内容正文:
杠杆
1.杠杆的定义:一根硬棒,在力的作用下能绕着 转动,这根硬棒就是一个杠杆。
注意:杠杆可以是任何形状的,但一定是硬的、不能变形的。
2.杠杆的五要素
(1) :杠杆可以绕其转动的点(O点)。
(2) :使杠杆转动的力(F1)。
(3) :阻碍杠杆转动的力(F2)。
知识梳理 夯基础
固定点
支点
动力
阻力
(4) :从支点O到动力F1作用线的距离(l1)。
(5) :从支点O到阻力F2作用线的距离(l2)。
3.杠杆平衡:当杠杆在动力和阻力的作用下 时,我们就说杠杆平衡了。
4.杠杆的平衡条件:动力×动力臂=阻力×阻力臂或写为 。
动力臂
阻力臂
静止
F1l1=F2l2
5.杠杆的分类及应用
名称 示意图 力臂的关系 力的关系 特点 应用举例
省力
杠杆 动力臂
阻力臂 动力 阻力 省力、费距离 撬棒、铡刀、轮轴、羊角锤、钢丝钳
大于
小于
费力
杠杆 动力臂
阻力臂 动力 阻力 费力、省距离 起重机的前臂、筷子、镊子、钓鱼竿
等臂
杠杆 动力臂
阻力臂 动力 阻力 不省力也不省距离 天平、定滑轮
小于
大于
等于
等于
图说物理 扣教材
1.如图所示是自行车手闸示意图,手闸是一个 (选填“省力”或“费力”)杠杆,生活中的这类杠杆还有 (举出一例)。当图中手对手闸的作用力F=10 N时,刹车拉线受到力的大小为 N。
省力
钳子
40
2.指甲剪是常用的生活用具,如图所示。指甲剪包含有 个杠杆,
是省力杠杆, 是费力杠杆。(后两空用图中所标字母填空)
3
ABC
OBD和OED
考点突破 炼方法
考点一 杠杆作图 [2025省考第20题(1)]
1.力臂作图
方法技巧 杠杆力臂的画法
(1)定支点:确定杠杆的支点,即在杠杆使用过程中相对不动的点。
(2)画作用线:过力的作用点沿力的方向作直线,得出力的作用线。
(3)作垂线:作支点到力的作用线的垂线。
(4)标距离:标出支点到垂足的距离,即为力臂。
例1 日常生活 如图甲所示,用铁锹铲土时,铁锹可视为杠杆,图乙是其简化图,O为支点,请在图乙中画出作用力F的力臂l。
答案:如图所示
变式1 如图所示,轻质杠杆静止,O为支点,请在图中画出F1的力臂l1和阻力F2的示意图。
答案:如图所示
2.最小动力作图
方法技巧 (1)找最长动力臂:支点到动力作用点
的距离即为最长动力臂。
(2)作最小动力:过作用点作最长动力臂的垂线段,根据动力和阻力使杠杆转动的方向相反,确定动力的方向,即为最小动力的方向。
例2 如图甲所示是一款压蒜器,其简化示意图如图乙所示。用压蒜器压蒜时,ABO可以看作一个杠杆,请在图乙中画出压蒜时作用在A点的最小动力F1及其力臂l1。
答案:如图所示
变式2 图甲是小明自行车的手闸,其中ABO可视为一种杠杆,简化示意图如图乙所示,O为支点,F2为阻力,请在图乙中画出作用在A点的最小动力F1及其力臂l1。
答案:如图所示
考点二 杠杆平衡
1.杠杆静态平衡
例3 一位挑山工用一根长1.8 m的扁担挑起货物,如图为扁担示意图,若在扁担的A端挂200 N的物体,B端挂300 N的物体,挑起重物时使扁担水平平衡,则挑山工肩膀需顶在距A端 m远的位置。(不计扁担所受重力)
1.08
变式3 如图所示是生活中常见的杆秤。称量时杆秤在水平位置平衡,被测物体和秤砣到提纽的距离分别为0.05 m、0.2 m,秤砣的质量为0.1 kg,秤杆的质量忽略不计,则被测物体的质量为 kg。若秤砣有缺损,则杆秤所测物体的质量会 (选填“偏大”或“偏小”)。
0.4
偏大
2.杠杆动态平衡
