登录
8. 某实验小组想探究“轮轴的省力情况与轮半径和轴半径的比值的关系”，准备了不同半径的轮和轴、支架、弹簧测力计、钩码(重力为5 N)等器材。请回答下列问题。
(1)写出实验的主要步骤(控制单一变量，简要说明操作过程)。
(2)若实验数据如下表所示，请分析数据得出结论。
(3)说明为什么大型汽车的方向盘比小型汽车的方向盘更大。
(1)写出实验的主要步骤(控制单一变量，简要说明操作过程)。
(2)若实验数据如下表所示，请分析数据得出结论。
(3)说明为什么大型汽车的方向盘比小型汽车的方向盘更大。
答案
(1)①将轮半径为 4 cm、轴半径为 2 cm 的轮轴固定在支架上,把两条细线沿相反方向绕在轮和轴上,一条细线的尾端悬挂钩码,另一条细线的尾端与弹簧测力计相连,用弹簧测力计竖直向上拉;②匀速拉动弹簧测力计,记录弹簧测力计示数,重复 3 次取平均值;③保持轴半径 2 cm 不变,分别更换轮半径为 6 cm、8 cm 的轮轴,重复步骤①②;④整理器材,分析实验数据。
(2)在轴半径不变时,轮轴的轮半径与轴半径的比值越大,越省力
(3)大型汽车车身更重,转向时需要更大的力带动转向机构。根据实验结论,轮半径与轴半径的比值越大,省力效果越明显。增大方向盘的轮半径,能让驾驶员用较小的力就能完成转向操作,提升驾驶便利性和安全性。
(2)在轴半径不变时,轮轴的轮半径与轴半径的比值越大,越省力
(3)大型汽车车身更重,转向时需要更大的力带动转向机构。根据实验结论,轮半径与轴半径的比值越大,省力效果越明显。增大方向盘的轮半径,能让驾驶员用较小的力就能完成转向操作,提升驾驶便利性和安全性。
解析
【分析】
本题为轮轴相关的实验探究题，需结合控制变量法分析实验，再推导结论并联系实际应用。第(1)问探究轮轴省力与轮轴半径比值的关系，需控制轴半径不变，改变轮半径来改变比值，通过弹簧测力计示数反映省力情况；第(2)问分析表格数据，对比轮轴比值和弹簧测力计示数的变化得出结论；第(3)问结合实验结论，解释大型汽车方向盘更大的原因。
【解析】
(1) 实验步骤：
① 将轮半径为4 cm、轴半径为2 cm的轮轴固定在支架上，把两条细线沿相反方向绕在轮和轴上，一条细线的尾端悬挂钩码，另一条细线的尾端与弹簧测力计相连，用弹簧测力计竖直向上拉；
② 匀速拉动弹簧测力计，记录弹簧测力计示数，重复3次取平均值；
③ 保持轴半径2 cm不变，分别更换轮半径为6 cm、8 cm的轮轴，重复步骤①②；
④ 整理器材，分析实验数据。
(2) 分析表格数据：轴半径均为2 cm不变，轮轴半径比值从2:1增大到4:1时，弹簧测力计示数从2.5 N减小到1.25 N，说明拉力随比值增大而减小，因此结论为：在轴半径不变时，轮轴的轮半径与轴半径的比值越大，越省力。
(3) 大型汽车车身更重，转向时需要更大的力带动转向机构。根据实验结论，轮半径与轴半径的比值越大，省力效果越明显，增大方向盘（轮）的半径，可增大轮轴比值，让驾驶员用较小的力就能完成转向操作，提升驾驶便利性和安全性。
【答案】
(1) ①将轮半径为4 cm、轴半径为2 cm的轮轴固定在支架上，把两条细线沿相反方向绕在轮和轴上，一条细线的尾端悬挂钩码，另一条细线的尾端与弹簧测力计相连，用弹簧测力计竖直向上拉；②匀速拉动弹簧测力计，记录弹簧测力计示数，重复3次取平均值；③保持轴半径2 cm不变，分别更换轮半径为6 cm、8 cm的轮轴，重复步骤①②；④整理器材，分析实验数据。
(2) 在轴半径不变时，轮轴的轮半径与轴半径的比值越大，越省力。
(3) 大型汽车车身更重，转向时需要更大的力带动转向机构。根据实验结论，轮半径与轴半径的比值越大，省力效果越明显。增大方向盘的轮半径，能让驾驶员用较小的力就能完成转向操作，提升驾驶便利性和安全性。
【知识点】
控制变量法、轮轴原理、实验数据分析
【点评】
本题考查轮轴的实验探究，重点应用控制变量法设计实验、推导结论，结合生活实例解释物理知识，体现物理与生活的联系，难度适中。
【难度系数】
0.6
