文档内容
跨学科实践：调查机械并制作机械模型 （教学设计）
年级 九年级 学科 物理 课时数 1课时 教师
课题 跨学科实践：调查机械并制作机械模型
通过调查和制作，深化对杠杆、滑轮等简单机械的理解；巩固简单机械
物理观念
结构与原理；举例说明生活应用；能从杠杆、滑轮的使用特点来设计机械。
能运用抽象与建模的思维，将复杂的实际机械抽象为简单的物理模型进
科学思维 行分析；经历“发现问题→设计解决方案→制作检验→评估改进”的完整工
程思维过程；培养批判性思维，能对自已和他人的作品进行评估和优化。
教学 能通过观察、调查、查阅资料等方式，收集关于某一机械的信息；设计
目标 调查方案；能基于物理原理和调查结果，提出制作模型的初步方案或设计草
科学探究
图。能选择合适的工具和材料，按照设计方案进行制作和组装。能通过测试
模型的功能，检验其是否达到设计目的，并尝试分析成功或失败的原因。
激发对科学技术的好奇心和求知欲；体验亲手创造和解决问题的成就
科学态度
感；实事求是实施调查；分工合作、坚持改进；认识机械的社会意义与环保
与责任
责任。
本活动是第十一章“简单机械和功”本章知识的综合应用与升华。它不再是孤立的知
识点学习，而是要求学生从物理走向生活，从理论走向实践，从单一学科走向综合素养。
教材 涵盖机械应用调查与模型制作，巩固杠杆、滑轮、功、机械效率等知识，培养工程设计与
分析 跨学科思维。通过制作模型，将抽象原理转化为具体功能，并结合过程性与结果性评价。
引导学生按“需求→设计→制作→调试→优化”流程解决问题。本活动融合了技术与工
程、数学、艺术等学科，是培养学生STEAM素养的绝佳载体。
学生已学杠杆、滑轮、功、机械效率等理论，但应用能力不足。部分学生有一定的动
学情 手能力，但设计分析能力弱；需教师引导小组分工合作。学生喜欢实践但注意力易分散，
分析 需问题引导；需具体活动支撑抽象思维。可能面临的困难：调查时主题选择、问题设计、
数据分析困难；制作时的材料选择、结构设计、制作工艺、安装调试等具体问题。
教学 1．调查分析能力培养；
重点 2．锻炼模型设计与制作的综合素养。
教学 1．从设计到制作的过程，对能力的要求；
难点 2．在遇到困难时，学会分析问题根源，进行调整优化。
教学过程
教师活动 学生活动
导入新课
【情境导入】在人类文明发展历程中，人们不断地创造和使用工具。其中，利用
力学原理制造的各种装置统称为机械。机械的发展变化，反映了不同时期的生产力发
展水平，闪烁着人类智慧的光芒。了解我国古
代巧夺天工
的机械发明
指南车 水运仪象台
任务 一、 调查了解一种中国古代机械
【任务要求】选择一种机械，调查研究它的结构、功能、工作原理和相关的时代
背景。例如，中国古代使用的绞车（图11-43）和欧洲中世纪修建城堡时使用的吊车
（图11-44），在工作原理上有异曲同工之妙。
认识中国一
些传统机械
图11-43绞车 图11-44吊车
（一）调查中国古代绞车
中国古代绞车的结构、功能、工作原理及背景研究：
（1）结构特征：中国古代绞车以木质结构为主，核心包括基座系统、传动装置
和附件系统，其中传动部分包括定滑轮和轮轴。基座可移动，传动采用差速设计提升
效率。
调查中国古
代绞车（2）主要功能：用于工程起重解决积水问题、军事应用牵引攻城器械、民生领
域衍生小型装置如钓鱼卷线轮。
（3）工作原理：基于轮轴杠杆原理，通过差速设计和滑轮组实现省力及高效提
升，制动系统支持重物悬停。
r
