光杠杆

中学物理之杠杆基础知识总结

发布时间:2022/9/17 21:56:27   

杠杆应该是在生活中被广泛应用,但是学习了以后才知道其原理的众多物理知识点之一。然后我们的脑海里就留下了阿基米德的那句名言-“给我一个支点,我能撬动地球”,这句话流传那么久,虽然很多人觉得不可思议,但是它也是有一定的科学原理的,那就跟我们今天要说的杠杆密不可分。

杠杆是绕固定点转动的硬棒,这句话说明了杠杆的特点-固定点、转动、硬棒,这几大特点缺一不可,杠杆有六大要素:支点、动力、动力臂、阻力、阻力臂。提到这几大要素时,大家可能能联想的到各大要素对应的部分,但并不确切。本篇将进行详细介绍,支点即是阿基米德说到的那个支点,是固定的可以被硬棒围绕着转动的。动力和阻力由名可知,都是力,动力是使硬棒转动的力,即使杠杆运动起来的力;阻力则是阻碍杠杆转动的力。动力臂是支点到动力作用线的垂直距离,阻力臂是支点到阻力作用线的垂直距离。这里说的力的作用线即是在力的方向上作出直线,是为了方便分析问题引入的虚线。

之前提到过如果跷跷板两端人体重相当,与中心点距离大小一致,则跷跷板会处于一种平衡状态。跷跷板符合杠杆定义,左右两侧A和B的重力可以分别看作动力和阻力-FA和FB,A和B距离中点的距离可以看作是动力臂和阻力臂-lA和lB,所以跷跷板是一个杠杆。由此归纳可知,杠杆是可以达到平衡状态的,但是杠杆的平衡并不像跷跷板那么严格,要求FA和FB大小一致,lA和lB大小一致。我们假设杠杆的动力为F1,阻力为F2,动力臂和阻力臂为l1和l2,则只需要满足F1xl1=F2xl2,则杠杆就可以达到平衡状态。

根据杠杆平衡状态,我们可以将F1增大、l1减小或者将F1减小、l1增大,进而将杠杆分为费力杠杆和省力杠杆;如果l1=l2,则是等臂杠杆。各类型的杠杆在生活中都应用广泛。比如指甲刀,使力的一方即动力臂较长,而阻力臂则几乎没有,这就使我们能轻轻不费力即可剪掉指甲,还有工地上使用的撬棍、玻璃瓶的起瓶器、扳手等等,都是省力杠杆的典型应用。

费力杠杆一般是为了满足特别需求,比如鱼竿-放长线钓大鱼,甚至都成了一句俗语,这种情况下阻力臂l2远远的大于动力臂l1,需要F1增大才可以使鱼竿保持平衡,其他的比如裁缝专门使用的长剪刀、医疗上使用的镊子等等都是费力杠杆的典型应用。对于等臂杠杆,之前提到的跷跷板就是一个使用实例。

要注意的一点是动力臂和阻力臂都是距离,不要被名称误导,在遇到杠杆平衡相关的题目时,要正确作图,首先画出动力作用线和阻力作用线,然后画出支点到两条有向线段的垂直距离,即动力臂和阻力臂,帮助下一步分析解决问题。以上为本人观点,如有错误,多谢指出!



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