简单机械与功：轻松掌握物理核心知识点（附生活应用实例）

【来源：易教网 更新时间：2025-04-20】

一、杠杆：生活中的“力的魔法师”

1. 杠杆的定义

一根硬棒在力的作用下，能绕固定点转动，这就是杠杆！比如，你用扳手拧螺丝时，扳手就是杠杆，螺丝钉的固定点就是支点。

2. 杠杆的五要素

- 支点（O）：杠杆转动的中心点，就像跷跷板中间的支架。

- 动力（F）：促使杠杆转动的力，比如你推门时手的力。

- 阻力（F）：阻碍杠杆转动的力，比如门的重力或阻力。

- 动力臂（L）：从支点到动力作用线的垂直距离，越长越省力！

- 阻力臂（L）：从支点到阻力作用线的垂直距离。

3. 杠杆的平衡条件

阿基米德发现了杠杆原理：动力×动力臂 = 阻力×阻力臂（公式：FL = FL）。

小贴士：如果动力臂比阻力臂长（L > L），就是省力杠杆；反之则是费力杠杆。

4. 三种杠杆类型

- 省力杠杆：省力但费距离（如：剪铁剪刀、汽车刹车踏板）。

实例：用剪刀剪铁丝时，手施加的力虽然小，但需要移动更长的距离。

- 费力杠杆：费力但省距离（如：钓鱼竿、扫帚）。

实例：钓鱼时，鱼竿的阻力臂长，所以需要更大的力，但手部移动距离短。

- 等臂杠杆：既不省力也不费力（如：天平）。

作用：天平的左右臂长度相等，确保称量时“力与距离”平衡。

二、滑轮：改变力的方向与大小的“小能手”

1. 定滑轮

- 特点：固定不动，相当于等臂杠杆。

- 作用：不省力，但能改变力的方向。

实例：旗杆顶部的滑轮，方便将国旗升到顶端。

2. 动滑轮

- 特点：随物体移动，动力臂是阻力臂的2倍。

- 作用：省一半力，但不能改变力的方向，需多移动距离。

实例：用动滑轮吊起重物，只需用1/2的力，但需要拉绳子的长度是重物上升距离的2倍。

3. 滑轮组

- 原理：结合定滑轮和动滑轮，用多段绳子分担重物。

- 公式：若n段绳子承重，则F = G/n（F为拉力，G为物重）。

实例：用3段绳子的滑轮组吊起600N的重物，只需200N的力！

- 小技巧：绳子绕法决定省力程度，先固定端从定滑轮开始可改变方向。

三、功：力与距离的“合作成果”

1. 功的定义

当力作用在物体上，且物体在力的方向上移动距离，力就对物体做了功。

注意：

- 如果力和移动方向垂直（如提着书包水平行走），则不做功。

- 只有“有效距离”才计入功的计算。

2. 功的计算公式

功（W）= 力（F）× 距离（s）

单位：焦耳（J）

换算：1焦耳 = 1牛·米（如：举起两个鸡蛋1米约做1J的功）。

3. 功的原理

“使用任何机械都不省功！”

- 实例：用滑轮吊重物虽然省力，但移动的距离更长，总功不变。

- 结论：机械的作用是“转换力的方向”或“分配力的大小”，但总功不变。

四、斜面：省力的“隐形高手”

1. 斜面原理

- 公式：FL = Gh（F为推力，L为斜面长，h为斜面高度，G为物重）。

- 作用：斜面越长，推力越小（如：盘山公路、螺丝钉）。

实例：长10米、高2米的斜面，推力仅需物重的1/5！

五、功率与机械效率：衡量“效率”的关键指标

1. 功率（P）

- 定义：单位时间内做的功，反映做功的快慢。

- 公式：P = W/t

单位：瓦特（W）

实例：

- 100W的灯泡每秒消耗100J的电能。

- 举重运动员举起1000N的杠铃用1秒，功率达1000W！

2. 机械效率（η）

- 公式：η = 有用功（W_有）/总功（W_总）×100%

- 特点：η总小于100%，因存在摩擦等额外功。

实例：某滑轮组的有用功是800J，总功是1000J，则η=80%。

六、生活中的物理智慧：如何学以致用？

1. 省力选择

- 开瓶盖时，用长柄的起子（增大L）。

- 装卸重物时，多用滑轮组分担力。

2. 省距离技巧

- 用钓鱼竿甩鱼时，牺牲力量换取距离优势。

3. 节能小妙招

- 上楼时走楼梯比坐电梯更省能量？

解析：虽然电梯省力，但总功（机械+人）可能更高！

七、常见误区与解答

Q：为什么起重机吊起重物时，功率大的起重机一定更快？

A：功率反映做功快慢，但还需考虑重物质量。公式：P = Fv，若速度相同，功率大的起重机能吊更重的物体。

Q：斜面越长是否越省力？

A：是的！但需注意，斜面过长会增加移动距离，总功不变，但人力消耗可能更大。

八、实战练习：巩固知识（附答案）

1. 小明用动滑轮吊起200N的物体，若不计摩擦，需多大拉力？

答案：100N（F = G/2）。

2. 某滑轮组由3段绳子承重，物重300N，求拉力。

答案：100N（F = 300/3）。