理论支持：①定滑轮不省力：F=G，不省距离：s=h；②轮轴可以省力：F = F
1 R 2
R
，但费距离：s = s ；③机械效率的计算：W =Gh，W =Fs，额外功包含克服绳
1 r 2 有用 总
重与摩擦做功：
。
（4）时代背景与技术演进：起源于西晋，唐代标准化为移动基座，宋代在军事
中达到高峰，明清分化为民用小型化和工程大型化。
（5）历史价值：体现材料革新、结构优化和人机工程创新，传承古代造物理
念，是中国机械文明的重要见证。
【例题1】中华文明源远流长，古人的智慧除四大发明以外，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（ ）
调查了解中
国古代“水
泵”——龙
骨水车
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
【答案】B
【解析】A．使用任何机械（如杠杆、滑轮、斜面）时，都需要克服阻力做额外
功，所以使用任何机械都不能省功，故A错误；
B．由图可知上方的滑轮是一个定滑轮，定滑轮的本质是等臂杠杆 ，不省力也不
费力，但可以改变用力的方向，故B正确；
C．由图可知此装置是由定滑轮和轮轴组成的，定滑轮的本质是等臂杠杆 ，使用
调查了解中
时既不省力也不费力；轮轴的本质是省力杠杆，省力杠杆费距离，故C错误；D．由图可知此绞车由定滑轮和轮轴组成，并没有动滑轮，故D错误。 国古代投石
故选B。 机
（二）调查中国古代龙骨水车
中国古代的龙骨水车，又称翻车，是一种精巧的灌溉装置。它巧妙地将杠杆、轮
轴、滑轮等多种机械原理融合于一体，可以借助人力将水从低处提到高处。
（1）主要构造：其核心传动部分由轮轴系统构成，包括链轮和横轴，作为动力
传递的中枢。
（2）工作原理：操作时，农民通过脚踏板或手摇柄施加杠杆作用，输入人力动
力，驱动链轮旋转。链轮带动刮板链条在沟槽中循环运转。
分工合作，
（3）主要功能：将水从低处连续提升至高处。滑轮装置辅助减少摩擦损耗，优
课外调查
化传动效率，确保水流平稳输送。这种设计高效解决了农田灌溉中的水位提升问题，
大大提高了农业生产的效率。
（4）历史价值：龙骨水车不仅体现了古代劳动人民的智慧与创造力，还是简单
机械组合应用的杰出典范，在中国古代农业技术发展中扮演了重要角色，并且一直沿
用到改革开放前。
（三）调查中国古代投石机
阅读教材，
中国古代投石机，古称“砲”或“抛石机”，是冷兵器时代重要的重型远程攻击
自主学习
器械，用于攻城与守城。其结构不断优化，发展贯穿数千年。以下从结构、功能、工
作原理及时代背景四方面解析：
练习例题
（1）核心结构：机架、杠杆、动力装置、瞄准与释放机构等。
（2）核心功能：攻城破防、投掷燃火物、毒烟罐或金属碎片、杀伤士兵及牲
畜。瓦解敌方士气。反击攻城部队，压制其器械等等。
（3）工作原理：①人力牵引式：众人拉拽短臂绳索储能，松绳后短臂下摆，长
臂端高速甩出弹丸。②配重式：提升短臂端配重储存重力势能，释放后配重下落带动短臂下摆，长臂高速甩出弹丸，射程威力更大。③能量转换：人力/重力势能→杠杆动
能→弹丸动能，射程可达数百米。
（4）时代背景与发展历程：春秋战国攻城需求催生，汉唐时结构优化，种类增
多，应用广泛。宋代达到鼎盛时期，成为攻城核心。元代传入“回回炮”，威力巨
大；明代因火药武器普及逐渐淘汰。投石机是冷兵器时代工程力学与军事智慧的结
晶，但体积大、移动难、受天气影响，终被火药武器取代。其原理对后世机械有启
发。文献与考古可证其发展。
