杠桿的分類和應(yīng)用

王煥景

同學(xué)們，大家看過(guò)科幻電影《指環(huán)王》嗎？電影里出現(xiàn)了一種可以完美展現(xiàn)物理學(xué)獨(dú)特魅力的杠桿——威力巨大的投石機(jī).它到底是什么樣的神器？它為什么可以有如此大的威力？認(rèn)真學(xué)習(xí)了下面杠桿分類的知識(shí)，你一定就可以明白了。

我們根據(jù)杠桿的平衡條件“動(dòng)力×動(dòng)力臂=阻力×阻力臂”（F1l1=F2l2），可以很清晰明了地把應(yīng)用于實(shí)際的杠桿分為三類：可以省力的省力杠桿，可以省距離的費(fèi)力杠桿，可以改變力的方向的等臂杠桿.

省力杠桿及應(yīng)用

省力杠桿是源自人類對(duì)杠桿最初的認(rèn)識(shí).也是人們應(yīng)用最早的一類機(jī)械結(jié)構(gòu).

根據(jù)杠桿的平衡條件F1l1=F2l2可知，動(dòng)力臂l1大于阻力臂l2時(shí)，動(dòng)力F1就會(huì)小于阻力F2，在物理學(xué)中我們把這類杠桿叫作省力杠桿.我們?nèi)粘Ｉ钪谐３Ｓ玫降墓ぞ哳愃瓢馐帧⑶税糁惖亩紝儆谑×Ω軛U.

如圖1所示.電影上經(jīng)常出現(xiàn)的古代護(hù)城河上的吊橋.它可以看成以O(shè)為支點(diǎn)的杠桿.繩子作用于吊橋頂端的力為動(dòng)力F1，吊橋本身所受的重力為阻力F2.根據(jù)圖1可知，動(dòng)力臂（/l）大于阻力臂（/2），此時(shí)的杠桿為省力杠桿，護(hù)城士兵就可以用較小的力拉起很重的吊橋.省力杠桿使用時(shí)省力，但卻費(fèi)距離。

例1 （2019.河南）圖2中開瓶器開啟瓶蓋時(shí)可抽象為一杠桿，不計(jì)自重，下圖中能正確表示它工作示意圖的是（ ）.

解析：本題考查將實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)化成物理模型（杠桿）的能力.開瓶器為省力杠桿，動(dòng)力F1應(yīng)小于阻力F2，根據(jù)杠桿的平衡條件可知，動(dòng)力臂l1大于阻力臂l2，故C錯(cuò)，當(dāng)用開瓶器開啟瓶蓋時(shí)，支點(diǎn)O是開瓶器前端與瓶蓋的接觸點(diǎn)，動(dòng)力F1的作用點(diǎn)是開瓶器與手的接觸點(diǎn)，阻力F2的作用點(diǎn)是開瓶器與瓶蓋邊緣的接觸點(diǎn)，所以B項(xiàng)中的示意圖符合題意。

答案：B

費(fèi)力杠桿及應(yīng)用

根據(jù)杠桿的平衡條件F1l1=F2l2可知，動(dòng)力臂l1小于阻力臂l2時(shí)，動(dòng)力F1就會(huì)大于阻力F2，在物理學(xué)中我們把這類杠桿叫作費(fèi)力杠桿.費(fèi)力杠桿在生活中應(yīng)用頗多，例如鑷子、釣魚竿、理發(fā)用的剪刀、筷子、劃船的船槳等.費(fèi)力杠桿使用起來(lái)雖然費(fèi)力，但能節(jié)省動(dòng)力移動(dòng)的距離，即動(dòng)力作用點(diǎn)移動(dòng)很小的距離.就能使阻力作用點(diǎn)移動(dòng)較大的距離

圖3所示就是利用杠桿原理拋射石彈的大型人力遠(yuǎn)射兵器——投石機(jī).它的出現(xiàn)是技術(shù)的進(jìn)步，也是戰(zhàn)爭(zhēng)的需要，投石機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單.在短端綁上很重的物體，長(zhǎng)端頂處有一長(zhǎng)繩和一個(gè)放石頭的碗或框，拉長(zhǎng)繩可把碗拉下來(lái)，使用時(shí)砍斷繩子，短端的重物就會(huì)快速將長(zhǎng)端的石頭拋出.

