2019届中考物理基础篇第11讲:滑轮轮轴斜面(附强化训练题)
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1、第 11 讲 滑轮 轮轴 斜面11.1 学习提要11.1.1 滑轮滑轮是一种常见的简单机械。滑轮是一个周边有槽、能绕轴转动的小轮,如图 11-1 所示。由于使用方法的不同,可以把滑轮分为定滑轮和动滑轮两类。1. 定滑轮工作时轴保持固定不动的滑轮称为定滑轮。定滑轮的实质是一个等臂杠杆,所以正确使用它既不省力,也不省距离,但可以改变用力方向。2. 动滑轮工作时轴随物体一起移动的滑轮称为动滑轮。动滑轮的实质是动力臂为阻力臂 2 倍的省力杠杆,所以在不计算滑轮所受重力及轮与绳的耗损摩擦的情况下,也就是理想情况下,使用动滑轮可以省一半的力,但要多移动一倍的距离,同时使用动滑轮不能改变用力的方向。定滑轮与
2、动滑轮的示意图以及它们与杠杆的等效图如图 11-2 所示。3. 滑轮组定滑轮和动滑轮的组合叫滑轮组。使用滑轮组,既能省力,又能改变用力的方向,但要多移动距离。如图 11-3(a)所示,在理想状态下,只用动滑轮时,拉力 FA为重力 GA的一半,省了一半的力,但没有改变用力的方向。如图 11-3(b)所示,在理想状态下,拉力 FB仍为物体重力 GA的一半,省了一半的力,但力的方向改变了!在这一实例中,动滑轮起到省力的作用,而定滑轮起到可以改变力的方向的作用, 把图 11-3(b)加以规范美观,就成为最常见、也是最简单的滑轮组,如图 11-3(c)所示。在由一根绳子绕制的滑轮组中,重物和全部动滑轮的
3、总重力由几段绳子承担,提起重物所用的力就是总重力的几分之一。动力作用点移动的距离就是物体移动距离的几倍。即F=1/nG 总 ,其中 n 为经过动滑轮的绳子股数,如果物体上升 h,则动力作用点移动的距离为 s=nh.4. 滑轮应用的实例滑轮或滑轮组在实际生产和生活中有着广泛的应用。如升旗时向下用力,红旗却向上冉冉升起;向下拉动窗帘的引线,可以使窗帘闭合或打开等,这些都是利用定滑轮改变力的方向来实现的。根据使用滑轮组可以省力和改变用力的方向这一特点,人们设计了一些“用小力换大力”的工作方案,如吊车上的滑轮组、工厂或建筑工地上常用的举吊重物的装置等,都是滑轮组的具体应用。11.1.2 轮轴1. 轮轴
4、由轮和轴组成,且轮和轴能绕共同轴线转动,这种简单机械叫做轮轴。请注意观察图 11-4 所示的辘轳,在工作时,摇把转一周,辘轳的轴也转一周,其摇把相当于轮,而绕着绳子的部分即为轴。轮和轴是连在一起的整体,轮和轴两部分能绕共同轴线旋转,轮转一周,轴也转一周。轮轴实质为一种能绕固定点连续旋转的杠杆。其示意图如图 11-5 所示。根据杠杆的平衡条件可知,如果轮半径是轴半径的几倍,那么作用在轮上的动力就是作用在轴上的阻力的几分之一,同时作用在轮上的力要移动几倍的距离。设动力为 F1,则动力臂为大圆半径 R;阻力为 F2,这阻力臂为小圆半径 r。若使轮轴正常工作,应则符合“动力动力臂=阻力阻力臂” ,即
5、F1R=F2r。由图 11-5 可知,动力 F1使轮转一周时,阻力 F2在轴上转动一周。可知动力通过的距离为 S1=2R,阻力通过的距离 S2=2R。由上式可得 S1/S2=R/r,则 S 手 =(R/r)S 物 。由此可知,只有动力加在轮上才能省力。与滑轮等工具相似,有时轮轴也可以反过来使用,将动力作用在轴上,而阻力作用在轮上,这时轮轴作用不但不省力,反而费力,但可以少移动距离。2. 轮轴应用的实例轮轴的本质是一个可以连续转动的不等臂的杠杆。因此轮轴的几何外形可以是圆形的,也可以是其他形状的。如螺丝刀的横截面是圆形,拧螺母的扳手的外形是一个长棍型,水龙头的扭柄是一个“T”字形,绞肉机的摇把是