【例题2】如图是《天工开物》中记载的我国古代的提水工具“辘轳”，在两个
支架上摆放一根直的硬棒，支点为O、O，A端系一石块，B端装有轮轴，轮轴能绕
1 2
着硬棒转动，悬吊空桶的绳索另一端绕过轮轴后系紧在轮轴上。若空桶质量为10
kg，轮轴质量为10 kg，空桶和轮轴对硬棒的作用力视作施加在B位置，O1A长为0.6
m，OO 长为1 m，OB长为0.8 m，硬棒及绳索质量忽略不计。（g取10 N/kg）
1 2 2
（1）人对辘轳不施加力。桶中未装水，为保证硬棒不会翻转，石块质量最多为
________kg；若A点系上质量为40 kg的石块，提水时为保证硬棒不翻转，桶中最多
可装________kg的水。
（2）若桶内水的质量为40 kg，人用时20 s将桶匀速提升3 m，此时辘轳提水
的机械效率为50%，则桶对水做的功为_________J，人做功的功率为________W。
【答案】 60 60 1200 120
【解析】（1）以O 为支点，作用在A点力的力臂最小，作用在B点力
1
的力臂最大，此时杠杆A点受力最大，根据杠杆平衡条件FL=FL 可得，m g·OA=
1 1 2 2 石 1
（m +m ）g·OB，即m ×0.6 m=（10 kg+10 kg）×（1 m+0.8 m），此时石块质量
桶 轮 1 石
最大为m =60 kg；以O 为支点，作用在B点力的力臂最小，作用在A点力的力臂最
石 2
大，此时杠杆B点受力最大，根据杠杆平衡条件FL=FL 可得，m 'g·OA=（m +m
1 1 2 2 石 2 桶
+m ）g·OB，即40 kg×（1 m+0.6 m）=（10 kg+m水+10 kg）×0.8 m，此时水的
水 轮 2
质量最多为m =60 kg。
水
（2）桶对水做的功:W =Gh=mgh=40 kg×10 N/kg×3 m=1 200 J，人做的功:W
有用 总
W 2400J
= = = 2 400 J，人做功的功率P= = =120 W。
t 20s
任务 二、 深入调查生产、生活中使用的机械
【任务要求】观察生产、生活中使用的机械，选择其中一种进行较为深入的调
查。例如，现代建筑工地上的塔式起重机（图11-45）、挖土机和推土机，智能化生
产线上的机械手或机器人，方便人们出行的自行车，日常生活中的指甲钳、抽水马桶里的冲水装置，等等。从材料、结构、功能、工作原理等方面进行研究，分析其中的
创新点，提出进一步改进和创新的设想。
调查了解，
图11-45塔式起重机
讨论汇总
（一）深入调查塔式起重机
1．塔式起重机（塔吊）是建筑工地的重型机械，用于吊装建材。其核心结构：
（1）塔身：支撑高度，稳定性由重心和底座宽度决定；
（2）起重臂：费力杠杆（支点在塔顶，需较大动力平衡长臂载荷）；
（3）平衡臂：通过配重块实现杠杆平衡，防止倾覆；
（4）起升结构：滑轮组（动滑轮省力，定滑轮改变方向）提升重物；
（5）回转结构：轮轴驱动起重臂水平旋转。
2．塔式起重机的材料、结构与创新发展研究
（1）材料特性：塔式起重机金属结构采用高强度合金钢，减重并提升承载能
力。塔身标准节用高强度螺栓连接。起重臂用耐磨钢，驾驶室用碳纤维复合材料优化
强度与轻量化。液压系统耐高压橡胶软管。
深入调查，
（2）工作原理：基于“杠杆-轮轴”原理：起升机构卷筒钢丝绳升降重物，变幅
仔细分析
机构小车移动改变半径，回转机构360°旋转。液压顶升系统：缸体固定-活塞杆运动，
实现塔身接高。电气控制系统变频调速降低能耗。
