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第3節 滑 輪
第十二章 簡單機械
知識點
定滑輪和動滑輪
知1－講
感悟新知
1
1. 滑輪
(1)定義：如圖1 所示，周邊有槽、能繞軸自由轉動的輪子。
知1－講
感悟新知
方法點撥
化靜為動判斷滑輪種類：
為了確定滑輪的種類，需要假設滑輪正在被使用，然后根據其軸是否隨物體一起運動，判斷滑輪的種類。
知1－講
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(2)分類
①定滑輪：如圖2 甲所示，使用時，其軸固定不動的滑輪。
②動滑輪：如圖2 乙所示，使用時，其軸隨物體一起運動的滑輪。
知1－講
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2. 研究定滑輪的特點
(1)實驗裝置及研究過程：圖3 乙中相鄰兩線之間的間距均為h。
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① 如圖3 甲所示，將一個鉤碼掛在彈簧測力計下，
讀出彈簧測力計示數(鉤碼的重力)。
② 如圖乙所示，通過定滑輪勻速豎直向上提升同樣的鉤碼，讀出彈簧測力計的示數，記錄鉤碼上拉力的作用點和繩子自由端拉力的作用點移動的
方向和距離。
③改變鉤碼個數，重復①②步驟。
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(2)數據記錄
實驗 序號 提升鉤碼的拉力F′ 繩子自由端的拉力F 大小 方向 作用點移動距離 大小 方向 作用點移動距離
1 1 N 豎直向上 h 1 N 豎直向下 h
2 2 N 豎直向上 2h 2 N 豎直向下 2h
3 3 N 豎直向上 1.5h 3 N 豎直向下 1.5h
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(3)實驗結論
①使用定滑輪不省力：使用定滑輪時的拉力，與直接提升物體的拉力的大小相等。
②使用定滑輪不省距離：使用定滑輪時拉力的作用點移動的距離，與直接提升物體時拉力的作用點移動的距離相等。
③使用定滑輪可以改變力的方向：使用定滑輪時拉力的方向，與直接提升物體時拉力的方向不同。
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思路點撥
確定研究對象：
直接提升物體時，拉力為F′，用定滑輪提升物體時，拉力為F。我們研究的是使用定滑輪時拉力F 和不使用定滑輪時拉力F′的關系。
確定研究對象后，結合力的三要素，研究兩者之間關系。
知1－講
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拓展延伸
定滑輪特點的應用：
在探究共線力的合成、二力平衡的條件時，通過定滑輪，把物體向下的重力轉化為水平方向的拉力，改變了力的方向。
知1－講
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3. 研究動滑輪的特點
(1)實驗裝置及研究過程：圖4 乙中相鄰兩線之間的間隔均為h。
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① 如圖4 甲所示，將一個鉤碼掛在彈簧測力計下，讀出彈簧測力計示數(鉤碼的重力)。
② 如圖乙所示，通過動滑輪勻速豎直向上提升同樣的鉤碼，讀出彈簧測力計的示數，記錄鉤碼上拉力的作用點和繩子自由端拉力的作用點移動的方向和距離。
③改變鉤碼個數，重復①②步驟。
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(2)數據記錄
實驗 序號 提升鉤碼的拉力F′ 繩子自由端的拉力F 大小 方向 作用點移動距離 大小 方向 作用點移動距離
1 1 N 豎直向上 h 0.6 N 豎直向下 2h
2 2 N 豎直向上 2h 1.1 N 豎直向下 4h
3 3 N 豎直向上 1.5h 1.6N 豎直向下 3h
知1－講
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(3)實驗結論
①使用動滑輪可以省力：不計滑輪重、繩重及摩擦的情況下，使用動滑輪時的拉力，等于直接提升物體的拉力的一半。
② 使用動滑輪費距離：使用動滑輪時拉力的作用點移動距離等于直接提升物體時拉力的作用點移動距離的兩倍。
③ 使用動滑輪不能改變力的方向：使用動滑輪時拉力的方向，與直接提升物體時拉力的方向相同。
知1－講
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規律總結
使用動滑輪能夠省力的前提條件：
(1) 滑輪重、繩重及各種摩擦力都較小。
(2) 拉力方向與物體移動方向平行。如果動滑輪的重力很大或拉力方向與物體移動方向夾角很大，使用動滑輪有可能費力。
知1－講
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4. 滑輪的實質
(1)定滑輪的實質(圖6)
l1 與l2 是定滑輪對應圓的半徑→ l1=l2 → 定滑輪是等臂杠桿。