6、一个折线形等,但它们在转动时都同时具有轮和轴。因此在判断一个物体是否属于轮轴时,不能只看表面形状,而要抓住它在工作过程中是否具有轮轴的“轮”和“轴”一起绕共同的轮轴转动这一本质特征。让我们看看自行车都有哪些部位属于轮轴呢?不难看出,车把是一个轮轴,刹车用的把柄也是一个轮轴,如图 11-6 所示。脚踏板与轮盘构成一个轮轴,后轮与飞轮也构成了一个轮轴,用车钥匙开启车锁时钥匙本身就是一个轮轴等。生活中的螺丝刀、水龙头、门把手、汽车的摇把、方向盘等都属于轮轴,如图 11-7 所示。11.1.3 斜面1. 斜面当要把一个物体从地面移动到高处时,比如将货物从码头搬运到轮船上,可以采取前面所学过的杠杆机械,
7、也可以使用前面所学过的滑轮机械、轮轴机械等。但是如图 11-8 所示的机械也是常见的搬运方式,这种机械叫做斜面,其示意图如图 11-9 所示。与杠杆、滑轮等简单机械相同,斜面也是通过增加动力的移动距离来达到省力的目的。根据功的原理,GH=FL,则 F=(h/L)G2. 斜面应用的实例要使同一物体升高相同的高度,斜面越长越省力。如图 11-10 所示,等高的几个斜面中,在其他条件都相同的情况下,用最右边的(也是最长的)一个斜面最省力,但需要通过的距离也最长。日常生活中的楼梯、大型场所的残疾人轮椅通道、各种桥梁的引桥(如杨浦大桥盘旋的引桥) 、盘山公路(如图 11-11 所示) 、螺旋(如图 11
8、-12 所示)等,都是斜面的一种应用。11.2 难点解释11.2.1 使用动滑轮一定省力吗通常情况下,使用动滑轮工作时,大多是吧把重物挂在动滑轮的轴上,拉力作用在轮缘的细绳上,此时对应的杠杆是动力臂为阻力臂 2 倍的省力杠杆。然而,当重物悬挂在轮缘的细绳上,拉力作用在动滑轮的轴上时,对应的杠杆却是动力臂为阻力臂的二分之一的费力杠杆。因此,在分析动滑轮是否省力时,一定要注意分析比较动力臂和阻力臂的大小。11.2.2 非常规滑轮组的原理滑轮组部分的难点在于等差滑轮部分,如图 11-13 所示。如图 11-14 所示,图(a)同一个滑轮平衡时的两边与轴处受力关系总是:1:2 的关系。图(b)中,可以
9、看到三条虚线表示同一根绳子,当系统处于平衡时,这根绳子上的每一处受力相等,请注意系统最左边最长绳上的受力也是 F。图(c)中,两条虚线表示同一根绳子,系统平衡时,这根绳子上每一处受力也相等。图(d)中,悬挂重物的滑轮直接连接的三根绳子上的力的大小分别为 F、2F、F,可知物体的重力 G=4F.11.3 例题解析11.3.1 对定滑轮使用特点的认识例 1 某同学研究定滑轮的使用特点,他每次都匀速提起钩码,研究过程如图 11-15 所示,请仔细观察图中的操作和测量结果,然后归纳得出初步结论。(1)比较(a) 、 (b)两图,可知 ;(2)比较(b) 、 (c)和(d)三图,可知 。【点拨】请同学们
10、注意观察题中弹簧测力计拉力的大小和方向,重点是分析几幅图中的相同之处和不同之处。比较(a) 、 (b)两图时,请以(a)图为参照比较(b)图的变化。当解答(b) 、 (c) 、 (d)三图对比结果时,不能提“是否省力” ,因为此时并不与原始状态的(a)图比较。【答案】 (1)提升同一重物时,使用定滑轮可以改变用力的方向,用力的大小与不用定滑轮时相同;(2)使用定滑提升同一重物,向各个方向用力时,力的大小不变。【反思】在解答此类题型时,请注意题中研究什么问题。如果研究的是有关力的问题,则要仔细回答力的大小、方向、作用点的细节;如果只是问定滑轮的使用特点,则根据定滑轮的使用特点,回答定滑轮是否改变
11、力的方向、是否省力。11.3.2 单个定滑轮、单个动滑轮的竖直使用例 2 如图 11-6 所示, 物体 A 和 B 所受重力都为 120N,滑轮重力和绳与轮间摩擦不计。当分别用力匀速提升物体 A 和 B 时,F A为_N,F B为_N。【点拨】不计滑轮的重力和摩擦力,考虑理想状态下,则本题直接用定、动滑轮的特点解答即可。【解析】F A为作用在动滑轮上的力,拉力为物体重力的一半,FA=0.5GA=0.5*120N=60N。F B为作用在定滑轮上的力,拉力与物体重力相等,F B=GB=12N。【答案】60,120【反思】请注意,如果题中考虑滑轮重力时,定滑轮上拉力与物体重力的关系不变,但动滑轮的计