（3）改进与创新设想：①智能化，能实现无人驾驶自动吊装；②提升安全性
能，减少事故风险。
【例题3】如图是建筑工地上常见的一种塔式起重机。滑轮组离O点越近，能吊
起物体的质量越 ；某次起重机上的滑轮组在20s内将质量为2.0t的预制件匀速
升到6m高的平台上，此次滑轮组的机械效率是60%，则作用在滑轮组绳端拉力F的
功率是 kW；若增大起吊物体的质量，该滑轮组的机械效率将变 。
（取g=10N/kg）
【答案】 大 10 大
【解析】[1]将起重机的吊臂看成杠杆，由图可知，配重重力G 和AO长一定，
配
根据杠杆的平衡条件知G ×AO=F ×BO，滑轮组的离O点越近，即OB越短，F 越
配 B B大，能吊起物体重力越大。
[2]滑轮组提升物体做的有用功W =Gh=mgh=2000kg×10N/kg×6m=1.2×105J 练习例题
有
绳端的拉力做的总功
作用在滑轮组绳端拉力 的功率
[3]增加起吊物体的质量，起吊物体的重力变大，额外功不变，有用功变大，有用
功在总功中所占的比例变大，则滑轮组的机械效率变大。
（二）深入调查国产挖土机
（1）材料特性与应用
挖土机核心结构采用高强度低合金钢。动臂与斗杆采用箱型截面，铰点等部位堆
焊耐磨层，寿命延长2倍以上。履带板用渗碳钢，液压系统采用耐高压无缝钢管，聚
氨酯密封件。驾驶室配备防弹玻璃及吸音棉，提升安全性与舒适性。
（2）结构组成：动臂、斗杆、铲斗；柴油发动机、液压泵组、回转机构、三点
式悬挂减震；履带底盘、行走马达；PLC+触摸屏、集成电子监控、故障诊断、作业模
式选择。
（3）工作原理：①液压传动：柴油机驱动主泵输出高压油，多路阀分配至执行
元件。动臂/斗杆/铲斗油缸协同控制挖掘轨迹。②回转机构：行星齿轮减速器实现
360°全回转。③行走系统：双速马达，低速大扭矩，高速转场。
（4）技术创新：①智能控制：GPS电子围栏防盗；3D挖掘引导系统，实时显示
标高偏差。②节能系统：电控共轨发动机+负载敏感液压，降低空载油耗；动臂势能
回收节能。③轻量化：拓扑优化减重，高强度钢+铝合金复合结构，FRP罩壳，整机
减重。④远程运维：4G/5G实时监控数据，远程诊断升级。
（5）改进设想：①智能化无人作业系统；②混合动力绿色节能。
（三）深入调查智能化生产流水线上的机械手
智能化流水线机械手是工业自动化核心装备，其材料、结构、功能与原理体现多
学科融合。具体分析如下：（1）材料特性：高强度铝合金、碳纤维复合材料、40CrNiMoA合金、铬钼钢、
食品级硅胶、防静电聚甲醛、陶瓷涂层等。
（2）结构组成
①驱动系统：伺服电机配谐波减速器；
②运动机构：4-6轴关节
③感知系统：3D相机、力传感器、碰撞传感器
④控制系统：EtherCAT总线，支持20+台协同
（3）工作原理
闭环控制：指令→分解→驱动→减速→反馈。
智能操作：3D视觉定位，力控装配，MES联动换型。
（4）技术创新
①轻量化高动态：拓扑优化减重，响应频率高
②智能感知：深度学习抓取成功率、力位控制良率高
③模块化重构：2小时完成构型变更
④数字孪生：故障预警准确率>90%
（5）改进方向
①智能化：强化学习异常处理，边缘AI芯片，识别速度提升
②绿色节能：永磁悬浮降耗，能量回收节电循环
③人机协作：气动肌肉外骨骼，电容传感器防护，遇人降速
（6）应用趋势
①新能源：锂电池装配机械手需求逐年增加，精度需求高
②医疗：手术机械手渗透率占2成，力控精度高
③2025年：AI视觉智能机械手市场占比超一半。
任务 三、 设计制作机械模型
