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力和機(jī)械的基礎(chǔ)知識和學(xué)習(xí)指導(dǎo)
《力和機(jī)械》主要學(xué)習(xí)內(nèi)容可簡單概括為“三力一棒二輪”。“三力”即彈力、重力、摩擦力；“一棒”即杠桿；“二輪”就是定滑輪、動滑輪。對于“三力”的學(xué)習(xí)，我今天向大家推薦一種學(xué)習(xí)方法，叫“咬文嚼字”。關(guān)于“一棒二輪”的學(xué)習(xí)，則向同學(xué)們推薦“圖表法”和“公式法”。
力和機(jī)械的基礎(chǔ)知識
一、基礎(chǔ)知識導(dǎo)學(xué)：
“三力”──彈力：
1．概念：相互接觸的物體由于發(fā)生彈性形變而受到的力叫彈力,彈力的大小與彈性形變的大小有關(guān)。
咬文嚼字：彈力概念中說到“接觸”和“發(fā)生彈性形變”，我們可以以此字眼來判斷一個物體是否受到彈力。即產(chǎn)生彈力時兩物體一定是接觸并發(fā)生了彈性形變。但有時彈性形變很微小，難以判斷。我推薦大家可用“假設(shè)法”來判斷是否產(chǎn)生了彈力。基本思路為：先假設(shè)研究對象相接觸的物體沒有接觸，然后分析研究對象的運(yùn)動狀態(tài)是否發(fā)生變化，若其運(yùn)動狀態(tài)不變，則可斷定原接觸處不存在彈力；若其運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生變化，則原接觸處一定存在彈力。比如圖1中，我們可假設(shè)球與左側(cè)壁沒有接觸，此時球受重力G與水平地面對它的支持力作用，在這兩個力的作用下，球仍能處于靜止?fàn)顟B(tài)，故球與左側(cè)壁雖然相互接觸，但并沒有擠壓發(fā)生形變，所以左側(cè)壁對球沒有彈力作用。用此法，同學(xué)們可試著分析一下圖中球和兩支持面之間有沒有彈力。
2．彈力的方向：與使該物體發(fā)生形變的外力的方向相反（與該物體恢復(fù)形變的趨勢方向相同）。
咬文嚼字：“與發(fā)生形變的外力的方向相反”。比如在右圖中，球?qū)K有一個向下的拉力，所以繩對物體的彈力方向，沿繩指向繩收縮方向。
“三力”──重力：
1．概念：地面附近的物體，由于地球的吸引而受的力叫重力。
咬文嚼字：“地面附近的物體”告訴我們不僅地球上的物體都要受到重力作用，而且地面附近的物體也要受到地球重力作用，比如空中飛行的客機(jī)也要受到重力作用。
據(jù)“由于地球的吸引……”這句話，我們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“豎直向下”。生活中用重垂線、水平儀分別檢查墻是否豎直和面是否水平就是利用重力方向“豎直向下”知識。
2．重力大小：計算公式G=mg。其中g(shù)=9.8N/kg 它表示質(zhì)量為1kg 的物體所受的重力為9.8N。
3．重力的作用點：重力在物體上的作用點叫重心。質(zhì)地均勻外形規(guī)則物體的重心，在它的幾何中心上。如均勻細(xì)棒的重心在它的中點，球的重心在球心。方形薄木板的重心在兩條對角線的交點。
“三力”──摩擦力
1．概念：兩個互相接觸的物體，當(dāng)它們有相對運(yùn)動趨勢或發(fā)生相對運(yùn)動時，就會在接觸面上產(chǎn)生一種阻礙運(yùn)動趨勢或相對運(yùn)動的力，這力就叫摩擦力。
咬文嚼字：摩擦力產(chǎn)生條件：
①“兩個互相接觸的物體”。就是說產(chǎn)生摩擦力的兩個物體要相互接觸并擠壓。
②“有相對運(yùn)動趨勢或發(fā)生相對運(yùn)動”。就是說相接觸的兩物體如果要產(chǎn)生摩擦力的話，那么這兩個物體必須做相對運(yùn)動。兩物體相對靜止也行，但要有相對運(yùn)動的趨勢。
當(dāng)然，摩擦力產(chǎn)生還要加上一個條件，即兩物體接觸面不光滑。切記，如果以后在解題時題中明確告訴“接觸面光滑”，則暗示物體在此表面將不受摩擦力！
摩擦力方向：