例4 如图所示,O为拉杆式旅行箱的轮轴,OA为拉杆。现在拉杆端点A处施加一竖直向上的力F,使箱体从图示位置绕O点缓慢逆时针转至接近竖直位置,则力F的大小( )
A.一直变大 B.始终不变
C.一直变小 D.先变小后变大
B
变式4 如图所示,利用轻质杠杆从图示位置匀速转动到水平位置,提起重物M的过程中,动力F的方向始终与杠杆垂直,则转动过程中,动力的力臂 ,动力F的大小 。(均选填“变大”“变小”或“不变”)
不变
变大
考点三 杠杆的计算
方法技巧 (1)确定作用在杠杆上的动力和阻力,
以及它们的作用点和方向。
(2)根据力臂的定义,准确找出杠杆中的动力臂和阻力臂。
(3)将已知的力和力臂的值代入杠杆平衡条件公式中求解未知量。
例5 如图所示,一轻质杠杆可绕点O转动,在杠杆的A点处挂一质量为6 kg的物体甲,要使杠杆水平平衡,可在B点处施加一个竖直向上的力F,已知OB=12 cm,AB=8 cm,g取10 N/kg。
(1)求物体甲所受的重力。
解析:(1)物体甲所受的重力G=mg=6 kg×10 N/kg=60 N。
答案:(1)60 N
(2)求力F的大小。
解析:(2)杠杆水平平衡时FA=G=60 N;OA=OB-AB=12 cm-8 cm=4 cm,根据杠杆的平衡条件得,FA×OA=F×OB,即60 N×4 cm=F×12 cm,解得F=20 N。
答案:(2)20 N
(3)当施加的力为30 N时,为使杠杆还能在水平位置平衡,应将力的作用点向左移动多少厘米?(移动后力的方向依然竖直向上)
解析:(3)设当施加的力为30 N时,移动后力的方向依然竖直向上,作用在杠杆的C点,则根据杠杆的平衡条件得,FA·OA=F′·OC,即60 N×4 cm=
30 N×OC,解得OC=8 cm;移动的BC的长度BC=OB-OC=12 cm-8 cm=4 cm。
答案:(3)4 cm
变式5 有一轻质杠杆长1 m,左端挂120 N的物体,右端挂180 N的物体,要使杠杆平衡,支点应放在距左端 m处;若两端的重力各减少30 N,要使杠杆平衡,则支点应向 移动 m。
0.6
右
0.025
变式6 古代技术 图甲是《天工开物》里记载的一种捣谷的碓,“横木穿插碓头。足踏其末而舂之”。若碓头质量为20 kg,不计横木的重力和转动摩擦,捣谷人双手与扶手之间的作用力为0。(g取10 N/kg)
(1)求碓头所受的重力。
解析:(1)碓头所受的重力为G=mg=20 kg×10 N/kg=200 N。
答案:(1)200 N
(2)碓头竖直下落0.5 m,用时0.4 s,求重力做功的功率。
答案:(2)250 W
(3)质量为72 kg的捣谷人,左脚与地面的接触面积为200 cm2,当他右脚在B点用最小力踩横木使其刚好转动时,示意图如图乙所示,已知OA∶OB=
3∶2,求人左脚对地面的压强。
因为力的作用是相互的,则横木对右脚的支持力F右支=F1=300 N,捣谷人的重力为G人=m人g=72 kg×10 N/kg=720 N,
以捣谷人为研究对象,根据力的平衡条件可得,G人=F右支+F左支,
则左脚受到地面的支持力F左支=G人-F右支=720 N-300 N=420 N,
左脚对地面的压力和左脚受到地面的支持力是一对相互作用力,大小相等,则F压=F左支=420 N,
左脚对地面的压强为
答案:(3)2.1×104 Pa
核心实验 培素养
实验 探究杠杆的平衡条件
例 如图所示为“探究杠杆的平衡条件”的实验装置,杠杆上每小格均等长,每个钩码所受的重力均为0.5 N。
基础设问
(1)杠杆在图甲所示的位置静止时 (选填“处于”或“不处于”)平衡状态。