【任务要求】利用身边的器材设计和制作机械模型。例如，根据历史资料制作抛
石机模型（图11-46），或参照现实生活中的起重机制作起重机模型（图11-47）等。
利用课余时
间准备材
料，进行制
作
图11-46抛石机模型 图11-47起重机模型（一）制作投石机模型
1．利用雪糕棒、一次性筷子、橡皮筋等制作投石机模型
（1）器材：雪糕棒若干、一次性筷子2-4根、橡皮筋一根、饮料瓶盖一个、粗塑
料吸管（或废旧笔管）一根、热熔胶枪一把（或速干胶水）。钢卷尺/直尺、记号笔、
剪刀、小锯条（或美工刀）等。
（2）制作过程： 小组合作，
或独立完
①底座支架搭建：将四根雪糕棒搭成四方形，并用热熔胶或速干胶水粘接连接
成，选择一
处。将一次性筷子截成合适的长度，做成支架并粘接在底座上。
种机械进行
制作
②转轴安装：将一次性筷子截成合适的长度架在支架上，中间套上塑料软管（或
废旧笔管）制成的套管，并在套管上粘上一小段雪糕棒作为垫片，用以固定杠杆。
③杠杆制作：将雪糕棒一端钻一个小孔，另一端用热熔胶粘瓶盖，勺口朝外。将
一根橡皮筋穿过小孔固定在杠杆尾端，另一端套在底座横杆上。并将距离小孔约4cm 利用简易的
处用热熔胶固定在转轴的垫片上。 器材制作投
石机模型，
并分析其工
作原理
④测试：先空载将瓶盖向下拉约30°，松手看是否顺畅；再放纸团或乒乓球，测
量射程。
安全提示：绝对禁止用石子、金属等硬物，建议用纸团、乒乓球、棉花球作为“炮弹”。操作时注意使用刀具、胶水等务必小心谨慎。
2．投石机模型的改进
在模拟实验的基础上，从功能、材料、结构、使用便捷性、美观性等方面对制作
的机械模型加以改进。
根据模型调
试、使用效
果作出优化
（二）制作电梯模型 改进
1．利用废旧纸箱、竹签、细棉线等材料制作电梯模型
（1）器材：瓦楞纸废旧纸箱一只、竹签若干根、细线一卷等、热熔胶枪一把
（或速干胶水）。钢卷尺/直尺、记号笔、剪刀等。
例题练习
（2）制作过程：
①电梯井制作：将瓦楞纸纸箱裁剪成合适的尺寸，用热熔胶粘接，制作电梯井。
将两个长竹签固定在电梯井底板上适当的位置，用来充当轿厢的滑轨。
②轿厢制作：将纸箱板裁剪成合适的大小，粘接成轿厢，并将两根竹签穿过轿厢 利用废旧物
两侧面板，将一根足够结实足够长的细棉线固定在轿厢顶部，用来牵引轿厢。安装好 品制作电梯
电梯井的顶板，并初步调试细线牵引轿厢上下运动。 模型
③滑轮和轮轴的制作：将纸箱板剪成三个圆形纸片，其中中间一片直径略小，用胶水粘贴起来，在圆心处串入竹签，做成定滑轮，并做好两边的支架。固定在电梯井
顶部。再用同样方法，制作底部的轮轴，用一根短的竹签制作摇把，固定在电梯井的
底板上。
制作并调
试，分析其
④组装调试：将轿厢顶部的细线绕过电梯井顶部的定滑轮，将细线的另一端截取 工作原理
合适的长度，固定在底部轮轴的轴上。轻轻摇动轮轴的摇把，尝试将电梯的轿厢提升
或下降。
进行优化设
2．电梯模型的改进
计，改进创
可以在原有基础上增加配重物；加上微型电动机作为动力源，利用简单的控制电
新
路实现上升和下降等等。
任务四 、 交流与评价
1．以短文的形式介绍一种机械，内容包括机械的结构、功能、工作原理以及相
交流讨论，
关的时代背景等。
评价反思
机械调查汇总表
机械名称：_________________ 项目负责人：____________
序号 制作项目 具体内容
1 主要结构
练习例题
2 具体功能
3 工作原理
4 时代背景
5 社会价值
