查勇
【摘要】初中階段是物理學習的重要階段,滑輪組是其中的一個核心內容.但由于涉及多個物理量的相互作用,滑輪組的計算方法比較復雜,容易讓學生感到困惑.本文旨在通過探究滑輪組的計算方法,提供一種更加簡單易懂的學習方式.通過分析滑輪組的結構和作用原理,引入力的平衡和動能守恒等概念,闡述滑輪組的力學性質和運動規律.
【關鍵詞】初中物理;滑輪組;解題方法
在初中物理學習中,滑輪組是一個重要的概念.掌握滑輪組的計算方法,不僅能夠幫助學生解決相關物理問題,還能夠培養他們的邏輯思維能力.但是,由于部分滑輪組問題涉及多個物理量的相互作用,其計算方法復雜,容易讓學生感到困惑.因此,本文旨在通過探究滑輪組的計算方法,幫助初中學生更好地理解和應用滑輪組的知識.
1? 豎直方向滑輪組
例1? 如圖1所示,圖中滑輪質量相同,假設甲乙兩個鉤碼在滑輪的作用下勻速上升,且在相同時間內,鉤碼上升相同的高度(忽略繩子和摩擦),在此過程中,下列說法正確的是(? )
(A)兩滑輪組繩端移動的距離相等.
(B)兩滑輪組繩端的拉力做的功相等.
(C)兩滑輪組對物體做功的功率相等.
(D)甲滑輪組的機械效率小于乙滑輪組的機械效率.
分析? 通過分析滑輪組的構造,可知承擔物重的繩子股數n,繩端的移動距離可以由s=nh求出.由題目得鉤碼上升高度相同,因此,滑輪所做的有用功相同.題中忽略了繩重和摩擦,兩個動滑輪重量相同,提升高度相同,因此做的額外功相同.所以此時有用功加上額外功也相同,即總功相同,再根據η=W有用W總以及功率公式,可求解.
解? 由圖①可知nA=2,nB=3,在相等時間內鉤碼移動相同的距離,則sA=2h,sB=3h,繩端A、B兩點移動距離不相等,故(A)錯誤;
因為動滑輪質量相同,提升的物體重和高度都相同,且W額=G動h,W有用=G物h,所以利用滑輪組做的有用功相同,故(B)(D)錯誤;
因為所用時間相同、對物體做功相同,所以P=Wt可知兩滑輪組對物體做功的功率相等,故(C)正確.
例2? 小紅用如圖2所示的滑輪組,在10s內將質量為60kg的物體A勻速提升了2m.已知繩子自由端所用的拉力為200N,不計繩子重力及摩擦,g取10N/kg.求:(1)請計算動滑輪總重力;(2)若小紅的體重是600N,則使用此滑輪組,她能提升的物體最重是多少?
分析? 已知物體的重力和繩子的拉力以及動滑輪上繩子的段數,可求動滑輪的重力;已知小紅的重力,可知繩子的拉力最大只能等于小紅的體重,根據動滑輪上繩子的段數求出物體的最大重力.
解? (1)由圖2可知,連接動滑輪繩子的股數n=4,不計繩子重力及摩擦,由F=1nG+G動可得,動滑輪總重力:G動=nF-G=4×200N-600N=200N.
(2)由于小紅的體重是600N,則繩子的最大拉力F最大=G人=600N,不計繩子重力及摩擦,由F=1nG+G動得,小紅能提升的物體最大重量為:G最大=nF最大-G動=4×600N-200N=2200N.
2? 水平方向滑輪組
例3? 小明用滑輪組拉動箱子,如圖3所示,已知箱子重300N,并勻速在水平面上作直線運動,速度大小為0.2m/s,假設箱子與地面之間的滑動摩擦系數為0.2,并且該滑輪組的機械效率為75%,則下列說法正確的是(? )
(A)繩子的拉力F大小為40N.
(B)在10s內,小明拉動繩子移動4m.
(C)整個過程中物體重力所做的功為180J.
(D)拉力F做功的功率大小為16W.
分析? 圖③中滑輪組承重繩的段數n=2,由題意知,箱子受到地面的摩擦力f=0.2G,在該過程中,克服摩擦力對箱子做的功為有用功,拉力F對繩子做的功為總功,根據η=W有用W總=f·s箱F·s繩=f·s繩F×ns繩=fnF=75%可計算出拉力F的大??;箱子在水平面上運動,重力在豎直方向,因此不做功.
根據P=Wt=Fst=Fv計算出拉力F的功率.fs繩F×n繩=fnF=75%得,拉力F的大小為:F=fηn=60N75%×2=40N,故(A)正確;
箱子的速度v箱=0.2m/s,則繩子自由端的速度為:v繩=nv箱=2×0.2m/s=0.4m/s,由v=st得,10s內繩子自由端移動的距離為:s繩=v繩t=0.4m/s×10s=4m,故(B)正確;
力與運動方向垂直,因此矢量積為0,所以3s內物體重力不做功,故(C)錯誤;
根據P=Wt=Fst=Fv得,拉力F的功率為:P=Fv繩=40N×0.4m/s=16W,故(D)正確.
3? 結語
本文通過對滑輪組的計算方法進行探究和分析,提供了一種更加簡單易懂的學習方式,幫助初中學生更好地理解和應用滑輪組的知識.通過本文的學習,學生能夠對滑輪組有更深入的認識,掌握滑輪組的計算方法,并能夠在實際問題中靈活運用.
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