杠桿滑輪機(jī)械實(shí)驗(yàn)題及解析在中學(xué)物理的學(xué)習(xí)旅程中，力學(xué)占據(jù)著舉足輕重的地位，而杠桿與滑輪作為簡(jiǎn)單機(jī)械的代表，不僅是理解復(fù)雜機(jī)械的基礎(chǔ)，更是培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)探究能力和邏輯思維能力的絕佳載體。掌握這類(lèi)機(jī)械的原理、特點(diǎn)及其實(shí)驗(yàn)操作，對(duì)于深入理解功、功率、機(jī)械效率等概念至關(guān)重要。本文將通過(guò)幾道典型的杠桿與滑輪實(shí)驗(yàn)題，結(jié)合解析，幫助同學(xué)們梳理相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，提升解題能力與實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)。一、杠桿平衡條件的探究與應(yīng)用杠桿的核心在于平衡，其平衡條件是解決所有杠桿問(wèn)題的基石。探究“杠桿的平衡條件”實(shí)驗(yàn)，不僅要求我們會(huì)操作、會(huì)記錄，更要會(huì)分析數(shù)據(jù)、得出結(jié)論，并能對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的現(xiàn)象進(jìn)行合理解釋。典型實(shí)驗(yàn)題一：探究杠桿的平衡條件題目：某實(shí)驗(yàn)小組用如圖所示的裝置探究杠桿的平衡條件。實(shí)驗(yàn)前，杠桿靜止在圖甲所示的位置，此時(shí)杠桿處于（選填“平衡”或“不平衡”）狀態(tài)。為使杠桿在水平位置平衡，應(yīng)將右端的平衡螺母向（選填“左”或“右”）調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)中，他們?cè)诟軛U的A點(diǎn)掛上兩個(gè)鉤碼（每個(gè)鉤碼重為G），用彈簧測(cè)力計(jì)在B點(diǎn)沿豎直向下的方向拉杠桿，使杠桿在水平位置平衡，如圖乙所示。此時(shí)彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)為F1。若保持A點(diǎn)鉤碼數(shù)量和位置不變，將彈簧測(cè)力計(jì)繞B點(diǎn)從豎直向下方向緩慢旋轉(zhuǎn)到圖丙中虛線所示的方向，則彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)F2將（選填“大于”、“等于”或“小于”）F1。請(qǐng)簡(jiǎn)述你的判斷依據(jù)。若在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，始終保持杠桿在水平位置平衡，多次改變力和力臂的大小，并記錄數(shù)據(jù)如下表所示：實(shí)驗(yàn)次數(shù)動(dòng)力F1/N動(dòng)力臂L1/cm阻力F2/N阻力臂L2/cm:-------:-------:----------:-------:----------11.0100.52022.0151.52031.5203.010分析表中數(shù)據(jù)，可得出杠桿的平衡條件是：。解析：1.杠桿的初始狀態(tài)與平衡螺母調(diào)節(jié)：圖甲中，杠桿靜止，根據(jù)平衡狀態(tài)的定義（靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)），此時(shí)杠桿處于平衡狀態(tài)。但杠桿左端下沉，說(shuō)明左端較重。為了使杠桿在水平位置平衡（這樣做的目的是便于直接從杠桿上讀出力臂的大小，同時(shí)消除杠桿自身重力對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，因?yàn)榇藭r(shí)杠桿的重心通過(guò)支點(diǎn)），應(yīng)將平衡螺母向杠桿上翹的一端調(diào)節(jié)，即右端。2.拉力方向改變對(duì)力的影響：當(dāng)彈簧測(cè)力計(jì)從豎直向下方向（圖乙）旋轉(zhuǎn)到圖丙虛線所示方向時(shí)，拉力的力臂會(huì)發(fā)生變化。在圖乙中，拉力F1的方向豎直向下，其力臂是從支點(diǎn)O到B點(diǎn)沿豎直方向的垂線段長(zhǎng)度，即OB的長(zhǎng)度（假設(shè)杠桿刻度均勻，OB為對(duì)應(yīng)格數(shù)乘以每格長(zhǎng)度）。