(2)如图甲所示,实验前,杠杆左侧下沉,则应将螺母向 (选填“左”或“右”)调节,直到杠杆在 位置平衡,目的是便于测量 。支点在杠杆的中点是为了消除杠杆 对平衡的影响。
处于
右
水平
力臂
自身重力
(3)转换问法 杠杆处于如图甲所示位置时,小李就在杠杆上挂钩码进行实验,小明认为这样操作会对实验产生以下影响:
①杠杆自身重力可能会对实验产生影响
②可能不便于测量力臂或出现力臂测量错误
③无法得出杠杆平衡条件
你认为正确的是 。
A.①② B.①③ C.②③
A
(4)数据分析 杠杆调节好后,进行了三次实验,测得数据如下表。
序号 动力
F1/N 动力臂
l1/cm 阻力
F2/N 阻力臂
l2/cm
1 1.0 10 2.0 5
2 1.5 5 0.5 15
3 2.0 15 1.5 20
由此可得杠杆的平衡条件为 。实验中进行多次实验的目的是 (选填“A”或“B”)。
A.取平均值减小误差
B.使实验结论具有普遍性
F1l1=F2l2(或动力×动力臂=阻力×阻力臂)
B
(5)将如图乙所示杠杆两边的钩码各撤掉1个,则杠杆 (选填“保持平衡”“左端下沉”或“右端下沉”)。
(6)如图丙所示,用细绳竖直向上拉,使杠杆在水平位置平衡,则拉力F为
N;保持杠杆平衡,将细绳转到虚线位置时,拉力F的大小将
(选填“变大”“变小”或“不变”)。
左端下沉
0.5
变大
拓展设问
(7)如果小明面对图甲状况,没有调水平平衡就匆忙进行图乙实验,虽然此时杠杆水平平衡,但可以判断:3G·l左 (选填“>”“<”或“=”)2G·l右。
(8)某次实验将右侧的钩码用弹簧测力计代替,如图丁所示,但他发现此时弹簧测力计的示数比真实值 (选填“偏大”“偏小”或“不变”)。
<
丁
偏小
(9)小明通过对数据分析后得出结论:动力×支点到动力作用点的距离=阻力×支点到阻力作用点的距离。小华为了证明小明的结论是错误的,他做了如图戊所示的实验,此实验 (选填“能”或“不能”)说明该结论是错误的;图戊实验中,已知杠杆上每个小格长度为5 cm,每个钩码重0.5 N,当弹簧测力计在A点斜向上(与水平方向成30°角)拉杠杆,使杠杆在水平位置平衡时,动力×动力臂 (选填“等于”或“不等于”)阻力×阻力臂。
能
戊
等于
(10)装置改进 以上实验结束后,小明用弹簧测力计代替钩码,如图己所示,保持所挂钩码位置不变,不断改变弹簧测力计的作用点和拉力的大小,使杠杆在水平位置平衡,弹簧测力计的拉力F与其力臂l的图像如图庚所示,由图像可得每次描出的点与两坐标轴围成的长方形面积(如图庚中阴影部分) (选填“相等”或“不相等”),其原因是
。
相等
己
阻力和阻力臂保持不变,根据杠杆的平衡条件可知,动力与动力臂的乘积保持不变
庚
(11)生活实践 小明看到爸爸利用如图辛所示的工具抬起大花盆,取出托水盘清洗,结合上面的探究,为了抬起花盆时更省力,他建议爸爸将支架向 移动一些距离。
右
辛
聚焦湖南 明考向
1.(2025长沙)下列属于费力杠杆的是( )
C
A.钢丝钳 B.独轮车
C.船桨 D.托盘天平
2.(2025湘西模拟)如图为中国古代的攻城利器“抛石机”。已知弹兜的悬挂点离炮轴15 m,炮索的悬挂点离炮轴3 m,现在炮手们想要将弹兜内重力为500 N的石块发射出去,忽略弹兜、炮梢、炮索的质量,炮手们至少需要提供的拉力为( )
A.1 000 N B.1 500 N
C.2 500 N D.3 000 N
C
