初中物理杠杆的平衡条件解答题

汽车超载是当前发生交通事故的重要原因之一。全国各地设置了许多超载监测站加强监管。如图所示，一辆两轴货车正在水平地面上设置的某种电子地磅秤上称重。先让货车前轮单独开上电子地磅秤，其读数为 $8t$ ；前轮驶离电子地磅秤，再让后轮单独开上电子地磅秤，其读数为 $9t$ 。国家规定两轴货车限载车货总重 $18t$ ，请你通过计算分析该货车是否超载。

小红和爸爸散步时，看见小区内的一种健身器械坐拉器，如图甲所示，为了对它进行研究，小红简化了它的结构，画出了它的模型图，如图乙所示。她发现坐在坐拉器座椅上的人，用力向下拉动手柄A时，操作杆AB会绕着转轴O转动，连杆BD拉动杆OC绕转轴0转动，将座椅向上抬起，（g取10N/kg）

（1）小红让爸爸静止坐在坐拉器的座椅上，小红竖直向下拉动手柄，将爸爸抬起经过测量，手柄竖直向下移动30cm，座椅竖直升高9cm，用时5s

①小红利用坐拉器抬起爸爸时，以下说法正确的是 　　

A．可以省功

B．一定定费力

C．爸爸越重，坐拉器的机械效率越高

D．爸爸被抬得越高，坐拉器的机械效率越高

②若爸爸的质量为60kg，利用坐拉器抬起爸爸的机械效率为90%，则小红抬起爸爸所做功的功率为多少？

（2）小红想通过图乙的模型，估算自己坐在坐拉器上抬起自己的拉力。图乙中OA：OB＝6：1，O′C：O'D＝2：1，此时AB杆处于水平位置，BD杆垂直于杆AB和O′C，BD杆对AB和OC杆的拉力均沿着BD，且大小相等。若手臂对手柄A的拉力方向和人的重力方向视作同一直线，物体间相互作用力的大小相等、方向相反，忽略坐拉器的自重、转动时的摩擦和座椅的尺度，若小红的质量为40kg，则此时小红让自己保持图乙的状态，需要对手柄A施加竖直向下的拉力为多大？

如图为某蓄水池的模拟原理图， $A$池中的液面高度 $h_1=10\mathit{cm}$，池底有一出水口，出水口下的活塞通过连杆与杠杆 $\mathit{OC}$相连，活塞横截面积

$S_1=1.2\times {10}^{-2}{m}^2$．杠杆可绕 $O$端上下转动，另一端有一中空且内有配重的圆柱形浮子浸入 $B$池中， $\mathit{DO}$是杠杆总长的 $\frac{1}{3}$，杠杆对浮子的作用力沿竖直方向。原设计当杠杆水平时，浮子浸入水深 $h_2=5\mathit{cm}$，活塞恰能堵住出水口。但在使用时发现，活塞离出水口尚有一小段距离时，浮子便不再上浮，此时浮子浸入水深 $h_3=8\mathit{cm}$。若将浮子的配重减少，△ $G=2.6N$，杠杆变为水平且活塞恰能堵住出水口。出水口面积略小于 $S_1$，计算时可认为相等，水的密度 ${\rho }_{水}=1.0\times {10}^3\mathit{kg}/m^3$， $g=10N/\mathit{kg}$。（活塞与连杆自重、杠杆自重及所受浮力、两池中液面高度的变化均不计。 $)$

求：

（1） $A$池池底水深为 $h_1$处所受压强；

（2）活塞恰能堵住出水口时连杆对杠杆压力的大小；

（3） $B$池中浮子的横截面积 $S_2$。

如图所示，一轻质杠杆 $\mathit{AB}$．长 $1m$，支点在它中点 $O$．将重分别为 $10N$和 $2N$的正方体 $M$、 $N$用细绳系于杠杆的 $B$点和 $C$点，已知 $\mathit{OC}:\mathit{OB}=1:2$， $M$的边长 $l=0.1m$。