本题为轮轴相关的实验探究题，需结合控制变量法分析实验，再推导结论并联系实际应用。第(1)问探究轮轴省力与轮轴半径比值的关系，需控制轴半径不变，改变轮半径来改变比值，通过弹簧测力计示数反映省力情况；第(2)问分析表格数据，对比轮轴比值和弹簧测力计示数的变化得出结论；第(3)问结合实验结论，解释大型汽车方向盘更大的原因。
【解析】
(1) 实验步骤：
① 将轮半径为4 cm、轴半径为2 cm的轮轴固定在支架上，把两条细线沿相反方向绕在轮和轴上，一条细线的尾端悬挂钩码，另一条细线的尾端与弹簧测力计相连，用弹簧测力计竖直向上拉；
② 匀速拉动弹簧测力计，记录弹簧测力计示数，重复3次取平均值；
③ 保持轴半径2 cm不变，分别更换轮半径为6 cm、8 cm的轮轴，重复步骤①②；
④ 整理器材，分析实验数据。
(2) 分析表格数据：轴半径均为2 cm不变，轮轴半径比值从2:1增大到4:1时，弹簧测力计示数从2.5 N减小到1.25 N，说明拉力随比值增大而减小，因此结论为：在轴半径不变时，轮轴的轮半径与轴半径的比值越大，越省力。
(3) 大型汽车车身更重，转向时需要更大的力带动转向机构。根据实验结论，轮半径与轴半径的比值越大，省力效果越明显，增大方向盘（轮）的半径，可增大轮轴比值，让驾驶员用较小的力就能完成转向操作，提升驾驶便利性和安全性。
【答案】
(1) ①将轮半径为4 cm、轴半径为2 cm的轮轴固定在支架上，把两条细线沿相反方向绕在轮和轴上，一条细线的尾端悬挂钩码，另一条细线的尾端与弹簧测力计相连，用弹簧测力计竖直向上拉；②匀速拉动弹簧测力计，记录弹簧测力计示数，重复3次取平均值；③保持轴半径2 cm不变，分别更换轮半径为6 cm、8 cm的轮轴，重复步骤①②；④整理器材，分析实验数据。
(2) 在轴半径不变时，轮轴的轮半径与轴半径的比值越大，越省力。
(3) 大型汽车车身更重，转向时需要更大的力带动转向机构。根据实验结论，轮半径与轴半径的比值越大，省力效果越明显。增大方向盘的轮半径，能让驾驶员用较小的力就能完成转向操作，提升驾驶便利性和安全性。
【知识点】
控制变量法、轮轴原理、实验数据分析
【点评】
本题考查轮轴的实验探究，重点应用控制变量法设计实验、推导结论，结合生活实例解释物理知识，体现物理与生活的联系，难度适中。
【难度系数】
0.6
1. 如图所示，中国空间站的机械臂类似于人的手臂，可对空间站舱体表面进行巡检。下列工具在使用时与机械臂属于同一类杠杆的是（
A.图1:鸡蛋夹
B.图2:钢丝钳
C.图3:订书机
D.图4:开瓶器
A
）A.图1:鸡蛋夹
B.图2:钢丝钳
C.图3:订书机
D.图4:开瓶器
答案
A
解析
【分析】
要解决这道题，需先明确杠杆的分类标准：根据动力臂与阻力臂的大小关系，杠杆分为省力杠杆（动力臂＞阻力臂）、费力杠杆（动力臂＜阻力臂）、等臂杠杆（动力臂=阻力臂）。题目中空间站机械臂类似人的手臂，属于费力杠杆（动力臂短，阻力臂长，费力但省距离）。接下来只需判断各选项工具的杠杆类型，选出与机械臂同类的费力杠杆即可。
【解析】
1. 确定机械臂的杠杆类型：机械臂工作时，动力作用点到支点的距离（动力臂）小于阻力作用点到支点的距离（阻力臂），因此属于费力杠杆。
2. 分析各选项：
A.鸡蛋夹：使用时，支点在夹柄的转轴处，手施加动力的力臂小于夹取物体时阻力的力臂，属于费力杠杆，与机械臂同类；
B.钢丝钳：使用时，动力臂大于阻力臂，是省力杠杆；
C.订书机：使用时，动力臂大于阻力臂，属于省力杠杆；
D.开瓶器：使用时，动力臂大于阻力臂，是省力杠杆。
综上，答案为A。
【答案】
A
【知识点】
杠杆的分类、费力杠杆
【点评】
本题结合生活实例考查杠杆分类，核心是掌握动力臂与阻力臂的大小判断，属于基础概念应用，难度适中。
【难度系数】
0.6
要解决这道题，需先明确杠杆的分类标准：根据动力臂与阻力臂的大小关系，杠杆分为省力杠杆（动力臂＞阻力臂）、费力杠杆（动力臂＜阻力臂）、等臂杠杆（动力臂=阻力臂）。题目中空间站机械臂类似人的手臂，属于费力杠杆（动力臂短，阻力臂长，费力但省距离）。接下来只需判断各选项工具的杠杆类型，选出与机械臂同类的费力杠杆即可。
【解析】
1. 确定机械臂的杠杆类型：机械臂工作时，动力作用点到支点的距离（动力臂）小于阻力作用点到支点的距离（阻力臂），因此属于费力杠杆。
