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4.机械手臂是机器人技术领域中的自动化机械装置,能够接受指令,完成抓取、伸缩、旋转和升降等动作.某实验小组制作了如图甲所示的机械手臂模型,并安装在一辆小车上,其结构简图如图乙所示:工作时安装在小车上的底座可以在水平面内自由旋转,立柱和横臂可以在竖直面内自由旋转,手爪可以抓取不同方向、不同高度的物体.
(1)如图丙所示为手爪的示意图,拉动上方的细线,弯曲件 $AOBC$ 可绕 $O$ 点转动,弯曲件$AOBC$ 此时为
(2)如图丁所示,电控组件的质量为 500g,忽略小车、底座、立柱、横臂和手爪的重力,相关参数如图所示(单位:cm),当机械手臂立柱竖直、横臂水平没有抓取物块时,为防止小车轮子脱离地面,所加配重至少为
(1)如图丙所示为手爪的示意图,拉动上方的细线,弯曲件 $AOBC$ 可绕 $O$ 点转动,弯曲件$AOBC$ 此时为
费力
杠杆,同时拉动两根细线手爪就可夹住物体,利用 $C$ 点产生的摩擦
力将物体举高.(2)如图丁所示,电控组件的质量为 500g,忽略小车、底座、立柱、横臂和手爪的重力,相关参数如图所示(单位:cm),当机械手臂立柱竖直、横臂水平没有抓取物块时,为防止小车轮子脱离地面,所加配重至少为
1.25
N.当此机械臂抓取正前方一个质量为 200g 的金属块,将其举高20cm,对金属块做功为0.4
J,在加上最小配重后,在立柱竖直、横臂最终水平状态下,为防止在抓取过程中小车轮子脱离地面,抓取物体的最大重力为4.6875
N.在不增加器材的情况下,要想横臂最终保持水平位置并增加抓取物体的最大重力,可行的方法是将竖直的立柱向左侧转动
.(g 取 10N/kg)答案
4.(1)费力 摩擦
(2)1.25 0.4 4.6875 将竖直的立柱向左侧转动
(2)1.25 0.4 4.6875 将竖直的立柱向左侧转动
解析
【分析】
这道题结合机械手臂的实际场景考查力学相关知识，解题思路如下：
1. 第一问判断杠杆类型：先确定支点O，分别找出动力（细线拉力）的力臂和阻力（C点受到的物体反作用力）的力臂，对比两个力臂的长度，动力臂小于阻力臂即为费力杠杆；手爪夹住物体时，依靠接触面的静摩擦力托住物体，实现将物体举高的动作。
2. 第二问第一空：无抓取物时，要防止右侧小车轮脱离地面，此时支点为左侧小车轮，代入杠杆平衡条件，用电控组件的重力和对应力臂，计算得到配重的最小重力。
3. 第二问第二空：计算举高金属块的做功，直接用克服重力做功的公式W=Gh代入数值计算即可。
4. 第二问第三空：抓取重物时，要防止左侧小车轮脱离地面，此时支点为右侧小车轮，将电控组件、配重、抓取物体的重力和对应力臂代入杠杆平衡公式，即可算出允许的最大物体重力。
5. 第二问第四空：要在不增加器材的前提下提升最大抓取重力，根据杠杆平衡原理，减小物体重力相对于支点的力臂即可，将立柱向左转动就能实现横臂左移，缩短物体的力臂。
【解析】
(1) 图丙中弯曲件AOBC绕O点转动，细线拉力的动力臂小于C点处阻力的阻力臂，因此属于费力杠杆；手爪夹住物体后，依靠C点与物体之间的摩擦力将物体举高。
(2) ① 电控组件的重力：$G_{电}=m_{电}g=0.5\mathrm{kg} × 10\mathrm{N/kg}=5\mathrm{N}$。无抓取物时，支点为左侧小车轮，电控组件到左轮的力臂$L_1=5\mathrm{cm}$，配重到左轮的力臂$L_2=10\mathrm{cm}+5\mathrm{cm}+5\mathrm{cm}=20\mathrm{cm}$，由杠杆平衡条件$G_{电}L_1=G_{配}L_2$，代入得$5\mathrm{N} × 5\mathrm{cm}=G_{配} × 20\mathrm{cm}$，解得$G_{配}=1.25\mathrm{N}$。
② 金属块的重力：$G_{金}=m_{金}g=0.2\mathrm{kg} × 10\mathrm{N/kg}=2\mathrm{N}$，举高高度$h=0.2\mathrm{m}$，对金属块做功$W=G_{金}h=2\mathrm{N} × 0.2\mathrm{m}=0.4\mathrm{J}$。
③ 抓取物体时，支点为右侧小车轮，电控组件到右轮的力臂$L_{电}=5\mathrm{cm}+10\mathrm{cm}+5\mathrm{cm}=20\mathrm{cm}$，配重到右轮的力臂$L_{配}=5\mathrm{cm}$，抓取物体到右轮的力臂$L_{物}=25\mathrm{cm}-5\mathrm{cm}=20\mathrm{cm}$，由杠杆平衡条件$G_{电}L_{电}=G_{配}L_{配}+G_{物}L_{物}$，代入得$5\mathrm{N} × 20\mathrm{cm}=1.25\mathrm{N} × 5\mathrm{cm}+G_{物} × 20\mathrm{cm}$，解得$G_{物}=4.6875\mathrm{N}$。