（1）在图中画出 $N$受力的示意图。

（2）求此时 $M$对地面的压强。

（3）若沿竖直方向将 $M$左右两边各切去厚度为 $\frac{1}{2}h$的部分，然后将 $C$点处系着 $N$的细绳向右移动 $h$时， $M$对地面的压强减小了 $60\mathit{Pa}$，求 $h$为多少。

图甲是某型号的抽水马桶水箱进水控制装置的示意图，浮子是有上底无下底的圆柱形容器，中间有圆柱形的孔（图乙是浮子的放大示意图），壁的厚度忽略不计，浮子通过孔套在直杆上，并与调节螺母紧密相连，手动上下移动调节螺母，可以使浮子的位置随之上下移动，轻质细杆 $\mathit{AB}$可绕 $O$点旋转， $A$端与直杆底端相连， $B$端装有塞子，当水箱的进水孔进水，水面接触到浮子下端后，浮子内的空气开始被封闭压缩，随着水位继续上升，浮子上升带动直杆向上运动，当水位上升到一定高度， $\mathit{AB}$杆处于水平位置时，塞子压住进水孔，进水孔停止进水。

（1）为测出浮子上底面的面积，给你刻度尺、量筒和水，请完成实验

①将浮子倒置后，用刻度尺测出浮子内的深度 $h$

②将浮子装满水，　　；

③浮子上底面的面积表达式： $S_{上}=$　　（用所测量物理量的符号表示）

（2）若浮子上升的过程中内部被封闭的空气不泄露，用上述方法测得的浮子上底面的面积为 $10c{m}^2$，外界大气压为 $1.0\times {10}^5\mathit{Pa}$，浮子、直杆、细杆 $\mathit{AB}$、塞子的重力及所受浮力均不计，忽略所有摩擦，当进水孔停止进水时，浮子内的气体压强为外界大气压强的1.2倍，求此时：

①浮子上底面所受内外气体压力差为多大？

② $\mathit{OA}$长 $6\mathit{cm}$， $\mathit{OB}$长 $4\mathit{cm}$，塞子受到水的压力为多大？

（3）科学研究表明，一定质量的气体，在温度不变时，其压强与体积成反比，当进水孔的水压过大时，塞子被冲开，水箱内的水位超过一定高度，会使水溢出，若通过移动调节螺母的方法保证马桶正常使用，应如何移动调节螺母。

某物理研究小组设计了一个压力报警装置，工作原理如图甲所示。 $\mathit{OBA}$为水平杠杆， $\mathit{OA}$长 $100\mathit{cm}$， $O$为支点， $\mathit{OB}:\mathit{BA}=1:4$；已知报警器 $R_0$的阻值恒为 $10\Omega$，压力传感器 $R$固定放置，压力传感器受到的压力 $F$与 $R$的阻值变化的关系如图乙所示。当托盘空载时，闭合开关 $S$，电压表的示数为 $1V$：当托盘所受的压力增大，电压表的示数达到 $2V$时，报警器 $R_0$开始发出报警信号。托盘、压杆和杠杆的质量均忽略不计，电压表的量程为 $0~3V$．

求：

（1）电源电压；

（2）当报警器开始报警时，压力传感器受到的压力；

（3）当托盘受到的压力为 $120N$时，报警器是否报警；

（4）当电路输出的电功率与电路在安全状态下输出的最大电功率的比值为 $5:6$时，托盘受到的压力。

从地面上搬起重物我们的常见做法是弯腰（如图甲）或人下蹲弯曲膝盖（如图乙）把它搬起来，哪种方法好呢？下面就建立模型说明这个问题。把脊柱简化为杠杆如图丙所示，脊柱可绕骶骨（轴 $)O$转动，腰背部复杂肌肉的等效拉力 $F_1$作用在 $A$点，其实际作用方向与脊柱夹角为 $12°$且保持不变，搬箱子拉力 $F_2$作用在肩关节 $B$点，在 $B$点挂一重物代替箱子。用测力计沿 $F_1$方向拉，使模型静止，可测出腰背部复杂肌肉拉力的大小。接着，改变脊柱与水平面的夹角即可改变杠杆与水平面的夹角 $\alpha$，多次实验得出结论。

