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任务一
调查研究古代机械的结构、功能和原理
问题1 我国古代绞车的结构、工作原理和功能
1. 中华文明源远流长,古人的智慧结晶除四大发明以外,还有许多值得我们学习的机械.绞车是与辘轳相似的另一种机械,它从唐代起便被普遍应用,成为建筑、军事必备器械之一.如图是我国古人利用绞车提升巨石的情景,下列说法正确的是（
A. 使用此装置可以省功
B. 上方的滑轮可以改变力的方向
C. 使用此装置可以省距离
D. 绞车由动滑轮、定滑轮及轮轴组成
驱动性
问题
问题2 中世纪欧洲吊车的工作原理和功能
2. 如图所示,欧洲中世纪建造城堡使用的吊车是由定滑轮和轮轴组合而成的复杂机械,工人用脚踩动巨轮,可轻松地搬运沉重的石材.
(1) 吊车组件中,定滑轮的作用是
(2) 制造和使用吊车时,要尽可能省力,采取的措施有
任务二
分析现代机械的结构、功能、原理及改进措施
问题1 现代工程建设中起重机的结构功能和原理
3. 小亮是一个爱思考的同学,他看到正在建造的楼房地基上有起重机在不停地吊起地面上的建筑材料,于是他查阅了起重机资料,下面是其中某一款塔式起重机的简易示意图(如图甲),小亮知道了塔式起重机主要用于房屋建筑材料的输送及建筑构件的安装.(动滑轮重、绳重及摩擦不计,g取10 N/kg)
驱动性
问题
(1) 为保持平衡,起重臂长度越长的塔式起重机,配备的平衡重的质量应越
(2) 图乙为起重机钢丝绳穿绳的简化示意图,其中滑轮a是
(3) 若将重为$1.2×10^{4}\ \mathrm{N}$的货物由地面沿竖直方向匀速提升30 m,再沿水平方向移动20 m,则此过程克服重力做功
(4) 换用如图丙所示的滑轮组,在需要考虑动滑轮重力的情形下,用拉力F将重为8000 N的物体在5 s时间内匀速提升了0.5 m,若滑轮组的机械效率$\eta$为80%,则拉力F为
续表
调查研究古代机械的结构、功能和原理
问题1 我国古代绞车的结构、工作原理和功能
1. 中华文明源远流长,古人的智慧结晶除四大发明以外,还有许多值得我们学习的机械.绞车是与辘轳相似的另一种机械,它从唐代起便被普遍应用,成为建筑、军事必备器械之一.如图是我国古人利用绞车提升巨石的情景,下列说法正确的是（
B
）A. 使用此装置可以省功
B. 上方的滑轮可以改变力的方向
C. 使用此装置可以省距离
D. 绞车由动滑轮、定滑轮及轮轴组成
驱动性
问题
问题2 中世纪欧洲吊车的工作原理和功能
2. 如图所示,欧洲中世纪建造城堡使用的吊车是由定滑轮和轮轴组合而成的复杂机械,工人用脚踩动巨轮,可轻松地搬运沉重的石材.