當(dāng)拉力方向傾斜時(shí)（圖丙），拉力F2的力臂變?yōu)閺闹c(diǎn)O到傾斜拉力作用線的垂直距離，顯然這個(gè)垂直距離（力臂L2'）比原來(lái)豎直時(shí)的力臂（L1）要小。根據(jù)杠桿平衡條件F1L1=F2L2，在阻力（A點(diǎn)鉤碼重力）和阻力臂不變的情況下，動(dòng)力臂減小，為了保持平衡，動(dòng)力F2必須大于F1。3.分析數(shù)據(jù)得出杠桿平衡條件：我們對(duì)表格中的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算：*實(shí)驗(yàn)1：F1L1=1.0N×10cm=10N·cm；F2L2=0.5N×20cm=10N·cm。*實(shí)驗(yàn)2：F1L1=2.0N×15cm=30N·cm；F2L2=1.5N×20cm=30N·cm。*實(shí)驗(yàn)3：F1L1=1.5N×20cm=30N·cm；F2L2=3.0N×10cm=30N·cm。由此可見(jiàn)，每次實(shí)驗(yàn)中，動(dòng)力與動(dòng)力臂的乘積都等于阻力與阻力臂的乘積。因此，杠桿的平衡條件是：動(dòng)力×動(dòng)力臂=阻力×阻力臂（或?qū)懽鱂1L1=F2L2）。點(diǎn)評(píng)：此題全面考查了杠桿平衡條件實(shí)驗(yàn)的基本操作、核心原理及動(dòng)態(tài)分析能力。理解力臂的概念（“點(diǎn)到線的垂直距離”）是解決第二個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵，數(shù)據(jù)分析則要求學(xué)生具備基本的歸納總結(jié)能力。二、滑輪組機(jī)械效率的測(cè)量與影響因素滑輪組是杠桿的變形，它既能省力，也能改變力的方向（定滑輪主要改變方向，動(dòng)滑輪主要省力，滑輪組則結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)）。測(cè)量滑輪組的機(jī)械效率，是對(duì)功的原理、有用功、額外功、總功等概念的綜合應(yīng)用。典型實(shí)驗(yàn)題二：測(cè)量滑輪組的機(jī)械效率題目：某同學(xué)為了探究“影響滑輪組機(jī)械效率的因素”，利用如圖所示的甲、乙兩個(gè)不同的滑輪組（每個(gè)滑輪的規(guī)格相同）進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如下表：實(shí)驗(yàn)次數(shù)滑輪組鉤碼重G/N鉤碼上升高度h/m拉力F/N繩端移動(dòng)距離s/m機(jī)械效率η:-------:-------:--------:--------------:------:--------------:--------1甲20.110.366.7%2甲40.11.80.374.1%3乙40.12.50.2?（1）請(qǐng)?jiān)趫D中畫(huà)出實(shí)驗(yàn)次數(shù)1所用滑輪組甲的繞線方式（忽略繩重和摩擦）。（2）計(jì)算實(shí)驗(yàn)次數(shù)3的機(jī)械效率η為。（3）比較實(shí)驗(yàn)次數(shù)1和2，可得出結(jié)論：同一滑輪組，提升的物體越重，機(jī)械效率越。（4）比較實(shí)驗(yàn)次數(shù)2和3，可探究滑輪組機(jī)械效率與的關(guān)系。解析：1.滑輪組繞線方式的判斷與繪制：要確定滑輪組的繞線方式，關(guān)鍵在于確定承擔(dān)物重的繩子段數(shù)n。根據(jù)公式s=nh，其中s是繩端移動(dòng)距離，h是鉤碼上升高度。實(shí)驗(yàn)次數(shù)1中，s=0.3m，h=0.1m，所以n=s/h=0.3m/0.1m=3。即有3段繩子承擔(dān)物重。對(duì)于“n=3”的滑輪組，其繞線方式有兩種可能：一種是繩子從動(dòng)滑輪開(kāi)始繞起（奇動(dòng)偶定原則，n為奇數(shù)時(shí)從動(dòng)滑輪掛鉤開(kāi)始），另一種是從定滑輪開(kāi)始繞起，但通常n為3時(shí)，是“一動(dòng)一定”滑輪組，從動(dòng)滑輪開(kāi)始繞線可以得到3段繩子。因此，滑輪組甲應(yīng)由一個(gè)定滑輪和一個(gè)動(dòng)滑輪組成，繞線時(shí)從動(dòng)滑輪的掛鉤開(kāi)始，向上繞過(guò)定滑輪，再向下繞過(guò)動(dòng)滑輪，此時(shí)繩端拉力方向向上。（此處文字描述，實(shí)際答題時(shí)需畫(huà)圖，從圖中能看出3段繩子承擔(dān)物重即可）。