由“產(chǎn)生一種阻礙運(yùn)動趨勢或相對運(yùn)動的力”可知，物體所受摩擦力方向總與物體相對運(yùn)動趨勢的方向或相對運(yùn)動的方向相反。
摩擦力的類型：
由“有相對運(yùn)動趨勢或發(fā)生相對運(yùn)動時”，我們可知摩擦力有兩種。兩物體靜止但有相對運(yùn)動趨勢時產(chǎn)生的摩擦力我們就叫靜摩擦；發(fā)生相對運(yùn)動時產(chǎn)生的摩擦力我們就叫動摩擦。動摩擦根據(jù)物體運(yùn)動的形式又分為滑動摩擦和滾動摩擦。
2．摩擦力的大小：關(guān)于摩擦力的大小的判斷，我在后面“典型例題”中再給同學(xué)們具體講。
“一棒”──杠桿
1．概念：在力的作用下繞著固定點轉(zhuǎn)動的硬棒叫杠桿。
咬文嚼字：
只說“繞著固定點轉(zhuǎn)動”，沒說非要是直的`。所以杠桿可以是直的也可以是曲的。比如課本圖13、4-4丙圖中的抽水機(jī)的壓柄就是一個曲的杠桿。
“硬棒”說明做杠桿的材質(zhì)一定要“硬”。 比如課本圖13、4-4丙圖中的抽水機(jī)的壓柄我們就不能用塑料或玻璃等易碎材質(zhì)。
2．杠桿五要素：（如下圖所示）
支點：杠桿繞著轉(zhuǎn)動的點。用字母O 表示。
動力：使杠桿轉(zhuǎn)動的力。用字母 F1表示。
阻力：阻礙杠桿轉(zhuǎn)動的力。用字母 F2表示。
動力臂：從支點到動力作用線的距離。用字母l1表示。
阻力臂：從支點到阻力作用線的距離。用字母l2表示。
說明：①、動力、阻力都是杠桿的受力，所以作用點在杠桿上；動力、阻力的方向不一定相反，但它們使杠桿的轉(zhuǎn)動的方向相反
②畫力臂方法：（簡單概括為“一找支點、二畫線、三連距離、四標(biāo)簽”）
找支點O；畫力的作用線（沿力的方向，用虛線）；畫力臂（虛線，過支點垂直力的作用線作垂線）；
標(biāo)力臂（雙箭頭或大括號）。
3．研究杠桿的平衡條件：
杠桿平衡是指杠桿靜止或勻速轉(zhuǎn)動。實驗前調(diào)節(jié)杠桿兩端的螺母，使杠桿在水平位置平衡。這樣做的目的是“可以方便的從杠桿上量出力臂”。
杠桿的平衡條件（或杠桿原理）是：
動力×動力臂＝阻力×阻力臂。寫成公式是F1l1=F2l2也可寫成：F1/ F2=l2/ l1
咬文嚼字：
由“F1l1=F2l2”知，在阻力和阻力臂不變的情況下，如果我們想杠桿省力（F1小）；則l1就必需大。也就是說，省力杠桿的結(jié)構(gòu)特征是動力臂（l1）大于阻力臂（l2）。
同理，費(fèi)力杠桿的結(jié)構(gòu)特征就應(yīng)是動力臂（l1）小于阻力臂（l2）。
4．應(yīng)用：應(yīng)根據(jù)實際來選擇杠桿，當(dāng)需要較大的力才能解決問題時，應(yīng)選擇省力杠桿，當(dāng)為了使用方便，省距離時，應(yīng)選費(fèi)力杠桿。
名稱
結(jié)構(gòu)特征
特 點
應(yīng)用舉例
省力
杠桿
動力臂
大于
阻力臂
省力、
費(fèi)距離
撬棒、鍘刀、動滑輪、輪軸、羊角錘、鋼絲鉗、手推車、花枝剪刀
費(fèi)力
杠桿
動力臂
小于
阻力臂
費(fèi)力、
省距離
縫紉機(jī)踏板、起重臂
人的前臂、理發(fā)剪刀、釣魚桿
等臂
杠桿
動力臂等于阻力臂
不省力
不費(fèi)力
天平，定滑輪
“二輪”──定滑輪、動滑輪
1．概念：中間的軸固定不動的滑輪叫定滑輪；和重物一起移動的滑輪叫動滑輪；若干定滑輪、動滑輪組合在一起使用就叫滑輪組。
咬文嚼字：
定滑輪重在“定”字，即所謂定滑輪就是“中間的軸固定不動”的滑輪；
動滑輪重在“動”字，即就是“和重物一起移動”的滑輪；
滑輪組重在“組”字，即定滑輪和動滑輪的“組合”。
2．實質(zhì)：如下圖示，定滑輪的實質(zhì)是等臂杠桿，因此使用定滑輪不能省力但是能改變動力的方向；
如圖所示，動滑輪的實質(zhì)是動力臂為阻力臂2倍的省力杠桿，因此使用動滑輪能省一半的力，但不能改變動力的方向。
既然滑輪組由若干定滑輪、動滑輪組合在一起使用，因此滑輪組應(yīng)兼具二者的特點，即既能省力又能改變動力的方向。