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(2)動滑輪的實質(圖7)
l1、l2 分別為動滑輪對應圓的直徑和半徑→ l1=2l2 →動滑輪相當于動力臂是阻力臂二倍的省力杠桿。
知1－講
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知識鏈接
(1)不計摩擦、滑輪的自重和繩重，
使用動滑輪時拉力F=G物。
(2)不計摩擦、繩重，考慮動滑輪的重力，通過整體法受力分析得到，使用動滑輪時拉力F=(G物+G動)。
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思想方法
建構模型探究定滑輪工作的實質：
忽略定滑輪的形狀等因素，抓住定滑輪在力的作用下，繞固定點O 轉動的特點，確定定滑輪的實質是杠桿。
在確定杠桿的動力臂和阻力臂大小的基礎上，結合杠桿的平衡條件，判斷定滑輪所屬的杠桿種類，從而確定定滑輪的工作實質。
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知1－練
[揚州期末]工人用相同的輕質滑輪以圖9
甲、乙所示的兩種方式把同一重物豎直
勻速提升相同高度，忽略繩重、摩擦和
空氣阻力，則下列說法正確的是( )
A. 圖甲中滑輪為動滑輪
B. 圖甲中工人所用拉力小于圖乙中工人所用拉力
C. 圖甲中繩端移動距離比圖乙中繩端移動距離小
D. 圖甲中沒有改變用力的方向
例 1
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知1－練
解題秘方：根據兩種滑輪的定義和特點采用假設法和特殊值法進行解答。
解析：假設滑輪正在被使用，化靜為動判斷其軸是否隨重物一起運動，圖甲中滑輪的軸固定不動，為定滑輪，故A錯誤；
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本題中“輕質滑輪”的含義是滑輪的重力遠小于重物重力，可忽略不計；采用特殊值法，設G物=1 0 N，則F甲=G物=10 N，F乙=G物==5 N，因此B 錯誤；設重物上升高度h=1 m ，則s 甲=h=1 m ，s 乙=2h=2 m ，因此C 正確；圖甲中改變了用力的方向，因此D 錯誤。
答案：C
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知1－練
1. 某同學探究動滑輪的特點，進行了正確操作后，將得到的數據記錄在表格中，分析數據后發現，實驗結果與“使用動滑輪能省一半力”的結論不符，面對這一事實，
實驗次數 物重G 拉力F
1 1.0 N 0.65 N
2 1.5 N 0.90 N
3 2.0 N 1.15 N
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下列做法最不可取的是( )
A. 實驗失敗，停止實驗
B. 查閱資料，了解結論的適用條件
C. 改進實驗條件，重新實驗
D. 與同學分析可能的原因
A
知識點
滑輪組
知2－講
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2
分析思考(圖10)
知2－講
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1. 滑輪組 定滑輪和動滑輪組合在一起的裝置。
2. 滑輪組的工作特點
(1)滑輪組的省力特點
知2－講
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①如圖11 ，用滑輪組豎直提升物體(忽略繩重及摩擦)
結論：用滑輪組豎直提升物體時，忽略繩重及摩擦，若與動滑輪相連的繩子有n 股，則nF=G物+G動→ F= (G物+G動)。
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②如圖12 ，用滑輪組水平拉動物體(忽略繩重及摩擦)
結論：用滑輪組水平拉動物體時，忽略繩重及繩與滑輪間
的摩擦，若與動滑輪相連的繩子有n 股，則nF=f → F=f。
知2－講
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(2)滑輪組的費距離特點：無論是豎直提升物體，還是水平拉動物體，繩子自由端移動的距離s 都是物體移動距離的n 倍(n 為與動滑輪相連的繩子股數)。
①豎直提升物體時，s=nh；
②水平拉動物體時，s=ns物。
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深度思考 使用滑輪組提升物體時，施力的方向是否一定改變？
深度理解
由圖13可知，滑輪組可以改變施力的方向，也可以不改變施力的方向。
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思維方法
(1)運用組合思維集中定、動滑輪優點組合成滑輪組。組合思維是指把多項貌似不相關的事物通過想象加以連接，從而使之變成彼此不可分割的新的整體的一種思考方式。