2．向其他同学展示自制的机械模型，介绍设计方案、关键步骤和改进过程等。
模型制作项目单
模型名称：_________________ 项目负责人：____________序号 制作项目 具体内容
1 模型功能
2 机械构成
3 工作原理（过程）
4 选用器材、工具
5 主要特点或创新点
3．对短文内容的准确性与完整性等进行评价，对自制机械模型的制作工艺、使
用效果和创新性等进行评价。
机械模型制作项目评价表
模型名称：_________________ 制作者：___________ 评价人：___________
序号 评价项目 具体评价 改进建议
1 是否符合设计要求
2 新颖性
3 作用、效果、机械效率
4 制作工艺水平
5 优化创新
1．如图是一种利用滚轴和绳子组装的特殊机械，借助这种装置可以将较重的物体搬运到
高处，某人借助该装置提升重物G（不计摩擦和装置的自重），下列说法错误的是（ ）
A．图中A可简化为定滑轮
B．图中B可简化为动滑轮
课
C．人将绳子向下拉1米时，重物G也上升1米
堂
D．利用该装置不仅可以省力，也能改变力的方向
练
【答案】C
习
【解析】A．提升物体时，A的轴的位置固定不动属于定滑轮，故A正确，不符合题意；
B．图中B和物体一起移动，可看作是动滑轮，故B正确，不符合题意；
C．由图知，A、B组成滑轮组，n=5，则拉力端移动距离s=5h，人将绳拉过1m时，物体
上升的高度h=02m，故C错误，符合题意；1
D．不计摩擦和装置的自重，人对绳的拉力F= G，拉力方向向下，可见，利用该装置
2
既能省力，又能改变力的方向，故D正确，不符合题意。
故选C。
2．港珠澳大桥的成功建成离不开我国自行制造的世界上最大的吊装船“振华30”，如图
是“振华30”正在吊装重达6000t沉管隧道最后的一段，吊装中使用了非常复杂的滑轮组，下
列有关说法正确的是（ ）
A．使用滑轮组是为了省功
B．滑轮组中定滑轮的作用是改变力的方向
C．图中钢丝绳股数很多，是为了提高滑轮组的机械效率
D．该滑轮组的机械效率可能大于
【答案】B
【解析】A．根据功的原理，使用任何机械都不省功，使用滑轮组可以省力或改变
力的方向，但不能省功，故A错误；
B．定滑轮的特点是不省力，但可以改变力的方向，在滑轮组中定滑轮的作用就是
改变力的方向，故B正确；
C．使用滑轮组过程中，克服钢丝绳重和摩擦做的功是额外功，在有用功一定时，钢丝绳
股数越多，额外功越多，机械效率越低；图中钢丝绳股数很多，是为了省力，故C错误；
D．机械效率是有用功跟总功的比值，由于使用机械时不可避免地要做额外功，总
功一定大于有用功，所以机械效率总是小于100%，不可能大于100%，故D错误。
故选B。
3．（2024·四川广安·中考真题）桔槔是《天工开物》中记载的一种原始的汲水工具，在
拗石辅助下，人几乎可以不用力就能将一桶水从井中提起。如图所示，已知A点所挂拗石重力
为100N， ，两侧悬挂的绳子始终保持在竖直方向，忽略横杆和绳的重力（
）。下列说法错误的是（ ）A．桔槔平衡时，桶内水的体积为
B．桔槔是杠杆装置
C．桔槔平衡时，A、B两点所受的拉力之比为1∶2
D．要想一次提取更多的水，可以将悬挂点A向远离O点方向移动
【答案】A
【解析】A．已知A点所挂拗石重力为100N，OA︰OB=2︰1，两侧悬挂的绳子始终保持
在竖直方向，桔槔平衡时，由杠杆平衡条件可得
即
100N×2=F ×1
B
解得
F =200N
B
由于水桶有重力，所以桶中水的重力小于200N，则桶内水的体积小于