2. 分析各选项：
A.鸡蛋夹：使用时，支点在夹柄的转轴处，手施加动力的力臂小于夹取物体时阻力的力臂，属于费力杠杆，与机械臂同类；
B.钢丝钳：使用时，动力臂大于阻力臂，是省力杠杆；
C.订书机：使用时，动力臂大于阻力臂，属于省力杠杆；
D.开瓶器：使用时，动力臂大于阻力臂，是省力杠杆。
综上，答案为A。
【答案】
A
【知识点】
杠杆的分类、费力杠杆
【点评】
本题结合生活实例考查杠杆分类，核心是掌握动力臂与阻力臂的大小判断，属于基础概念应用，难度适中。
【难度系数】
0.6
2. 同学们用两根相同的圆木棍和一根轻绳玩“比力气”的游戏：轻绳的一端固定在一根木棍上，在两根木棍上绕几圈后甲同学拉住绳的自由端向右拉，乙和丙
两同学分别握住一根木棍向外拉，三人中被拉动者为负，他们都使出了最大力气，仍处于“僵持”状态，如图所示。忽略轻绳与圆木棍间的摩擦，下列分析正确的是 （
A.两根木棍和一根轻绳只能组成动滑轮
B.乙对木棍的拉力大于丙对木棍的拉力
C.将轻绳在两根木棍上少绕1圈，甲就能获胜
D.减小两根木棍的间距，会打破“僵持”状态
两同学分别握住一根木棍向外拉，三人中被拉动者为负，他们都使出了最大力气，仍处于“僵持”状态，如图所示。忽略轻绳与圆木棍间的摩擦，下列分析正确的是 （
B
）A.两根木棍和一根轻绳只能组成动滑轮
B.乙对木棍的拉力大于丙对木棍的拉力
C.将轻绳在两根木棍上少绕1圈，甲就能获胜
D.减小两根木棍的间距，会打破“僵持”状态
答案
B
解析
【分析】
本题考查受力平衡与绳子张力的应用，核心思路是：同一根轻绳忽略摩擦时张力处处相等，需分别对乙、丙握住的木棍进行受力分析，对比两者受到的绳子总拉力，结合僵持状态的受力平衡条件判断选项。
【解析】
忽略轻绳与圆木棍间的摩擦，同一根轻绳的张力大小处处相等，设为$ T $。
对乙握住的木棍受力分析：该木棍受到多段绳子的拉力，总拉力为乙侧绳子的合力；对丙握住的木棍受力分析：该木棍受到的绳子总拉力为丙侧绳子的合力。从图示绕法可知，乙的木棍连接的绳子段数更多，因此乙侧绳子总拉力大于丙侧绳子总拉力。
由于三人处于僵持状态，木棍受力平衡，故乙对木棍的拉力等于乙侧绳子总拉力，丙对木棍的拉力等于丙侧绳子总拉力，因此乙对木棍的拉力大于丙对木棍的拉力，B正确。
A选项：该装置不是动滑轮，动滑轮的轴会随物体运动，本题中两根木棍是独立的，A错误；
C选项：少绕1圈时，绳子张力不变，木棍受力仍平衡，甲无法获胜，C错误；
D选项：减小两根木棍间距，绳子张力不变，木棍受力仍平衡，不会打破僵持，D错误。
【答案】
B
【知识点】
受力平衡、绳子张力
【点评】
本题结合生活实例考查力学知识，需明确同一轻绳张力处处相等，通过受力分析对比两根木棍的拉力大小，是对受力平衡知识点的灵活应用。
【难度系数】
0.5
本题考查受力平衡与绳子张力的应用，核心思路是：同一根轻绳忽略摩擦时张力处处相等，需分别对乙、丙握住的木棍进行受力分析，对比两者受到的绳子总拉力，结合僵持状态的受力平衡条件判断选项。
【解析】
忽略轻绳与圆木棍间的摩擦，同一根轻绳的张力大小处处相等，设为$ T $。
对乙握住的木棍受力分析：该木棍受到多段绳子的拉力，总拉力为乙侧绳子的合力；对丙握住的木棍受力分析：该木棍受到的绳子总拉力为丙侧绳子的合力。从图示绕法可知，乙的木棍连接的绳子段数更多，因此乙侧绳子总拉力大于丙侧绳子总拉力。
由于三人处于僵持状态，木棍受力平衡，故乙对木棍的拉力等于乙侧绳子总拉力，丙对木棍的拉力等于丙侧绳子总拉力，因此乙对木棍的拉力大于丙对木棍的拉力，B正确。
A选项：该装置不是动滑轮，动滑轮的轴会随物体运动，本题中两根木棍是独立的，A错误；
C选项：少绕1圈时，绳子张力不变，木棍受力仍平衡，甲无法获胜，C错误；
D选项：减小两根木棍间距，绳子张力不变，木棍受力仍平衡，不会打破僵持，D错误。
【答案】
B
【知识点】
受力平衡、绳子张力
【点评】
本题结合生活实例考查力学知识，需明确同一轻绳张力处处相等，通过受力分析对比两根木棍的拉力大小，是对受力平衡知识点的灵活应用。
【难度系数】
0.5