（1）在丙图中画出 $F_2$力臂 $L_2$。

（2）当 $\alpha$角增大时， $L_2$　　（变大 $/$不变 $/$变小）， $F_1$　　（变大 $/$不变 $/$变小）。

（3）如果考虑到人上半身的重力，那么腰背部肌肉的实际拉力将比丙图中 $F_1$要　　（大 $/$小）。

（4）对比甲乙两种姿势所对应丙图中的两种状态，由以下分析可得，　　（甲 $/$乙）图中的姿势比较正确。

如图所示为一拉杆旅行箱的示意图将其视为杠杆， $O$为支点， $B$为重心， $\mathit{BC}$为竖直方向， $A$为拉杆端点已知箱重为 $250N$， $\mathit{OA}$为 $120\mathit{cm}$， $\mathit{OC}$为 $24\mathit{cm}$。

（1）图中在 $A$点沿图示方向施加动力 $F$，箱子静止则动力 $F$的力臂为　　 $\mathit{cm}$，大小为　　 $N$。

（2）使拉杆箱在图示位置静止的最小动力为　　 $N$。

（3）生活中，常把箱内较重物品靠近 $O$点摆放，这样使拉杆箱在图示位置静止的最小动力将　　（选填“变大”、“变小”或“不变” $)$。

运用知识解决问题：

（1）活塞式抽水机工作原理如图1所示，提起活塞时，阀门　 $A$　关闭，管外的水在　　的作用下进入圆筒。

（2）请画出木块在斜面上匀速下滑时的受力示意图。

（3）如图3，轻质杠杆的 $\mathit{OA}:\mathit{OB}=3:2$，物体 $M$的重力为 $300N$，小雨的重力为 $600N$，双脚与地面的接触面积为 $0.04m^2$．小雨在 $A$端施加竖直向上的力使杠杆水平平衡，求小雨对地面的压强是多少？请写出解题过程，并画出与解题过程相应的受力分析示意图。

如图甲，有一轻质杆，左右各挂由同种金属制成、质量分别为 $m_1$和 $m_2(m_1>m_2)$的实心物块后恰好水平平衡。

（1）求左右悬挂点到支点 $O$的距离 $L_1$与 $L_2$之比。

（2）将两物分别浸没于水中（如图乙），杆将会　　（选填“左端下降”“右端下降“或“仍然平衡” $)$，试通过推导说明。

小明根据杠杆平衡条件在家测量某液体的密度，其装置放在水平面上。如图所示，轻质杠杆 $\mathit{OA}$和 $\mathit{BC}$垂直固定在一起， $\mathit{BC}$压在电子秤上， $O$为支点，且测量过程中 $O$点和 $C$点位置保持不变。

（1）调节杠杆 $\mathit{OA}$在水平位置平衡，其目的是　　。

（2）将一个质量不计的矿泉水瓶装满水，用细线将矿泉水悬挂在 $\mathit{OA}$的 $D$点上，记录此时电子秤的示数为 $m$，测量悬挂点 $D$到 $O$的距离为 $L_1$。

（3）取下装水的矿泉水瓶，将另一个完全相同的矿泉水瓶装满待测液体，用细线将矿泉水瓶悬挂在 $D$点。此时电子秤的示数小于 $m$，则待测液体的密度　　水的密度（选填“大于”，“等于“或“小于” $)$，向　　（选填“左”或“右” $)$移动悬挂点的位置，直到电子秤的示数仍为 $m$，测量此时悬挂点到 $O$的距离为 $L_2$。

（4）待利液体密度的表达式为 ${\rho }_{液}=$　　（水的密度用 ${\rho }_{水}$表示）。

（5）若考虑矿泉水瓶的质量，测量结果为 ${\rho }_{液}\text{'}$，则 ${\rho }_{液}\text{'}$　　 ${\rho }_{液}$（选填“ $>$”、“ $<$”或“ $=$” $)$。