3．相關(guān)計算公式：
定滑輪：
F拉=G物（理想的定滑輪，不計輪軸間摩擦）
S繩=h物（S繩為繩子自由端移動距離，h物為重物移動的距離）
V繩=V物（V繩為繩子自由端移動速度，V物為重物移動的速度）
動滑輪：
F拉=G物（不計軸間摩擦和動滑輪重力）
F=(G物+G動) （忽略輪軸間的摩擦，考慮動滑輪重力）
S繩=2h物（S繩為繩子自由端移動距離，h物為重物移動的距離）
V繩=2V物（V繩為繩子自由端移動速度，V物為重物移動的速度）
滑輪組：
F拉=G物（不計輪軸間的摩擦和動滑輪的重力）
F拉=(G物+G動) （只忽略輪軸間的摩擦）
S繩=nh物（S繩為繩子自由端移動距離，h物為重物移動的距離）
V繩=nV物（V繩為繩子自由端移動速度，V物為重物移動的速度）
實驗技能：
1．力的測量：
測量力的大小工具叫做測力計。彈簧受到的拉力越大，彈簧的伸長就越長。利用這個道理做成的測力計就叫做彈簧測力計。
彈簧測力計的正確使用方法：
①首先看清彈簧測力計的量程，也就是彈簧測力計上的最大刻度即彈簧測力計的測量范圍，加在彈簧測力計上的力不能超出這個范圍。
②認(rèn)清彈簧測力計上最小刻度值，即每一小格表示多少N，以便使用它時 可以迅速讀出測量值。
③測量前要把指針調(diào)到零點，讀數(shù)時，視線要與指針相平。
④測量時，要使測力計內(nèi)的彈簧軸線方向跟所測力的一致，不可用力猛拉彈簧或讓彈簧測力計長久受力，以免損壞。
2．滑動摩擦大小的測量：
做課本P60這個實驗時，我們一定要注意課本上有這樣一句話：“用彈簧測力計勻速拉動木塊，使它沿著長木板滑動，從而測出木塊與長木板之間的摩擦力”。為什么要“勻速”呢？因為我們無法直接測出木塊與長木板之間的摩擦力，但如果我們讓木塊在水平方向上勻速前進(jìn)，根據(jù)牛頓第一運(yùn)動定律知，它在水平方向上受到的是平衡力。又因為它在水平方向上只受彈簧的向右的拉力和長木板對它向左的摩擦力作用，所以摩擦力等于拉力。
3．組裝滑輪組方法：
首先根據(jù)公式n=(G物+G動) / F求出繩子的股數(shù)。然后根據(jù)“奇動偶定”的原則，結(jié)合題目的具體要求組裝滑輪。
二、典型例題分析：
例1．下列各種力中不是彈力的是（ ）
A．手受到彈簧的拉力 B．物體受到的重力
C．物體對桌面的壓力 D．桌面對物體的支持力
解析：當(dāng)物體受到推、拉、提、壓時，物體或多或少都會發(fā)生形變，所以物體受到的推力、拉力、提力、壓力、支持力都屬于彈力。
答案：D。
例2．某物體受到的重力是5N，圖中正確的是哪一項（ ）
解析：重力方向豎直向下，作用點在重心，四個圖的長度均符合規(guī)定，選項B的方向不是豎直向下的，而是與斜面垂直，是錯誤的，選項A的作用點在物體的底部，選項D的作用點在系繩的位置，都不在重心，所以選項A、D也不正確，選項C的重力方向豎直向下，作用在重心處，選項C是正確的。
例3．如圖所示，用手握著一個瓶子懸在空中不動，當(dāng)手握瓶子的力增大時，瓶子受到手的摩擦力將（選填“不變”、“變大”或“變小”），若在手握瓶子的力增大時往瓶中加水，瓶子仍然懸在空中不動，則瓶子受到手的摩擦力將（選填“不變”、“變大”或“變小”）。
分析解答：瓶子始終處于靜止?fàn)顟B(tài)，根據(jù)平衡力的知識：瓶子受到手的靜摩擦力和瓶子自身的重力是一對平衡力。當(dāng)瓶子自身重力發(fā)生改變時，受到靜摩擦力的大小隨之改變。所以本題答案依次為“不變”、“大”。
例4．用彈簧秤在水平方向上拉動一個置于地面的物體，使它做勻速直線運(yùn)動時，彈簧秤示數(shù)5N。當(dāng)彈簧秤示數(shù)為6N時，物體運(yùn)動時受到的摩擦力大小是 ( )
A．6N B．5N C．1N D．11N
分析解答：因為物體是運(yùn)動的，所以在水平方向上受到拉力和滑動摩擦力。又因為物體開始做是勻速直線運(yùn)動，所以拉力和滑動摩擦力是一對平衡力。當(dāng)拉力由5N變?yōu)?N時，物體所受到摩擦力仍為滑動摩擦力，而物體所受滑動摩擦力的大小只與接觸面粗糙程度和壓力大小有關(guān)，只要這兩因素不變，滑動摩擦力的大小就不變。所以本題選B。