(1) 吊车组件中,定滑轮的作用是
改变力的方向
,轮轴的作用是省力
.(2) 制造和使用吊车时,要尽可能省力,采取的措施有
增大轮的半径、减小运动组件间的摩擦力
;要提高吊车的机械效率,采取的措施有减小运动组件间的摩擦力、增大每次提升重物的质量
.任务二
分析现代机械的结构、功能、原理及改进措施
问题1 现代工程建设中起重机的结构功能和原理
3. 小亮是一个爱思考的同学,他看到正在建造的楼房地基上有起重机在不停地吊起地面上的建筑材料,于是他查阅了起重机资料,下面是其中某一款塔式起重机的简易示意图(如图甲),小亮知道了塔式起重机主要用于房屋建筑材料的输送及建筑构件的安装.(动滑轮重、绳重及摩擦不计,g取10 N/kg)
驱动性
问题
(1) 为保持平衡,起重臂长度越长的塔式起重机,配备的平衡重的质量应越
大
(选填"大"或"小").(2) 图乙为起重机钢丝绳穿绳的简化示意图,其中滑轮a是
定滑轮
(选填"动滑轮"或"定滑轮");若钢丝绳能承受的最大拉力为$3×10^{4}\ \mathrm{N}$,则该起重机能吊起货物的质量不能超过$6×10^{3}$
kg.(3) 若将重为$1.2×10^{4}\ \mathrm{N}$的货物由地面沿竖直方向匀速提升30 m,再沿水平方向移动20 m,则此过程克服重力做功
$3.6×10^{5}$
J,钢丝绳做功$3.6×10^{5}$
J.(4) 换用如图丙所示的滑轮组,在需要考虑动滑轮重力的情形下,用拉力F将重为8000 N的物体在5 s时间内匀速提升了0.5 m,若滑轮组的机械效率$\eta$为80%,则拉力F为
5 000
N,该过程中拉力F做功的功率为1 000
W.续表
答案
1. B
2. (1) 改变力的方向 省力
(2) 增大轮的半径、减小运动组件间的摩擦力 减小运动组件间的摩擦力、增大每次提升重物的质量
3. (1) 大
(2) 定滑轮 $6×10^{3}$
(3) $3.6×10^{5}$ $3.6×10^{5}$
(4) 5 000 1 000
2. (1) 改变力的方向 省力
(2) 增大轮的半径、减小运动组件间的摩擦力 减小运动组件间的摩擦力、增大每次提升重物的质量
3. (1) 大
(2) 定滑轮 $6×10^{3}$
(3) $3.6×10^{5}$ $3.6×10^{5}$
(4) 5 000 1 000
解析
【分析】
这道题围绕古代到现代的各类机械场景展开，解题思路可以按模块逐步推进：
1. 第一题判断绞车相关说法：首先牢记功的原理，任何机械都不可能省功，再结合定滑轮、轮轴的工作特点逐一排除错误选项；
2. 第二题分析中世纪吊车：回忆定滑轮的基础作用，结合轮轴的省力规律分析其功能，再从省力的核心（增大动力臂、减小阻力）、提高机械效率的核心（减小额外功占比）推导对应的措施；
3. 第三题分析塔式起重机：第一小问用杠杆平衡条件，起重臂越长说明阻力力臂越大，在支点另一侧平衡重的力臂不变时，需要更大的平衡重重力才能维持平衡；第二小问根据滑轮轴是否固定判断定/动滑轮，再数滑轮组承担物重的绳子段数，结合最大拉力算出最大物重，进而得到货物最大质量；第三小问明确重力做功的条件是物体沿重力方向移动距离，水平移动时重力不做功，再结合不计动滑轮、绳重摩擦的条件，得到钢丝绳总功等于克服物体重力的功；第四小问利用滑轮组机械效率的变形公式反推拉力F，再计算拉力的总功，结合时间得到功率。
【解析】
1. 选择题逐个分析选项：
A选项：根据功的原理，使用任何机械都不能省功，A错误；
B选项：上方的滑轮是定滑轮，作用是改变力的方向，B正确；
C选项：绞车的轮轴动力作用在轮上，属于省力轮轴，省力但费距离，不能省距离，C错误；
D选项：绞车的结构是定滑轮加轮轴，没有动滑轮，D错误。因此选B。
2. (1) 定滑轮的本质是等臂杠杆，作用是改变力的方向，不能省力；该吊车的轮轴动力作用在大轮上，动力臂大于阻力臂，属于省力轮轴，作用是省力。
(2) 轮轴的省力规律是：轮半径越大、轴半径越小越省力，同时减小组件间的摩擦也可以减小额外阻力实现省力，因此省力措施可写增大轮的半径、减小运动组件间的摩擦力；提高机械效率需要减小额外功占总功的比例，因此可以通过减小运动组件间的摩擦力减小额外功，也可以增大每次提升重物的质量增大有用功占比，提升机械效率。