12、算公式要修正为 F 动 =0.5G 总 =0.5(G 物 +G 轮 ) 。初中阶段,不论是中考还是竞赛内容,绳与轮间的摩擦还没有考察过。但真实情况是,如果绳与轮间没有摩擦,滑轮不可能转动起来。如果你对这些知识有兴趣,不放自己去查阅一些资料。11.3.3 费力的动滑轮例 3 如图 11-17 所示,绳子的一端拴着弹簧测力计接地,绳子的另一端挂着物体 G。当用力 F 匀速提起滑轮(滑轮和绳子的重力及摩擦不计)时,弹簧测力计示数为 10N,则物体重力 G 与力 F 的大小应为( )A、G=10N,F=10NB、G=10N,F=20NC、G=5N, F=5ND、G=20N,F=10N【点拨】本题中滑轮
13、的轴随物体的上升而上升,这是动滑轮。通常情况下,拉力是作用在滑轮的边缘,阻力是在滑轮的轮轴上,而本题中正好相反。【解析】作用在滑轮边缘上的两个力是相等的,G=F=10N,作用在轴上的力是轮边缘上的两个力的和,即 F=2G=210N=20N。【答案】B 【反思】不论是动滑轮还是定滑轮,在不考虑滑轮本身重力时,轴上受力总是滑轮边缘处受力的两倍。11.3.4 动滑轮水平使用的受力分析例 4 如图 11-18 所示,物体 A 在拉力 F=80N 的作用下以4m/s 的速度在水平地面上做匀速直线运动,物体 B 与水平地面之间的滑动摩擦力为 15N,求:(1)物体 B 运动的速度;(2)物体 A 受到的滑
14、动摩擦力。【点拨】本题重点关注的是两点:(1)轮边缘的力移动距离与轮轴移动距离的关系;(2)物体 A 匀速运动的原因是受到了平衡力的作用。物体 A 受到向右的拉力 F,受到向左的力由两个:一个是滑轮对物体向左的拉力,另一个是地面阻碍物体向右运动的摩擦力。【解析】 (1)因为时间相同,而 SB=2SA,所以 VB=2VA=24m/s=8m/s(2)由题意可知,F=2F B+f,f=F-2F B=80N-215N=50N。【答案】 (1)8m/s;(2)50N【反思】本题中,涉及水平的拉力和地面对物体 A 、B 的摩擦力的分析,涉及动滑轮轮轴和边缘处受力分析。因此,确定研究对象,并根据受力平衡对物
15、体进行力的分析是本题的关键。11.3.5 最简单的滑轮组例 5 如图 11-19 所示, 滑轮组中绳的固定端系在动滑轮上,当用此装置匀速提起重物时,如果不计摩擦和滑轮自重,则所用的拉力为()A. F=G B. F=0.5GC. F=1/3G D.无法确定【点拨】本题是一定一动滑轮组,题中绳的起点在动滑轮处,在动滑轮部分连接了三股绳子,这样可以省更多的力,但不能改变力的方向。【解析】在动滑轮部分有三股绳子,则拉力为物体重力的三分之一。【答案】C【反思】比较图 11-3(c)与图 11-19,要使一个装置省更多的力,就要舍弃一些有利的特性,比如“改变力的方向”这一优势。本题就是如此,许多简单机械的
16、设计思路,都遵循这一规律。11.3.6 最简单的差动滑轮例 6 如图 11-20 所示, 用滑轮装置将重力为 G 的物体悬挂,如果不计滑轮质量和摩擦,要使整个装置达到平衡,则 F 与 G 的关系如何?【点拨】这是一个等差滑轮,与常规滑轮最大的区别在于:常规滑轮或滑轮组中从头到尾只有一根绳子,同一根绳子上的力处处相等;而等差滑轮装置所用不是一根绳子,不同绳子上的力并不相等。【解析】对每根绳子进行受力分析,由图 11-20(b)可知,G=3F。【答案】F=1/3G,拉力方向竖直向下【反思】用两个滑轮,使拉力为物体重力的三分之一,这与例 5 相同。但与例 5 相比,本题中还改变了用力的方向。如果用三
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