例5．下圖中，物體A靜止在斜面上，物體B在水平接拉力作用下做勻速直線運(yùn)動，物體C被緊壓在豎直墻壁上而處于靜止，物體D隨皮帶一起做勻速直線運(yùn)動，試分析：物體A、B、C、D所受的摩擦力方向分別向哪兒？
分析解答：物體A、C和D有向下的運(yùn)動趨勢，所以A物體受到的靜摩擦力方向沿著斜面向上，C物體受到的靜摩擦力方向沿著豎直墻壁向上，D物體所受靜摩擦力沿著皮帶向上，B物體相對地面向右運(yùn)動，所以B物體所受摩擦力向左。
例6．如圖所示，用F=10N的力，拉著物體在地面上勻速運(yùn)動，若物體向前移動1m，繩子要拉過多少米？物體與地面的摩擦力是多大？（忽略繩重、輪重及機(jī)械摩擦）
解析：此題一個難點就是不知滑輪B是動滑輪還是定滑輪。然后再就是滑輪組知識的熟練運(yùn)用了（選擇并靈活運(yùn)用公式）。
方法一：由圖可知，滑輪B在拉力F作用下會和重物一起向左運(yùn)動，因此滑輪B是動滑輪。與動滑輪相連的繩有3段，于是S拉=3h物=3×1m=3m。 對滑輪B及物體進(jìn)行受力分析，設(shè)物體與地面的摩擦力為f，在水平方向上，物體受兩個力作用：滑輪鉤對它向左的拉力F1和地面對它向右的摩擦力為f，因為勻速，所以f=F1。又因為 F1=3F，f=F1。所以 f=F1=3F=3
方法二：同學(xué)們還可以把圖順時針旋轉(zhuǎn)90度（試卷旋轉(zhuǎn)90度），旋轉(zhuǎn)后的圖是不是好理解了？！一動一定，一個最簡單的滑輪組！相信同學(xué)能輕易解答出來，具體解法我就不寫了。
三、中考真題：
1．（2011江蘇連云港，第10題）小剛用水平推力推靜止在水平地面上的講臺桌，結(jié)果沒有推動。則下列說法正確的是（ ）
A．講臺桌不受摩擦力
B．推力與講臺桌的重力大小相等
C．推力小于地面對講臺桌的摩擦力
D．推力與地面對講臺桌的摩擦力大小相等
答案：D
2．（2011浙江杭州，第5題）將一袋大米放在勻速向右水平運(yùn)動的輸送帶上，開始米袋與輸送帶間有一段距離的相對滑動，然后米袋隨輸送帶一起勻速運(yùn)動。當(dāng)輸送帶突然制動時，米袋會繼續(xù)向前滑動一段距離后停下。（回答下列小題請選填以下合適的字母標(biāo)號）
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）米袋剛放上輸送帶的瞬間，米袋在水平方向上受力情況為____________。
（2）當(dāng)米袋隨輸送帶一起勻速運(yùn)動時，米袋在水平方向上受力情況為______________。
（3）當(dāng)將輸送帶突然制動時，米袋在水平方向上受力情況為___________。
答案（1）A （2）C （3）B
3．（2011年江蘇省淮安市第13題）汽車輪胎的表面制成凹凸花紋，其作用是通過 ____________來增大摩擦；機(jī)器的軸承中加入潤滑油的目的是_______ 摩擦；自行車剎車時，用力捏閘能增大閘皮與車輪間的_________ ，從而增大閘皮與車輪間的滑動摩擦力。
答案 增加粗糙程度 減小 壓力
4． (2011浙江寧波，)下列所示工具中，使用時不能省力但能省距離是（ ）
A．動滑輪 B．訂書機(jī) C．羊角錘 D．鑷子
答案：D
5．（2011年湖北省武漢市第13題）工人們?yōu)榱税徇\(yùn)一臺笨重的機(jī)器，設(shè)計了如圖所示的四種方案（機(jī)器下方的小圓表示并排放置的圓形鋼管）。其中最省力的方案是
答案：D
6．（2011年浙江衢州第29題）如圖所示為釣魚竿釣魚的示意圖，O為支點，F(xiàn)1表示手對釣魚竿的作用力，請完成下列問題：
(1)在圖中畫出魚線對釣魚竿拉力F2的力臂l2；
(2)釣魚竿屬于杠桿(選填“省力”、“費(fèi)力”或“等臂”)。
答案：(1)(如上圖所示) (2)費(fèi)力。
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