用小力撬动大世界——探索简单机械的奇妙世界
简单机械是人类最早使用的工具,它们能够帮助我们省力或改变力的方向。最常见的简单机械有六种:杠杆、滑轮、斜面、轮轴、楔和螺丝。
杠杆是在力的作用下能绕固定点(支点)转动的硬棒。根据支点、动力点和阻力点的位置不同,杠杆分为三类:
动力臂 > 阻力臂
省力但费距离
例:开瓶器、钢丝钳
动力臂 < 阻力臂
费力但省距离
例:钓鱼竿、镊子
动力臂 = 阻力臂
不省力也不费力
例:天平
固定不动的滑轮
不省力,但可改变力的方向
随物体一起移动
省一半力,但费一倍距离
定滑轮+动滑轮组合
既省力又可改变方向
斜面是一种省力的简单机械。将物体沿斜面推上去,比直接提升到同样高度要省力,但需要走更长的距离。
核心原理:使用任何机械都不省功!省力必然费距离,省距离必然费力。
当一个力作用在物体上,并使物体在力的方向上移动了一段距离,这个力就对物体做了功。做功必须同时满足两个条件:
必须有外力作用
必须有位移且与力同向
用力推墙但墙不动
(劳而无功)
足球离脚后继续滚动
(不劳无功)
手提水桶水平行走
(垂而不功)
功率表示做功的快慢程度。功率越大,做功越快。
生活实例:爬同样一层楼,跑步比走路做功更快(功率更大);同一物体提升相同高度,起重机比人力功率大得多。
拖动滑块改变力和力臂,观察杠杆平衡
F₁×L₁ = 12,F₂×L₂ = 12 → 杠杆平衡!
输入力和距离,计算功的大小
比较直接提升和使用斜面的用力大小
斜面越长越省力,但需走更远距离