小格表示多少N，以便使用它时可以迅速读出测量值。

　　③测量前要把指针调到零点，读数时，视线要与指针相平。

　　④测量时，要使测力计内的弹簧轴线方向跟所测力的一致，不可用力猛拉弹簧或让弹簧测力计长久受力，以免损坏。

　　2．滑动摩擦大小的测量：

　　做课本P60这个实验时，我们一定要注意课本上有这样一句话：“用弹簧测力计匀速拉动木块，使它沿着长木板滑动，从而测出木块与长木板之间的摩擦力”。为什么要“匀速”呢？因为我们无法直接测出木块与长木板之间的摩擦力，但如果我们让木块在水平方向上匀速前进，根据牛顿第一运动定律知，它在水平方向上受到的是平衡力。又因为它在水平方向上只受弹簧的向右的拉力和长木板对它向左的摩擦力作用，所以摩擦力等于拉力。

　　3．组装滑轮组方法：

　　首先根据公式n=(G物+G动) / F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。

　　二、典型例题分析：

　　例1．下列各种力中不是弹力的是（）

　　A．手受到弹簧的拉力 B．物体受到的重力

　　C．物体对桌面的压力 D．桌面对物体的支持力

　　解析：当物体受到推、拉、提、压时，物体或多或少都会发生形变，所以物体受到的推力、拉力、提力、压力、支持力都属于弹力。

　　答案：D。

　　例2．某物体受到的重力是5N，图中正确的是哪一项（）

　　解析：重力方向竖直向下，作用点在重心，四个图的长度均符合规定，选项B的方向不是竖直向下的，而是与斜面垂直，是错误的，选项A的作用点在物体的底部，选项D的作用点在系绳的位置，都不在重心，所以选项A、D也不正确，选项C的重力方向竖直向下，作用在重心处，选项C是正确的。

　　例3．如图所示，用手握着一个瓶子悬在空中不动，当手握瓶子的力增大时，瓶子受到手的摩擦力将（选填“不变”、“变大”或“变小”），若在手握瓶子的力增大时往瓶中加水，瓶子仍然悬在空中不动，则瓶子受到手的摩擦力将（选填“不变”、“变大”或“变小”）。

　　分析解答：瓶子始终处于静止状态，根据平衡力的知识：瓶子受到手的静摩擦力和瓶子自身的重力是一对平衡力。当瓶子自身重力发生改变时，受到静摩擦力的大小随之改变。所以本题答案依次为“不变”、“大”。

　　例4．用弹簧秤在水平方向上拉动一个置于地面的物体，使它做匀速直线运动时，弹簧秤示数5N。当弹簧秤示数为6N时，物体运动时受到的摩擦力大小是 ( )

　　A．6N B．5N C．1N D．11N

　　分析解答：因为物体是运动的，所以在水平方向上受到拉力和滑动摩擦力。又因为物体开始做是匀速直线运动，所以拉力和滑动摩擦力是一对平衡力。当拉力由5N变为6N时，物体所受到摩擦力仍为滑动摩擦力，而物体所受滑动摩擦力的大小只与接触面粗糙程度和压力大小有关，只要这两因素不变，滑动摩擦力的大小就不变。所以本题选B。

　　例5．下图中，物体A静止在斜面上，物体B在水平接拉力作用下做匀速直线运动，物体C被紧压在竖直墙壁上而处于静止，物体D随皮带一起做匀速直线运动，试分析：物体A、B、C、D所受的摩擦力方向分别向哪儿？

　　分析解答：物体A、C和D有向下的运动趋势，所以A物体受到的静摩擦力方向沿着斜面向上，C物体受到的静摩擦力方向沿着竖直墙壁向上，D物体所受静摩擦力沿着皮带向上，B物体相对地面向右运动，所以B物体所受摩擦力向左。

　　例6．如图所示，用F=10N的力，拉着物体在地面上匀速运动，若物体向前移动1m，绳子要拉过多少米？物体与地面的摩擦力是多大？（忽略绳重、轮重及机械摩擦）

　　解析：此题一个难点就是不知滑轮B是动滑轮还是定滑轮。然后再就是滑轮组知识的熟练运用了（选择并灵活运用公式）。

　　方法一：由图可知，滑轮B在拉力F作用下会和重物一起向左运动，因此滑轮B是动滑轮。与动滑轮相连的绳有3段，于是S拉=3h物=3×1m=3m。对滑轮B及物体进行受力分析，设物体与地面的摩擦力为f，在水平方向上，物体受两个力作用：滑轮钩对它向左的拉力F1和地面对它向右的摩擦力为f，因为匀速，所以f=F1。又因为 F1=3F，f=F1。所以 f=F1=3F=3

　　方法二：同学们还可以把图顺时针旋转90度（试卷旋转90度），旋转后的图是不是好理解了？！一动一定，一个最简单的滑轮组！相信同学能轻易解答出来，具体解法我就不写了。

　　三、中考真题：

　　1．（2011江苏连云港，第10题）小刚用水平推力推静止在水平地面上的讲台桌，结果没有推动。则下列说法正确的是（）

　　A．讲台桌不受摩擦力

　　B．推力与讲台桌的重力大小相等

　　C．推力小于地面对讲台桌的摩擦力

　　D．推力与地面对讲台桌的摩擦力大小相等

　　答案：D

　　2．（2011浙江杭州，第5题）将一袋大米放在匀速向右水平运动的输送带上，开始米袋与输送带间有一段距离的相对滑动，然后米袋随输送带一起匀速运动。当输送带突然制动时，米袋会继续向前滑动一段距离后停下。（回答下列小题请选填以下合适的字母标号）

　　A．受到方向向右的摩擦力 B．受到方向向左的摩擦力 C．不受力

　　（1）米袋刚放上输送带的瞬间，米袋在水平方向上受力情况为____________。

　　（2）当米袋随输送带一起匀速运动时，米袋在水平方向上受力情况为______________。