(2)在明白用滑輪組豎直提升物體時的工作特點的基礎上，運用遷移思維理解用滑輪組水平拉動物體時的工作特點。
知2－講
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物理方法
(1)用整體法受力分析研究滑輪組的省力特點。
(2)隔離法求n：如圖13所示，在定滑輪和動滑輪之間畫一條虛線，將動滑輪和定滑輪隔離開，與動滑輪相連的繩子股數就是承擔物重和滑輪重的繩子股數n。
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請在圖14 中用筆畫線代替繩子，畫出提升重物時最省力的繞繩方法。
例2
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知2－練
解題秘方：利用嘗試法設計最省力的繞法：
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知2－練
解析：一根繩子有兩端，一端為固定端、一端為自由端；
在組裝滑輪組時，固定端固定在滑輪的掛鉤上，自由端標注箭頭及力的符號F；另外繩子必須繞緊，且不能重復繞繩。當固定端固定在動滑輪的掛鉤上時，繞繩方式如圖15甲，有三股繩子與動滑輪相連；當固定端固定在定滑輪的掛鉤上時，繞繩方式如圖乙，有四股繩子與動滑輪相連。綜上，圖乙繞法最省力。
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解：如圖15 乙所示。
感悟新知
知2－練
2.[上海普陀區期末]如圖是利用滑輪組幫助汽車脫困的情景，請畫出使用該滑輪組時最省力的繩子繞法。
解：如圖所示。
知識點
輪軸與斜面
知3－講
感悟新知
3
1. 輪軸
(1)定義：由具有共同轉動軸的大輪和小輪組成的簡單機械，如圖16甲所示(通常把大輪叫輪，小輪叫軸)。
知3－講
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(2)實質：輪軸可以看成一個可連續轉動的杠桿，支點在輪軸的軸線上，如圖乙所示，設輪半徑為R，軸半徑為r。
知3－講
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(3)公式：F1R=F2r 或=，即輪半徑是軸半徑的幾倍，則作用在輪上的力就是作用在軸上的力的幾分之一。
(4)特點：當動力作用在輪上，阻力作用在軸上時，由于R>r，此時輪軸能夠省力，也可改變力的方向，但會費距離(如方向盤)。當動力作用在軸上，阻力作用在輪上時，由于r知3－講
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2. 斜面
(1)組成：如圖丙所示，將木板搭在車廂上就構成了一個
斜面。
生活物理:
騎自行車上坡時走“S”形線路更容易上坡， 這是在重力G、坡高h一定的情況下，通過增加斜面的長l達到更省力的效果。
知3－講
感悟新知
(2)特點：如圖丁所示，若不考慮斜面摩擦，則沿斜面向上的推力F= ，即斜面的長是斜面高的幾倍，推力F就是物重G 的幾分之一。
知3－講
感悟新知
誤區警示:
不要誤認為使用輪軸一定會省力，要看動力是作用在輪上還是作用在軸上。
規律總結:
●杠桿、滑輪、輪軸和斜面都屬于簡單機械。
●凡是省力的機械都會費距離。既省力又省距離的機械是不存在的。
知3－講
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3 . 拓展
盤山公路相當于斜面。如圖17 所示，汽車要從A 位置到達B 位置，由于A、B 間太陡車輛無法直接開上去，因此要沿盤山公路經過C、D 才能到達B 位置，這樣做拉長了車的行駛距離l，又因為AB之間垂直
高度h 和車重G 一定，由公式F=知，車輛
上坡需要的牽引力更小(不考慮斜面摩擦)。
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知3－練
[立德樹人傳統文化蘇州期末]如圖18 甲是《天工開物》中記載的一種農業生產汲水裝置—轆轤，圖乙是它提水時的示意圖，為方便
提水，應按照______(填
“省力”或“費力”)杠
桿來設計，支點是______
(填“A”“B ”或“C”) 點。
例 3
省力
B
感悟新知
知3－練
解題秘方：根據實物建構模型，轆轤的實質是輪軸
(杠桿)。
解析：轆轤的實質是杠桿，動力作用在輪上C 點，阻力作用在軸上A 點，動力臂BC 大于阻力臂BA，根據F1R=F2r 可知可以省力；支點是杠桿繞著轉動的固定點，即B 點。
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知3－練
3. 生活中的許多現象都與我們所學的物理知識有關，小華發現，如圖甲所示的水龍頭很難徒手擰開，但將如圖乙所示的鑰匙安裝并旋轉后(如圖丙所示)，水龍頭就能正常出水，此鑰匙相當于一個______(填“斜面” “ 滑輪” 或“ 輪軸” ) ，
屬于______ (填“省力”
“費力” )機械。
輪軸
省力
滑 輪
改變力的方向
滑輪
定滑輪
動滑輪
滑輪組
省力

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