例析中考物理中的滑輪問題

摘 要：滑輪是初中物理中的重要模型，也是歷年中考的必考點.由于滑輪問題容易與其他知識點，例如浮力、摩擦力、受力分析等相結合，因此該類問題的綜合性比較強，難度系數也比較高，文章例析中考中的滑輪問題，以期為教師和學生提供參考.

關鍵詞：中考;物理;滑輪

中圖分類號：G632 文獻標識碼：A 文章編號：1008-0333（2023）23-0118-03

收稿日期：2023-05-15

作者簡介：鄭步祥（1986.8-），男，江蘇省鹽城人，本科，中學一級教師，從事初中物理教學研究.

滑輪問題是中考物理比較常見的一類題型，無論是在客觀題部分，還是在解答題部分，甚至在實驗題，都有可能涉及到滑輪問題.

1 滑輪組的設計問題

在中考物理的作圖題中，經常會出現滑輪組的設計問題.一般情況下，該類題型的滑輪組由一個動滑輪一個定滑輪組成，而解答此類問題是按照一定的解題步驟進行的，即先要計算出繩子的股數（其是解題的關鍵和突破口），然后在確定動定滑輪的個數以及繩子的固定端所在的位置，最后可設計出滿足題意的滑輪組^［1］.

例1 一根繩子最大能承受的拉力為1 000 N，請設計一個滑輪組能吊起3 300 N的物體，畫出滑輪組的組裝圖（其中各滑輪的質量以及摩擦力不計）.

3 滑輪組中的拉力與速度的計算

滑輪組的中拉力與速度的計算是滑輪組問題最常見、最基礎的問題，在許多中考試題中，經常會將滑輪組設置得比較復雜，或將滑輪組模型與彈簧等結構結合起來進行考查^［3］.

例3 如圖3所示，其中物體A、B都恰好處于靜止狀態（其中各滑輪的質量以及滑輪間的摩擦力不計），下列說法正確的是（）.

圖3 滑輪組

A.物體A、B的重力關系為G₁=2G₂；

B.物體A所受的摩擦力為f_A=2G₂；

C.物體A所受力的合力的方向為向右；

D.物體A受到3個力，而物體B受到2個力.

解析 因為物體A、B都處于靜止狀態，所以物體A、B處于平衡狀態；以物體A研究對象，此時物體A受到向下的重力G₁，桌子對物體A的支持力F_N，繩子對物體A向右的拉力F_TA以及向左的摩擦力f_A，所以可得G₁=F_N、F_TA=f_A；以物體B為研究對象，此時物體B受到向下的重力G₂以及繩子對物體B向上的拉力F_TB，所以可得G₂=F_TB.通過題圖可得，F_TA=2F_TB.在選項A中，f_A=μF_N=μG₁=F_TA=2F_TB=2G₂，即μG₁=2G₂，所以物體A、B的重力關系為μG₁=2G₂，故選項A錯誤；在選項B中，f_A=μF_N=μG₁=F_TA=2F_TB=2G₂，故選項B正確；在選項C中，由于物體A處于平衡狀態，此時其合力為0，故選項C錯誤；在選項D中，物體A受到4個力，分別為重力G₁、支持力F_N、繩子拉力F_TA、摩擦力f_A；物體B受到2個力，分別為重力G₂、繩子拉力F_TB，故選項D錯誤.綜上所述，本題選擇B.

點撥 從本題的解析過程，我們可以看出其突破口就是分別對兩個物體進行受力分析，而解題的關鍵則是確定連接各個物體繩子拉力之間的定量關系.

4 滑輪組拉力做功問題

滑輪組問題中的拉力F一直是學生最為疑惑的地方，拉力到底是由人自身還是由物體產生的，這個問題一直困擾著學生，于是便產生了滑輪組拉力做功這類題型，該類題型中涉及到的人體內力做功、人體對外界做功及人的拉力做功這三類問題，都是我們在日常教學中亟需理清的問題，以便深化學生對滑輪組做功的理解.

例4 已知一人自身質量為500 N，小船質量為2 500 N，如圖4所示，當站在船上的人使用50 N的拉力拉動繩子時，小船則可呈現出勻速直線運動狀態.假設在此背景下，忽略繩子的重量、滑輪組的重量及運動過程中的摩擦力，請問當小船移動10 m后，拉力做功多大？

解析 首先看一類學生常見的概念誤區，左側固定的滑輪為定滑輪，小船船頭滑輪則為動滑輪，若是小船移動10 m，根據滑輪組原理則可判定人手持的繩端移動距離為s=3×10 m=30 m，那么拉力做功為W_拉=F×s=50 N×30 m=1 500 J.從此處的錯誤解法不難看出，該計算方法是以人作為參考系進行做功計算的.但對題中場景而言，人和小船這個整體相對于地面在做勻速直線運動，所以不難看出分別以人和地面作為參考系后，計算得到的做功結果必然不一樣.正確的解法應該是將地面作為參考系，根據滑輪組原理，繩子的末端相對于人體移動了30 m，人與小船組合而成的整體相對于地面參考系移動了10 m，故可知繩子的末端相對于地面參考系移動的距離應為20 m，按照做功計算，便可得到拉力做功為W_拉=F×s=50 N×20m=1 000 J.

點評 值得注意的是，在中學物理教學中，若無特殊說明，必然是將地面作為參考系，若是沒有明確具體的參考系類型，對位移、速度及功等具備相對性特征的物理量，其計算結論往往會受到參考系的影響而發生變化.尤其是涉及到此類滑輪組做功計算問題時，默認參考系必須以地面為參考系，對應的受力運動距離也應該是受力物體相對于地面的位移.

中考物理中滑輪組問題，不僅會出現本文所給出的一些常見題型，甚至可能會出現一些與生活比較密切、綜合性比較強的題目，注意在解答此類問題時把握解題技巧，牢記一些特有的規律，才能夠快速準確解答^［4］.

參考文獻：

［1］ 張洪霞.滑輪組問題分析［J］.物理教學探討，2008，26（2）：34-35.

［2］ 佚名.滑輪組問題的分析方法［J］.數理化學習（初中版），2009（4）：41-42.

［3］ 郭佳.滑輪組機械效率問題求解方法探索［J］.亞太教育.2015（5）：32.

［4］ 林艷.解有關滑輪組機械效率計算題的基本步驟［J］.中學課程輔導（教學研究），2010（15 ）：55.

［責任編輯：李 璟］