倒2下列工具中，使用時(shí)屬于費(fèi)力杠桿的是（ ）.

A.羊角錘 B.筷子 C.瓶蓋起子 D.天平

解析：本題考查杠桿的分類.阻力臂大于動(dòng)力臂的杠桿是費(fèi)力杠桿.四個(gè)選項(xiàng)中只有B項(xiàng)符合.羊角錘、瓶蓋起子都是省力杠桿，天平是等臂杠桿。

答案：B

等臀杠桿及應(yīng)用

根據(jù)杠桿的平衡條件F1l1=F2l2可知，動(dòng)力臂l1等于阻力臂l2時(shí)，動(dòng)力F1等于阻力F2，在物理學(xué)中我們把這類杠桿叫作等臂杠桿.這種杠桿的特點(diǎn)是既不省力，也不費(fèi)力：既不省距離，也不費(fèi)距離.人們?yōu)槭裁匆眠@種杠桿呢？等臂杠桿的優(yōu)點(diǎn)主要是可以改變用力方向.實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的天平、生活中孩子們愛玩的蹺蹺板、應(yīng)用廣泛的定滑輪等，都是典型的等臂杠桿.

同學(xué)們，學(xué)習(xí)了三種杠桿的分類，你能準(zhǔn)確分辨出實(shí)際生活中常用的杠桿的類型嗎？分辨的方法和技巧又有哪些呢？

常用分辨杠桿種類的方法歸納起來(lái)主要有三種：

（1）比較力臂.根據(jù)三種杠桿分類的理論依據(jù)，動(dòng)力臂比阻力臂長(zhǎng)的為省力杠桿，反之為費(fèi)力杠桿，力臂相等的是等臂杠桿.這種方法適合用在杠桿的力臂很容易看出的題目中.

（2）比較移動(dòng)距離.省力杠桿費(fèi)距離，費(fèi)力杠桿省距離.因此我們可以根據(jù)三種杠桿使用時(shí)的特點(diǎn)，比較使用該機(jī)械時(shí)動(dòng)力作用點(diǎn)移動(dòng)的距離與阻力作用點(diǎn)移動(dòng)距離的關(guān)系，如果動(dòng)力作用點(diǎn)移動(dòng)的距離比阻力作用點(diǎn)移動(dòng)的距離大，則為省力杠桿;動(dòng)力作用點(diǎn)移動(dòng)的距離比阻力作用點(diǎn)移動(dòng)的距離小，則為費(fèi)力杠桿.例如船槳，劃船的人手握槳在船艙里移動(dòng)比較小的距離.船槳就能在水中劃動(dòng)比較大的距離，省了距離，是費(fèi)力杠桿.

（3）比較用途，如果沒有使用杠桿，靠人的力氣很難輕松完成的.絕大多數(shù)都屬于省力杠桿.假如沒有鋼絲鉗、起瓶器，我們能輕而易舉地用手扳斷鋼絲、打開酒瓶蓋嗎？假如不使用筷子、釣魚竿，我們能輕而易舉地用手拿起食物、提起魚嗎？顯然前者不容易辦到，后者可以輕松地辦到.據(jù)此就可判斷出，鋼絲鉗和起瓶器是省力杠桿.筷子和釣魚竿是費(fèi)力杠桿.多想想一些杠桿在生活中的實(shí)際應(yīng)用，很多杠桿能根據(jù)它的用途直接判斷出種類.這是一種比較簡(jiǎn)單實(shí)用的方法！

責(zé)任編輯 蔡華杰