如图所示，将重力不计的吸盘内部空气排尽后与水平地砖完全贴合，已知贴合的面积为 $30c{m}^2$，大气压强为 $1\times {10}^5\mathit{Pa}$， $\mathit{AB}$为轻质杠杆， $O$为转轴， $\mathit{OA}$与 $\mathit{OB}$的长度之比为 $1:3$保持杠杆水平，某人在 $B$端用竖直向下的拉力 $F$将吸盘沿竖直方向刚好拉离地砖。

（1）求吸盘所受的大气压力 $F_0$

（2）求人所用拉力 $F$

（3）若人沿图中虚线方向施加拉力 $F\text{'}$将吸盘拉离地砖，请画出拉力 $F\text{'}$的力臂。

仔细阅读材料，根据材料提供的信息回答问题：

我们已经学过杠杆的力臂和杠杆的平衡条件，如果把这些知识稍加拓宽和延伸，就可尝试用新的方法来解决一些实际问题．有固定转动轴的物体在力的作用下处于静止或匀速转动的状态称为力矩平衡状态．物理学中把力和力臂的乘积叫做力对转动轴的力矩．力矩用M表示，即M＝FL，式中L为力臂，力臂是转动轴到力的作用线的距离．在国际单位制中，力矩的单位是牛顿•米，符号为N•m．引入力矩概念后，杠杆的平衡条件可叙述为：

使杠杆沿顺时针转动的力矩与使杠杆沿逆时针转动的力矩相等．用公式表示为：M_顺＝M_逆．

（1）力矩的表达式为：M＝　FL　，力矩的国际单位为　N•m　．

（2）用垂直于门的力推门，推力F＝80N，手到门轴的距离为0.3m，则F对门轴的力矩M为　24　N•m．

（3）如图所示，一根均匀木棒OA可绕过O点的水平轴自由转动，现有一方向不变的水平力F作用于该棒的A点，使棒从竖直位置缓慢转到偏角θ＜90°的某一位置（缓慢转动可视为匀速转动），设M为力F对转轴的力矩，对此过程中M和F判断正确的是　A　．（选填字母）

A．M不断变大，F不断变大 B．M不断变大，F不断变小

C．M不断变小，F不断变大 D．M不断变小，F不断变小

小丽设计了一个防踩踏模拟报警装置，工作原理如图甲所示。 $\mathit{ABO}$为一水平杠杆， $O$为支点， $\mathit{OA}:\mathit{OB}=5:1$，当水平踏板所受压力增大，电压表示数达到 $6V$时，报警器 $R_0$开始发出报警信号。已知电路中电源电压为 $8V$， $R_0$的阻值恒为 $15\Omega$，压力传感器 $R$固定放置，其阻值随所受压力 $F$变化的关系如图乙所示，踏板、压杆和杠杆的质量均忽略不计。试问：

（1）由图乙可知，压力传感器 $R$的阻值随压力 $F$的增大而　减小　；

（2）当踏板空载时，闭合开关，电压表的示数为多少？

（3）当报警器开始报警时，踏板设定的最大压力值为多少？

（4）若电源电压略有降低，为保证报警器仍在踏板原设定的最大压力值时报警，踏板触点 $B$应向　　（选填“左”或“右” $)$移动，并简要说明理由。

如图为小柯制作的“杠杆力臂演示仪”，杠杆 $\mathit{AOB}$可绕 $O$点（螺母）转动， $\mathit{OA}=0.2m$， $\mathit{OB}=0.1m$， $G_1=2N$，杠杆自身重力和摩擦不计，固定装置未画出。

（1）当杠杆处于甲图所示水平位置平衡时， $G_2$的重力为　 $N$。

（2）松开螺母保持 $\mathit{OA}$不动，使 $\mathit{OB}$向下折一个角度后，再拧紧螺母形成一根可绕 $O$点转动的杠杆 $\mathit{AOB}\text{'}(B\text{'}$点对应 $B$点），保持 $G_1$位置不变，要使杠杆在图乙位置保持平衡，则 $G_2$应该移动到　　。

$A$． $B\text{'}$点处           $B$．①点处         $C$．②点处         $D$．③点处