④ 不增加器材时，将竖直的立柱向左侧转动，横臂随之向左偏转，可减小物体重力相对于右轮支点的力臂，根据杠杆平衡条件，可提升抓取物体的最大重力。
【答案】
(1) 费力 摩擦
(2) 1.25 0.4 4.6875 将竖直的立柱向左侧转动
【知识点】
杠杆平衡条件，功的计算，摩擦力
【点评】
本题结合机械手臂的真实应用场景，综合考查杠杆分类、杠杆平衡条件、重力做功等知识点，需要学生根据不同的受力场景准确判断支点、对应力臂，灵活推导计算，最后结合杠杆原理提出优化方案，属于力学联系实际的综合应用题，能很好地考查学生的知识迁移应用能力。
【难度系数】
0.6
这道题结合机械手臂的实际场景考查力学相关知识，解题思路如下：
1. 第一问判断杠杆类型：先确定支点O，分别找出动力（细线拉力）的力臂和阻力（C点受到的物体反作用力）的力臂，对比两个力臂的长度，动力臂小于阻力臂即为费力杠杆；手爪夹住物体时，依靠接触面的静摩擦力托住物体，实现将物体举高的动作。
2. 第二问第一空：无抓取物时，要防止右侧小车轮脱离地面，此时支点为左侧小车轮，代入杠杆平衡条件，用电控组件的重力和对应力臂，计算得到配重的最小重力。
3. 第二问第二空：计算举高金属块的做功，直接用克服重力做功的公式W=Gh代入数值计算即可。
4. 第二问第三空：抓取重物时，要防止左侧小车轮脱离地面，此时支点为右侧小车轮，将电控组件、配重、抓取物体的重力和对应力臂代入杠杆平衡公式，即可算出允许的最大物体重力。
5. 第二问第四空：要在不增加器材的前提下提升最大抓取重力，根据杠杆平衡原理，减小物体重力相对于支点的力臂即可，将立柱向左转动就能实现横臂左移，缩短物体的力臂。
【解析】
(1) 图丙中弯曲件AOBC绕O点转动，细线拉力的动力臂小于C点处阻力的阻力臂，因此属于费力杠杆；手爪夹住物体后，依靠C点与物体之间的摩擦力将物体举高。
(2) ① 电控组件的重力：$G_{电}=m_{电}g=0.5\mathrm{kg} × 10\mathrm{N/kg}=5\mathrm{N}$。无抓取物时，支点为左侧小车轮，电控组件到左轮的力臂$L_1=5\mathrm{cm}$，配重到左轮的力臂$L_2=10\mathrm{cm}+5\mathrm{cm}+5\mathrm{cm}=20\mathrm{cm}$，由杠杆平衡条件$G_{电}L_1=G_{配}L_2$，代入得$5\mathrm{N} × 5\mathrm{cm}=G_{配} × 20\mathrm{cm}$，解得$G_{配}=1.25\mathrm{N}$。
② 金属块的重力：$G_{金}=m_{金}g=0.2\mathrm{kg} × 10\mathrm{N/kg}=2\mathrm{N}$，举高高度$h=0.2\mathrm{m}$，对金属块做功$W=G_{金}h=2\mathrm{N} × 0.2\mathrm{m}=0.4\mathrm{J}$。
③ 抓取物体时，支点为右侧小车轮，电控组件到右轮的力臂$L_{电}=5\mathrm{cm}+10\mathrm{cm}+5\mathrm{cm}=20\mathrm{cm}$，配重到右轮的力臂$L_{配}=5\mathrm{cm}$，抓取物体到右轮的力臂$L_{物}=25\mathrm{cm}-5\mathrm{cm}=20\mathrm{cm}$，由杠杆平衡条件$G_{电}L_{电}=G_{配}L_{配}+G_{物}L_{物}$，代入得$5\mathrm{N} × 20\mathrm{cm}=1.25\mathrm{N} × 5\mathrm{cm}+G_{物} × 20\mathrm{cm}$，解得$G_{物}=4.6875\mathrm{N}$。
④ 不增加器材时，将竖直的立柱向左侧转动，横臂随之向左偏转，可减小物体重力相对于右轮支点的力臂，根据杠杆平衡条件，可提升抓取物体的最大重力。
【答案】
(1) 费力 摩擦
(2) 1.25 0.4 4.6875 将竖直的立柱向左侧转动
【知识点】
杠杆平衡条件，功的计算，摩擦力
【点评】
本题结合机械手臂的真实应用场景，综合考查杠杆分类、杠杆平衡条件、重力做功等知识点，需要学生根据不同的受力场景准确判断支点、对应力臂，灵活推导计算，最后结合杠杆原理提出优化方案，属于力学联系实际的综合应用题，能很好地考查学生的知识迁移应用能力。
【难度系数】
0.6