3. (1) 根据杠杆平衡条件$F_1L_1=F_2L_2$，起重臂越长，吊起货物的阻力力臂越大，在阻力（物重）、平衡重的力臂都不变的情况下，需要平衡重的重力更大，因此平衡重的质量应越大。
(2) 滑轮a的轴固定不动，是定滑轮；图乙滑轮组承担物重的绳子段数$n=2$，动滑轮重、绳重及摩擦不计，最大物重$G_{\mathrm{max}} = nF_{\mathrm{max}} = 2×3×10^4\ \mathrm{N} = 6×10^4\ \mathrm{N}$，对应的最大货物质量$m_{\mathrm{max}} = \frac{G_{\mathrm{max}}}{g} = \frac{6×10^4\ \mathrm{N}}{10\ \mathrm{N/kg}} = 6×10^3\ \mathrm{kg}$。
(3) 重力做功只在物体竖直上升阶段计算，水平移动时物体运动方向和重力方向垂直，重力不做功，因此克服重力做功$W_G = Gh = 1.2×10^4\ \mathrm{N} ×30\ \mathrm{m} = 3.6×10^5\ \mathrm{J}$；由于动滑轮重、绳重及摩擦不计，额外功为0，因此钢丝绳做功等于克服物体重力做的功，也是$3.6×10^5\ \mathrm{J}$。
(4) 图丙滑轮组$n=2$，机械效率$\eta=\frac{W_{\mathrm{有}}}{W_{\mathrm{总}}}=\frac{Gh}{F· nh}=\frac{G}{nF}$，代入数据得$F=\frac{G}{n\eta}=\frac{8000\ \mathrm{N}}{2×80\%}=5000\ \mathrm{N}$；拉力移动距离$s=nh=2×0.5\ \mathrm{m}=1\ \mathrm{m}$，拉力做的总功$W_{\mathrm{总}}=Fs=5000\ \mathrm{N}×1\ \mathrm{m}=5000\ \mathrm{J}$，拉力的功率$P=\frac{W_{\mathrm{总}}}{t}=\frac{5000\ \mathrm{J}}{5\ \mathrm{s}}=1000\ \mathrm{W}$。
【答案】
1. B
2. (1) 改变力的方向 省力
(2) 增大轮的半径、减小运动组件间的摩擦力 减小运动组件间的摩擦力、增大每次提升重物的质量
3. (1) 大
(2) 定滑轮 $6×10^{3}$
(3) $3.6×10^{5}$ $3.6×10^{5}$
(4) 5000 1000
【知识点】
1. 简单机械特点
2. 杠杆平衡条件
3. 滑轮组功与效率计算
【点评】
本题结合古代机械、中世纪机械和现代工程起重机的真实场景命题，将物理知识和生产生活实际紧密结合，既考察了学生对定滑轮、轮轴、杠杆等基础简单机械特点的记忆理解，又考察了滑轮组的功、功率、机械效率的综合计算能力，易错点是容易误将水平移动的距离计入重力做功的路程，以及机械效率公式的灵活变形应用，能有效检验学生对简单机械模块核心知识的掌握程度。
【难度系数】
0.6
这道题围绕古代到现代的各类机械场景展开，解题思路可以按模块逐步推进：
1. 第一题判断绞车相关说法：首先牢记功的原理，任何机械都不可能省功，再结合定滑轮、轮轴的工作特点逐一排除错误选项；
2. 第二题分析中世纪吊车：回忆定滑轮的基础作用，结合轮轴的省力规律分析其功能，再从省力的核心（增大动力臂、减小阻力）、提高机械效率的核心（减小额外功占比）推导对应的措施；
3. 第三题分析塔式起重机：第一小问用杠杆平衡条件，起重臂越长说明阻力力臂越大，在支点另一侧平衡重的力臂不变时，需要更大的平衡重重力才能维持平衡；第二小问根据滑轮轴是否固定判断定/动滑轮，再数滑轮组承担物重的绳子段数，结合最大拉力算出最大物重，进而得到货物最大质量；第三小问明确重力做功的条件是物体沿重力方向移动距离，水平移动时重力不做功，再结合不计动滑轮、绳重摩擦的条件，得到钢丝绳总功等于克服物体重力的功；第四小问利用滑轮组机械效率的变形公式反推拉力F，再计算拉力的总功，结合时间得到功率。