所以水的体积小于2×10−2m3，故A错误，符合题意；
B．桔槔是绕着固定的点转动的硬棒，所以桔槔是杠杆装置，故B正确，不符合题意；
C．桔槔平衡时，由杠杆平衡条件可得
由于OA︰OB=2︰1，所以A、B两点所受的拉力之比
故C正确，不符合题意；
D．桔槔平衡时，由杠杆平衡条件可得
要想一次提取更多的水，即增大F ，由于F 和OB保持不变，所以需要增大OA，故可以
B A
将悬挂点A向远离O点方向移动，故D正确，不符合题意。
故选A。
4．如图所示为一种塔式起重机上的滑轮组.现用该滑轮组将质量为48t的钢材以0.5m/s的速度竖直向上匀速吊起15m的高度，若滑轮组的机械效率为85%，g取10N/kg。
（1）A处滑轮的作用是 ；组合而成的滑轮组是一种可以 （选填“省
力”或“省功”）的简单机械；
（2）计算起重机提升钢材所做的有用功；
（3）计算绳子自由端的拉力及拉力的功率。
【答案】 改变拉力的方向 省力
【解析】（1）由图知道，A处滑轮的作用是改变拉力的方向，组合而成的滑轮组有3段
承重的绳索，所以，是省力的简单机械，使用任何机械都不省功。
（2）起重机提升钢材所做的有用功
（3）由 知道，拉力做的总功
由图知n=3，则拉力端移动距离
绳子自由端的拉力
拉力端移动
绳子自由端的拉力的功率
5．如图甲所示是我国古人使用绞车和滑轮吊起石材时的模拟图，其简化结构图如图乙所
示，绞盘横杆长度L与滚轴直径d之比为4∶1，已知每块大理石的重力为280N，吊框的重力为
100N，不计绳重和机械间的所有摩擦，g取10N/kg。（1）绞车可以看做 （选填“轮轴”或“斜面”）；
（2）一位工匠的最大推力为400N，在某次工作中，该工匠匀速推动绞车提升大理石板
10m；
①在绳子最大拉力足够的情况下该工匠最多一次能够借助绞车吊起多少块大理板 ？
②此时绞车的机械效率为多少 ？（百分号前保留1位小数）
【答案】（1）轮轴 （2）5块 93.3%
【解析】（1）通过转动绞盘使绳子绕道滚轴，从而拉起物体，绞盘相对于轮，滚轴相对
于轴，所以绞车可以看做轮轴。
（2）①一位工匠的最大推力为400N，绞盘横杆长度L与滚轴直径d之比为4∶1，则绳子
的最大拉力
每块大理石的重力为280N，吊框的重力为100N，则工匠最多一次能够借助绞车吊起大理
石数量
②吊起5块大理石时绞车的机械效率
6．抛石机是古人常用的重型攻城武器之一，如图甲所示，抛石机炮架上方横置一个可以
转动的轴，固定在轴上的长杆称为“梢”。小强利用一次性筷子、勺子、细线、金属环等制作
了抛石机模型，如图乙所示：手指竖直向下拉动细线下的金属环，使模型的“梢”水平平衡．
用重力为0.712N的正方体实心铜块作为“炮弹”，轴到铜块的距离为30cm，轴到细线的距离
为10cm。
（1）图乙中，“梢”实质是一个 （选填“省力”“费力”或“等臂”）杠杆；
为了减少抛石机对守城士兵的直接伤害，修筑城墙时应适当 （选填“高”或
“矮”）一些。
（2）小强在发射调试时，“梢”在0.1s的时间内从水平位置开始旋转了90°，铜块恰好离开勺子，该过程中模型克服铜块重力做功的功率为 W。
（3）小强在发射调试时，对金属环的力恒为2.67N，方向竖直向下，则机械效率为
%。
（4）为使“炮弹”抛更远，请你写出一条建议： 。
【答案】 费力 高 2.136 80 在石块的重力、石块所在位置不变的
情况下，增大对金属环的拉力（或增大金属环所在端“梢”的长度），可以使“炮弹”抛更
远。