[真实任务情境]为了防止门被风吹动,常在门背后和墙上安装如图甲所示的“门吸”。图乙是简化后的模型。门可以绕轴O自由转动,门宽为1.2 m。“门吸”与O位置关系、“门吸”引力大小和方向如图乙所示,则关门所需的最小力F是 N。(摩擦力忽略不计)
4
3.(2025常德二模)杠杆受到两个拉力,忽略杆重。下列选项中,杠杆能保持水平静止且两个力臂相等的是( )
B
4.(2024长沙)为撬起大石头,小明以O为支点架好撬棒,如图所示。他在A点用最小的力撬起大石头,请画出这个力的示意图。
答案:如图所示
5.(2024湖南)小明和小洁一起做“探究杠杆的平衡条件”实验,实验室提供了如图所示的杠杆(支点为O)、支架、10个钩码(每个重0.5 N)。
(1)如图甲所示,实验开始前,应向 端调节螺母,使杠杆在水平位置平衡;挂上钩码后,每次都要让杠杆在水平位置平衡,这样做是为了便于直接读取 。
(2)小明取2个钩码,挂在支点左侧某处,再取4个钩码挂在支点的 侧进行实验,使杠杆在水平位置平衡后,记录下数据。
右
力臂大小
右
(3)完成三次实验后分析数据,他们得出了杠杆的平衡条件。下表主要呈现了第3次实验数据。
序号 动力
F1/N 动力臂
l1/cm 阻力
F2/N 阻力臂
l2/cm
1 … … … …
2 … … … …
3 2.5 20.0 2.0 25.0
小明在第3次实验的基础上,在支点左侧20.0 cm处继续加钩码直到F1为3.5 N,如图乙所示,但发现此时用剩下的3个钩码无法让杠杆再次在水平位置平衡。小洁想利用现有器材帮助小明完成F1为3.5 N的第4次实验,她应该通过
,使杠杆再次在水平位置平衡。(请结合具体数据进行说明,可保留一位小数)
将左侧的7个钩码移动到左侧6.0 cm处,将右侧的3个钩码挂到右侧14.0 cm处,此时F1l1=3.5 N×0.06 m=F2l2=1.5 N×0.14 m=
0.21 N·m(合理即可)
6.(2025湖南)某兴趣小组了解到人长时间过度低头易对颈椎肌肉造成伤害,为研究颈椎肌肉产生的拉力大小与人低头角度变化之间的规律,设计并组装了一套如图甲所示的装置。印有头颈部照片的内盘与有刻度的固定外盘圆心均在O点,内盘可绕O点转动,以O点为支点,将整个头颈部简化为杠杆模型。θ表示人低头的角度,在A点通过细线悬挂一个重为2 N的物体模拟头颅重力,用细线垂直OB对B点施加的拉力F1模拟颈椎肌肉产生的拉力,细线对A点的拉力大小为F2。实验中通过拉力传感器测出内盘上的头颈部在不同位置平衡时F1的大小,实验数据如表所示。
物体所受的重力/N 2
θ的大小/° 0 15 30 45 60
拉力传感
器的示数/N 0 3.22 6.22 8.80 10.78
(1)请画出图乙中F2的力臂l(保留作图痕迹)。
答案:(1)如图所示
(2)分析表格中的数据可知,颈椎肌肉产生的拉力随人低头的角度增大而
,对颈椎肌肉的影响就越大。
(3)若某中学生头颅的重力为50 N,请根据表格中的数据,计算该学生低头角度为45°时,颈椎肌肉产生的拉力大小是 N。
(4)新设问 请你结合以上分析,从保护颈椎肌肉的角度提出一条合理建议:
。
增大
220
尽量减少低头的时间和角度,例如在使用电子设备时,将设备屏幕抬高,使屏幕中心与眼睛在同一高度,避免长时间低头看手机或电脑
谢谢观赏!
50
解析:(2)碓头竖直下落0.5 m,重力做的功为
W=Gh=200 N×0.5 m=100 J,
重力做功的功率为P===250 W。
解析:(3)根据杠杆的平衡条件可得F1×OB=G×OA,
则捣谷人右脚对横木的压力为
F1===300 N;
p===2.1×104 Pa。
$