2.計(jì)算機(jī)械效率：機(jī)械效率η的計(jì)算公式為：η=(W有/W總)×100%=(Gh/Fs)×100%。實(shí)驗(yàn)次數(shù)3中，G=4N，h=0.1m，F(xiàn)=2.5N，s=0.2m。代入數(shù)據(jù)：W有=4N×0.1m=0.4J；W總=2.5N×0.2m=0.5J。η=(0.4J/0.5J)×100%=80%。3.分析實(shí)驗(yàn)1和2得出結(jié)論：實(shí)驗(yàn)1和2使用的是同一滑輪組甲（動(dòng)滑輪的重力相同，額外功主要來(lái)源于動(dòng)滑輪重、繩重和摩擦，此處假設(shè)繩重和摩擦忽略不計(jì)，則額外功主要由動(dòng)滑輪重引起）。實(shí)驗(yàn)1提升鉤碼重G=2N，η≈66.7%；實(shí)驗(yàn)2提升鉤碼重G=4N，η≈74.1%。顯然，提升的物體越重，機(jī)械效率越高。這是因?yàn)?，額外功（主要是克服動(dòng)滑輪重力做的功）基本不變，當(dāng)有用功增加時(shí)，有用功在總功中所占的比例增大，因此機(jī)械效率提高。4.分析實(shí)驗(yàn)2和3探究的因素：實(shí)驗(yàn)2使用滑輪組甲，實(shí)驗(yàn)3使用滑輪組乙。兩者提升的鉤碼重G相同（都是4N），但拉力F和繩端移動(dòng)距離s不同。先看實(shí)驗(yàn)3的n值：n=s/h=0.2m/0.1m=2。即滑輪組乙由2段繩子承擔(dān)物重。這意味著滑輪組乙可能是由一個(gè)定滑輪和一個(gè)動(dòng)滑輪組成，但繞線方式不同（n=2，從定滑輪開(kāi)始繞線），或者乙滑輪組本身動(dòng)滑輪的個(gè)數(shù)與甲不同（比如乙有兩個(gè)動(dòng)滑輪？但n=2通常對(duì)應(yīng)“一動(dòng)一定”從定滑輪繞線或“一定兩動(dòng)”等情況，題目中說(shuō)明“每個(gè)滑輪的規(guī)格相同”，且是“不同的滑輪組”，更可能是動(dòng)滑輪個(gè)數(shù)不同或繞線方式導(dǎo)致n不同，從而影響了額外功，因?yàn)橐业睦Ω?，在提升相同重物時(shí)，若n小，則F大，且若乙的動(dòng)滑輪更重，也會(huì)導(dǎo)致F更大。因此，實(shí)驗(yàn)2和3中，提升物體重力相同，而滑輪組不同（可能動(dòng)滑輪的重力不同，因?yàn)轭~外功主要來(lái)自動(dòng)滑輪重和摩擦，題目未提摩擦，故主要考慮動(dòng)滑輪重）。所以，比較實(shí)驗(yàn)次數(shù)2和3，可探究滑輪組機(jī)械效率與動(dòng)滑輪重力（或動(dòng)滑輪個(gè)數(shù)/滑輪組的結(jié)構(gòu)）的關(guān)系。點(diǎn)評(píng)：此題圍繞滑輪組的機(jī)械效率展開(kāi)，涉及繞線方式判斷、效率計(jì)算以及影響因素的探究。理解“承擔(dān)物重的繩子段數(shù)n”是解決滑輪組問(wèn)題的核心，而控制變量法是探究影響因素的關(guān)鍵思想方法。三、解題思路與方法總結(jié)通過(guò)以上兩道典型實(shí)驗(yàn)題的分析，我們可以總結(jié)出解決杠桿與滑輪實(shí)驗(yàn)題的一般思路與方法：1.明確實(shí)驗(yàn)原理，夯實(shí)基礎(chǔ)：無(wú)論是杠桿平衡條件（F1L1=F2L2）還是滑輪組機(jī)械效率（η=W有/W總×100%=Gh/Fs×100%），都是解決問(wèn)題的根本。必須深刻理解每個(gè)物理量的含義及公式的適用條件。2.仔細(xì)分析裝置，確定關(guān)鍵參數(shù)：對(duì)于杠桿，要找準(zhǔn)支點(diǎn)、動(dòng)力、阻力、動(dòng)力臂、阻力臂。對(duì)于滑輪組，要能判斷承擔(dān)物重的繩子段數(shù)n，這通常通過(guò)s=nh來(lái)計(jì)算或從裝置圖中直接看出。3.關(guān)注實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，排除干擾因素：例如杠桿調(diào)平的目的、彈簧測(cè)力計(jì)的拉動(dòng)方向、是否考慮繩重和摩擦等，這些細(xì)節(jié)往往影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的解釋。4.善用控制變量，科學(xué)分析數(shù)據(jù)：在探究影響因素時(shí)，要明確哪個(gè)量是自變量，哪個(gè)量是因變量，控制其他因素不變，才能得出可靠結(jié)論。分析數(shù)據(jù)時(shí)，要進(jìn)行