輕繩模型析滑輪

在我們的日常生活中．滑輪和滑輪組隨處可見，和我們的生產(chǎn)生活密不可分，是一種常見的簡單機(jī)械．同學(xué)們在學(xué)習(xí)物理的過程中，了解滑輪的分類及其工作原理對提高我們的模型建構(gòu)能力、理解能力和實(shí)際應(yīng)用能力都非常重要．“新課標(biāo)”的發(fā)布．把同學(xué)們核心素養(yǎng)的養(yǎng)成提到了新的高度，物理核心素養(yǎng)有物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個方面，模型構(gòu)建是科學(xué)思維的一個要素．本文通過構(gòu)建輕繩模型，帶領(lǐng)同學(xué)們深入探討定滑輪、動滑輪的實(shí)質(zhì)與區(qū)別．并通過實(shí)例解析幫助同學(xué)們更好地理解這些概念．

我們先來構(gòu)建輕繩模型，如圖1所示．若把輕繩看成多個沒有質(zhì)量的“點(diǎn)”，則在忽略摩擦?xí)r．最下端的“點(diǎn)”處于二力平衡狀態(tài)．同理，每個“點(diǎn)”都處于二力平衡狀態(tài)，那么我們就可以得出結(jié)論：同一條輕繩上的拉力，其大小處處相等．這個結(jié)論是本篇文章分析的基礎(chǔ)．

定滑輪的特點(diǎn)和實(shí)質(zhì)

軸固定不動的滑輪稱為定滑輪，其特點(diǎn)是可以改變力的方向，不能改變力的大小.

如圖2所示，當(dāng)豎直向下拉物體時，忽略摩擦，定滑輪實(shí)質(zhì)上可以等效成一個等臂杠桿，O點(diǎn)為支點(diǎn)，F(xiàn)1為動力，l1為動力臂，F(xiàn)2為阻力，l2為阻力臂，由圖可知l1=l2=R，即動力臂等于阻力臂，由杠桿的平衡條件可以得到F1=F2，即動力等于阻力，所以定滑輪不改變力的大小．

用輕繩模型來分析，由圖2可知繞過定滑輪的是同一條輕繩，根據(jù)輕繩模型的結(jié)論很容易得出F1等于F2，并且和拉力的方向無關(guān)．

例1 利用圖3所示的簡單機(jī)械，沿不同方向分別用F1、F2、F3勻速拉動物體A，忽略繩子與滑輪之間的摩擦，請你判斷F1、F2、F3的大小關(guān)系．

解析：此滑輪屬于定滑輪，根據(jù)“同一條輕繩上的拉力，其大小處處相等”可知，勻速拉動物體時．繩上的拉力與物體A所受的摩擦力相等，則F1=F2=F3．

答案：F1=F2=F3.

動滑輪的特點(diǎn)和實(shí)質(zhì)

軸隨被拉動物體一起運(yùn)動的滑輪稱為動滑輪．我們通過實(shí)驗可以得出．單個動滑輪的特點(diǎn)是不能改變力的方向，最多能省一半的力．

如圖4所示．當(dāng)豎直向上勻速拉物體時，忽略摩擦．動滑輪實(shí)質(zhì)上可以等效為動力臂等于阻力臂2倍的省力杠桿，O點(diǎn)為支點(diǎn)，F(xiàn)1為動力，l1為動力臂，F(xiàn)2為阻力，l2為阻力臂．當(dāng)拉力沿豎直方向時，由上頁圖4可知l1=2l2=2R，即動力臂等于阻力臂的2倍，可以得到F1=1/2F2．動滑輪最多能省一半的力，但不能改變力的方向．

用輕繩模型來分析．受力情況如圖5所示，可以得出F1=F'1，動滑輪勻速運(yùn)動，處于平衡狀態(tài)，則F1+F'1=F2，所以F1=1/2F2．

例2 如圖6所示．通過滑輪沿水平方向勻速拉動所受重力為30 N的物體A，不計滑輪質(zhì)量及摩擦．當(dāng)拉力F為6N時，物體A受到的拉力F拉為____N.使用該滑輪是為了______.

解析：方法1，由圖6可知，繞在動滑輪上的有效繩子段數(shù)n=2，則物體A受到的拉力F拉=2F=2x6 N=12 N.

方法2，分析滑輪的受力情況．如圖7所示，因為勻速拉動物體．所以物體處于平衡狀態(tài)．根據(jù)輕繩模型及力的作用是相互的可得，F(xiàn)=F'，F(xiàn)拉=F1=2F=12 N，由此可知．使用該滑輪是為了省力．

答案：12 省力

滑輪組的工作特點(diǎn)

實(shí)際應(yīng)用過程中，既想改變力的方向．又想省力，單獨(dú)一個滑輪無法完成，為達(dá)目的，人們常常把定滑輪和動滑輪組合在一起．構(gòu)成滑輪組來使用．滑輪組兼有定滑輪和動滑輪的優(yōu)點(diǎn)，既可以改變力的方向，又可以省力．我們在分析滑輪組時，將滑輪組等效成杠桿進(jìn)行分析比較困難，而用“同一條輕繩上的拉力，其大小處處相等”依然可以很簡單地分析出繩端的拉力大小．

例3 利用圖8所示的滑輪組．勻速吊起所受重力為G的物塊．不計繩和滑輪所受的重力及摩擦，求力F的大小．

解析：將動滑輪和物塊看作一個整體，其受力情況如圖9所示，根據(jù)“同一條輕繩上的拉力．其大小處處相等”可以得到，F(xiàn)=F'，F(xiàn)+F'=G．所以F=1/2G.

答案：F=1/2G．

例4 將例3中滑輪組繞繩方法改為圖10所示的繞繩方法，求力F的大小．

解析：思路方法不變，依然是將動滑輪和物塊看作一個整體．其受力情況如圖11所示．根據(jù)“同一條輕繩上的拉力，其大小處處相等”可以得到，F(xiàn)=F'=F\"，F(xiàn)+F'+F\"G，所以F=1/3G.

答案：F=1/3G．

本文主要用輕繩模型來解決滑輪及滑輪組的問題，同學(xué)們可以根據(jù)“同一條輕繩上的拉力，其大小處處相等”來分析滑輪或滑輪組的受力情況，從而得出：定滑輪不改變力的大小，只改變力的方向：單個動滑輪最多能省一半的力，不能改變力的方向：滑輪組根據(jù)繞繩方式和滑輪數(shù)量的不同．所需力的大小和方向也不同．同學(xué)們不用死記硬背結(jié)論，應(yīng)從本質(zhì)上去分析，這樣更好理解．同學(xué)們要注意培養(yǎng)模型構(gòu)建能力，發(fā)展科學(xué)推理能力，這樣可以為高中的物理學(xué)習(xí)奠基．為同學(xué)們的長遠(yuǎn)發(fā)展鋪路．