初中物理滑輪及其應用解題研究

李存見

摘要：現行的滬科版八年級物理機械與人一章簡單機械教學內容包括杠桿及滑輪?；唽嶋H上是由杠桿發展出來的，但是在滑輪類題目中，可設置的問題較多。學生應用本節知識解題時常常感覺無從下手。本文試圖剖析滑輪本質，尋找解題規律。

關鍵詞：滑輪；滑輪組；機械；功；功率

初中物理課程標準的教學建議指出[1]：要使學生學會用物理知識和方法來解決問題，首先要增強學生應用物理知識解決問題的意識。要做到這點，在物理概念和規律教學時，教學內容應盡量取材于學生的生活實際，讓學生從熟悉的情境中學習知識。這不僅有利于學生理解概念和掌握規律，而且可以增強學生從實踐中聯系理論的意識。其次在學生建立概念和認識規律之后，應及時地引導學生用掌握的知識來分析解決生活和社會中的實際問題，強化理論的應用意識。按照新版課標的建議本文主要研究滑輪的概念、規律和應用相關知識解題。

一、建立滑輪概念和探究滑輪規律

教材中展示了定滑輪和動滑輪的概念，并進行簡單探究，最后要寫出結論。我們可以對課本上的實驗進行拓展更有利于探究滑輪的規律。比如研究定滑輪實驗中先用彈簧測力計直接測出鉤碼重，再按照下圖1進行實驗，記錄每次拉力F和鉤碼重力G，并測出物體上升的距離h和繩端的移動距離s記入表格中。

1、比較每次的拉力和鉤碼重力的關系，可以得出結論：拉力大小等于重力大小。

2、比較每次的物體上升的距離和繩端移動距離的關系，可以得出結論：物體上升距離與繩端移動距離相等。

3、比較不同方向上的拉力是相等的。

4、從杠桿角度分析定滑輪是一個等臂杠桿。

實驗得出的結論是：用文字表述為使用定滑輪既不省力，也不省距離，但可以改變力的方向，是一個等臂杠桿。用符號表述為不省力F=G 不省距離S=h 。

研究動滑輪實驗中用彈簧測力計先直接測出不同鉤碼重，再按下圖6那樣進行提升，并改變方向，記錄每次拉力和鉤碼重力，以及物體上升距離和繩端移動距離，記入表格中。

1、比較每次拉力和鉤碼重力的關系，可以得出結論：拉力的大小為重力大小的一半。

2、比較每次的物體上升的距離和繩端移動距離的關系，可以得出結論：繩端移動距離是物體上升距離的2倍。

3、比較方向是不同方向上的拉力是不相等的。

4、從杠桿角度分析定滑輪是一個省力杠桿。

實驗得出結論：用文字表述為動滑輪可以省一半力，但費一倍距離，不能改變力的方向。是一個省力杠桿。用符號表述為省一半的力F= G物 費一倍的距離S=2h。如果我們考慮動滑輪的重力則省力F= （G物+G動） 費距離 S=2h 。

定滑輪和動滑輪組合在一起的裝置叫做滑輪組.使用滑輪組既能改變力的方向，又能省力。可用隔離法判斷與動滑輪相連繩子的股數，把重物和動滑輪從滑輪組中“隔離”出來，就很容易弄清直接與動滑輪連接的繩子的股數n，在圖11中我們把重物和動滑輪從滑輪組隔離，以重物和動滑輪為研究對象，有兩段繩子承擔動滑輪及重物，所以用力F= （G物+G動），同理分析另一圖可知，提起重物及動滑輪的力F= （G物+G動）

再者根據機械功的原理：動力功等于阻力功。其中推動機械的力叫動力，阻礙機械運動的力叫阻力。阻力又可以分為有用阻力和無用阻力，克服有用阻力做的功稱為有用功，比如提升物體時，克服物體重力做的功?？朔o用阻力做的功稱為無用功，比如提升物體時克服動滑輪重力做的功，以及克服摩擦和克服繩重做的功。使用任何機械動力功都等于阻力功，所以使用任何機械都不能省功。使用滑輪組的目的主要是為了省力，必然費距離。綜合上述得出滑輪組的結論：用文字表述為可以省力，但是費距離。用符號表述為省力F= （G物+G動） 費距離S=nh 。

二、應用滑輪相關知識解決實際問題

1.（2017·濟寧）小可在A端用如圖12所示的動滑輪勻速提起200N的水桶，若不計繩重、滑輪重及摩擦，則人拉繩子A端的動力為 100 N；實際測量A端的拉力為110N，不計繩重及摩擦，則滑輪重為 20 N。

【解析】（1）這是一個動滑輪，判斷n=2。不計動滑輪重、繩重和摩擦，根據省力公式F= G求出拉力F= G= ×200N=100N。（2）根據省力公式F= （G物+G動）求出動滑輪重，G動=2F﹣G物=2×110N﹣200N=20N。

2.（2017·咸寧）質量為60kg的李師傅在裝修施工時，利用如圖13所示的滑輪組來提升裝修材料.他用200N的拉力在20s內將500N的材料提升了10m，不計繩重及摩擦.求：

（1）動滑輪的重力；

（2）他施加拉力的功率

（3）他利用此滑輪組工作時的最大機械效率（保留一位小數）

【解析】（1）由圖13可知連接動滑輪繩子的股數n=3，不計繩重及摩擦，根據省力公式F= （G物+G動）的變形公式求出動滑輪的重力為100N；（2）根據費距離公式s=nh求出繩子自由端移動的距離，然后利用功的公式W=Fs求出李師傅施加拉力做的功，最后根據功率公式P= 求出他施加拉力的功率為300W；（3）先求出人的重力，由題意可知，人能提供的最大拉力等于自身重力，再利用省力公式F= （G物+G動）的變形公式求出最大物重，最后根據效率公式η= ×100%求出滑輪組的最大機械效率為94.4%。（4）此題還可用W有=G物h算出有用功。W總=Fs算出總功。對第3步變式提升600N的物體求機械效率，關鍵是拉力發生了改變。可以先用省力公式F= （G物+G動）求出拉力，或者直接用效率公式η= ×100%求出效率。

3.（2017·聊城）（多選題）如圖14所示，重300N的物體在20N的水平拉力F的作用下，以0.2m/s的速度沿水平地面向左勻速直線運動了10s，滑輪組的機械效率為80%，則在此過程中。下列說法正確的是：

A.繩子自由端移動的距離為2m

B.物體與地面間的滑動摩擦力為48N

C. 拉力F的功率為12W

D.有用功為120J

【解析】先判斷與動滑輪連接的繩子股數n=3，此時克服有用阻力做的功已經不再是克服重力而是克服摩擦力。利用s=vt求物體移動距離，拉力端移動的距離等于物體移動距離的3倍；知道機械效率和拉力大小，利用η= ×100%= ×100%，s繩=3s物可求摩擦力f=48N；利用W=Fs繩求拉力做的總功，再利用功率公式求拉力做功功率為12W；拉力做的有用功等于摩擦力乘以物體移動的距離即W有=fs物=96J 。

綜上所述在機械功的原理下，明確動力功和阻力功，并確定有用阻力功和無用阻力功，利用滑輪組中的省力公式和費距離公式能快速、準確的解題。

參考文獻：

[1] 初中物理新課程標準