【解析】
1. 选择题逐个分析选项：
A选项：根据功的原理，使用任何机械都不能省功，A错误；
B选项：上方的滑轮是定滑轮，作用是改变力的方向，B正确；
C选项：绞车的轮轴动力作用在轮上，属于省力轮轴，省力但费距离，不能省距离，C错误；
D选项：绞车的结构是定滑轮加轮轴，没有动滑轮，D错误。因此选B。
2. (1) 定滑轮的本质是等臂杠杆，作用是改变力的方向，不能省力；该吊车的轮轴动力作用在大轮上，动力臂大于阻力臂，属于省力轮轴，作用是省力。
(2) 轮轴的省力规律是：轮半径越大、轴半径越小越省力，同时减小组件间的摩擦也可以减小额外阻力实现省力，因此省力措施可写增大轮的半径、减小运动组件间的摩擦力；提高机械效率需要减小额外功占总功的比例，因此可以通过减小运动组件间的摩擦力减小额外功，也可以增大每次提升重物的质量增大有用功占比，提升机械效率。
3. (1) 根据杠杆平衡条件$F_1L_1=F_2L_2$，起重臂越长，吊起货物的阻力力臂越大，在阻力（物重）、平衡重的力臂都不变的情况下，需要平衡重的重力更大，因此平衡重的质量应越大。
(2) 滑轮a的轴固定不动，是定滑轮；图乙滑轮组承担物重的绳子段数$n=2$，动滑轮重、绳重及摩擦不计，最大物重$G_{\mathrm{max}} = nF_{\mathrm{max}} = 2×3×10^4\ \mathrm{N} = 6×10^4\ \mathrm{N}$，对应的最大货物质量$m_{\mathrm{max}} = \frac{G_{\mathrm{max}}}{g} = \frac{6×10^4\ \mathrm{N}}{10\ \mathrm{N/kg}} = 6×10^3\ \mathrm{kg}$。
(3) 重力做功只在物体竖直上升阶段计算，水平移动时物体运动方向和重力方向垂直，重力不做功，因此克服重力做功$W_G = Gh = 1.2×10^4\ \mathrm{N} ×30\ \mathrm{m} = 3.6×10^5\ \mathrm{J}$；由于动滑轮重、绳重及摩擦不计，额外功为0，因此钢丝绳做功等于克服物体重力做的功，也是$3.6×10^5\ \mathrm{J}$。
(4) 图丙滑轮组$n=2$，机械效率$\eta=\frac{W_{\mathrm{有}}}{W_{\mathrm{总}}}=\frac{Gh}{F· nh}=\frac{G}{nF}$，代入数据得$F=\frac{G}{n\eta}=\frac{8000\ \mathrm{N}}{2×80\%}=5000\ \mathrm{N}$；拉力移动距离$s=nh=2×0.5\ \mathrm{m}=1\ \mathrm{m}$，拉力做的总功$W_{\mathrm{总}}=Fs=5000\ \mathrm{N}×1\ \mathrm{m}=5000\ \mathrm{J}$，拉力的功率$P=\frac{W_{\mathrm{总}}}{t}=\frac{5000\ \mathrm{J}}{5\ \mathrm{s}}=1000\ \mathrm{W}$。
【答案】
1. B
2. (1) 改变力的方向 省力
(2) 增大轮的半径、减小运动组件间的摩擦力 减小运动组件间的摩擦力、增大每次提升重物的质量
3. (1) 大
(2) 定滑轮 $6×10^{3}$
(3) $3.6×10^{5}$ $3.6×10^{5}$
(4) 5000 1000
【知识点】
1. 简单机械特点
2. 杠杆平衡条件
3. 滑轮组功与效率计算
【点评】
本题结合古代机械、中世纪机械和现代工程起重机的真实场景命题，将物理知识和生产生活实际紧密结合，既考察了学生对定滑轮、轮轴、杠杆等基础简单机械特点的记忆理解，又考察了滑轮组的功、功率、机械效率的综合计算能力，易错点是容易误将水平移动的距离计入重力做功的路程，以及机械效率公式的灵活变形应用，能有效检验学生对简单机械模块核心知识的掌握程度。
【难度系数】
0.6