【解析】（1）[1][2]如图乙，“梢”可绕固定点转动，且动力臂小于阻力臂，故“梢”实
质是一个费力杠杆；为了减少抛石机对守城士兵的直接伤害，修筑城墙时应适当高一些，增大
阻挡抛石的概率。
（2）[3]轴到铜块的距离为30cm，“梢”在0.1s的时间内从水平位置开始旋转了90°，铜
块恰好离开勺子，铜块上升的高度为30cm，模型克服铜块重力做功
模型克服铜块重力做功的功率为
（3）[4]金属环的力为2.67N，方向竖直向下，轴到细线的距离为10cm，则细线在竖直方
向移动的距离为10cm，总功为
机械效率为
（4）[4]在石块的重力、石块所在位置不变的情况下，增大对金属环的拉力（或增大金属
环所在端“梢”的长度），可以使“炮弹”抛更远。
7．如图甲所示，塔式起重机在建设美好家园中大显身手，抽象出来的物理模型如图乙所
示，AB是竖直支架，CD是水平臂，OC段为平衡臂，C端装有配重体，OD段为吊臂。E处装
有滑轮，其钢丝绳穿绳简化示意图如图丙所示。
（1）某待起吊货物的重为 ，货物与水平地面的接触面积为 ，则货物静
止在水平地面上时对地面的压强是多少？
（2）已知配重体的重为 ， ， ，若不计水平臂和滑轮重及部
件间的摩擦，在E处可起吊货物的最大重是多少？
（3）某次将重为8000N的货物竖直匀速提升5m，作用在连接起升电动机上的钢丝绳的拉力为5000N。则图丙中滑轮组的机械效率是多少？
【答案】（1）3×105Pa；（2）3×104N；（3）80%
【解析】解：（1）货物静止时对地面的压力大小等于货物的重力，则货物对地面的压强
为
（2）根据杠杆的平衡条件，在E处可起吊的货物的最大重
（3）丙图中连在动滑轮上绳子的段数为2，则滑轮组的机械效率为
答：（1）货物静止在水平地面上时对地面的压强是3×105Pa；
（2）在E处可起吊货物的最大重是3×104N；
（3）图丙中滑轮组的机械效率是80%。
8．早在3000年前我们的祖先就设计了结构很合理的辘轳，通常用于从井中提水。如图所
示，辘轳由辘轳头、支架、井绳、水桶等部分构成，某次取水时井绳拉着质量为10kg的水匀
速上升4m，用时1min，水桶重为10N，该过程中，人克服井绳重力与摩擦阻力做的功为60J
（g取10N/kg）。求此次取水的过程中：
（1）人做的有用功；
（2）辘轳的机械效率；
（3）人做功的功率。
【答案】（1）400J；（2）80%；（3）8.3W
【解析】解：（1）人做的有用功为（2）克服水桶的重力做得额外功
额外功
人做的总功
机械效率
（3）人做功的功率
答：（1）人做的有用功为400J；
（2）辘轳的机械效率为80%；
（3）人做功的功率为8.3W。
跨学科实践：调查机械并制作机械模型
一、调查了解中国古代机械
1．调查了解中国古代绞车；
2．调查了解中国古代龙骨水车；
3．调查了解中国古代投石机；
板
二、深入调查生产、生活中的机械
书
1．深入调查塔式机重机
设
2．深入调查国产挖土机
计
3．深入调查智能化生产流水线上的机械手
三、设计制作机械模型
1．制作投石机模型
2．制作电梯模型
四、交流与评价
跨学科实践：调查机械并制作机械模型
课
堂
小
结作
1．写一篇短文，介绍一种机械，内容包括机械的结构、功能、工作原理以及相关的时代
业
背景等。
布
2．向其他同学展示自制的机械模型，介绍设计方案、关键步骤和改进过程等。
置
3．对短文内容的准确性与完整性等进行评价，对自制机械模型的制作工艺、使用效果和
创新性等进行评价。
教
学
反
思
