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第十二章 简单机械
第2节 滑轮
设计说明
“滑轮”这一节主要是让学生认识定滑轮、动滑轮和滑轮组，并进一步了解各种滑轮的特点。教学中主要还是以实验探究为主，通过演示和分组探究了解定滑轮和动滑轮的特点和实质，知道定滑轮相当于等臂杠杆，使用时不省力，但可以改变力的方向；动滑轮相当于动力臂是阻力臂2倍的杠杆，使用时能够省一半的力，但是不能改变力的方向；由定滑轮和动滑轮的特点，学生很自然地就会想到滑轮组既能够省力又能够改变力的方向。
教学中要引导学生完成研究定滑轮和动滑轮特点的实验，通过学生的亲身体验，找出定滑轮和动滑轮的特点，加深对滑轮的认识，并为学习滑轮组做好知识铺垫。学习中通过对比找出定滑轮和动滑轮的优缺点，有利用培养学生辩证地认识事物的意识和习惯。
教学目标
1.识别定滑轮和动滑轮。
2.通过观察和实验了解定滑轮和动滑轮的结构和特点，培养学生的观察、实验探究和概括总结能力。
3.通过对滑轮组的分析和安装了解滑轮组的特点及生活中应用。
教学重点难点
1.重点：定滑轮和动滑轮的特点。
2.难点：滑轮组的省力情况、组装方法。
教具
学生用：滑轮组一套、钩码一盒、铁架台（带铁夹）、弹簧测力计。
教师用：滑轮组一套、钩码一盒、铁架台（带铁夹）、弹簧测力计。另有电化教学器材、教学光盘。
教学过程
回顾思考
1.杠杆的五要素：支点、动力、________力臂、阻力、________力臂。
2.杠杆的平衡条件：________。
3.省力杠杆的特点：省力费_____ ___；费力杠杆的特点：_____ ___；等臂杠杆的特点：________。
导入新课
1.视频导入：
同学们，我们先来观看一段升国旗视频。
问：升国旗时，旗手用力向下拉绳子，国旗上升了。你知道旗杆顶部有什么装置吗？
出示旗杆顶端的滑轮。引入滑轮，板书课题：滑轮。
2.漫画导入：
观察教材第81页图12.2-1。
想想看，为什么会出现这样的笑话？你能解释其中的道理吗？
学完本节课，大家就明白了。
进行新课
探究点一　什么是定滑轮
（1）多媒体展示旗杆的图片（如图），并播放升旗的视频图像。
（2）引导学生组装好一个定滑轮，如图所示，观察其转动时的特点。
归纳：滑轮的轴固定不动的叫做定滑轮。
探究点二　认识动滑轮
老师按照图所示装置来组装动滑轮，并用手或弹簧测力计拉动绳的自由端，使滑轮转动。
分析：滑轮在转动的时候与刚才定滑轮转动时一样吗？
（找出不同的地方，根据滑轮的移动和不移动特点来进行归纳）
归纳：滑轮的轴随物体一起运动，这样的滑轮叫做动滑轮。
例题讲解：（学生先练习，若有问题，教师补充讲解）
(
　
甲　　　　　乙
)例1　如图是人们用滑轮把货物提升到高处的示意图，甲图中的滑轮是________（选填“定”或“动”）滑轮，乙图中的滑轮是________（选填“定”或“动”）滑轮。
解析：甲图中的滑轮的轴随被提升的货物一起移动，故甲图中的滑轮是动滑轮；乙图中的滑轮的轴固定不动，故乙图中的滑轮是定滑轮。　　答案：动　定
探究点三　研究定滑轮和动滑轮的特点
1.关于定滑轮和动滑轮，你想知道什么问题？
（1）定滑轮和动滑轮在使用时是否省力（或更费力）？
（2）定滑轮和动滑轮在使用时是否省距离（或需要移动更大的距离）？
（3）什么情况下使用定滑轮，什么情况下使用动滑轮？
2.自己设计一个实验表格，用来记录相关数据
定滑轮 动滑轮
钩码重G/N
拉力F/N
省、费力情况
能否改变力的方向
钩码移动的距离h/m
拉力移动的距离s/m
省、费距离情况
3.学生分组实验
（1）探究定滑轮的特点
①器材：弹簧测力计、定滑轮、细绳、钩码、铁架台。
②计划：我们分别沿着三个不同的方向拉住绳子的自由端（如图所示），用弹簧测力计测出三个力的大小，比较三个力的大小。
③操作步骤：
A.如图所示，我们分别沿着F1、F2、F3的方向通过定滑轮拉动1个钩码，读出弹簧测力计的示数。
B.仍按照图，分别沿着F1、F2、F3的方向通过定滑轮拉动2个、3个钩码，并读出弹簧测力计的示数。
实验序号 钩码重/N F1/N F2/N F3/N
1
2
3
④实验结论：A.使用定滑轮可以改变力的方向，但不能省力，若不考虑绳子与滑轮之间的摩擦，作用在绳子自由端的拉力等于物体所受的重力，即F=G。
B.使用定滑轮不省距离，即拉力移动的距离等于物体上升的高度，s=h。
（2）探究动滑轮的特点
①器材：弹簧测力计、动滑轮、细绳、钩码、铁架台。
②计划：按照如图所示的装置进行实验，测量和观察弹簧测力计的示数与物体的重力大小有什么关系。
③操作步骤：
a.如图所示，用弹簧测力计通过动滑轮拉动1个钩码匀速上升，观察并记录弹簧测力计的示数。
b.分别用弹簧测力计通过动滑轮拉动2个、3个钩码，读出弹簧测力计的示数，并将数据填入下表中。
提醒学生：在拉动弹簧测力计时应匀速竖直向上拉。
实验序号 钩码与动滑轮总重/N 弹簧测力计的示数/N
1
2
3
④实验结论：a.使用动滑轮提升物体，当拉力竖直向上时，其大小等于物体和动滑轮总重的一半。若忽略动滑轮重，则拉力是物重的一半。使用动滑轮可以省一半的力，但不能改变力的方向。
注意：使用定滑轮不省力，即F=G；使用动滑轮省一半力，即F=G。这两个公式成立的条件均是在理想的情况下，即不考虑滑轮与轴之间、绳与轮之间的摩擦及动滑轮和绳的重力的情况下。
b.使用动滑轮费距离，拉力移动的距离是物体上升高度的2倍，即s=2h。
（3）教师讲解定滑轮、动滑轮的实质
指导学生对定滑轮、动滑轮的力臂进行作图，如图所示。
理论推导F与G的关系：
定滑轮：由杠杆平衡条件知F·l1=G·l2，
又因为l1=l2，所以F=G。
动滑轮：由杠杆平衡条件知F·l1=G·l2，
因为l1=2l2，所以F=G。
例题讲解：（学生先练习，若有问题，教师补充讲解）
例2　某小组同学研究动滑轮的使用特点，他们先用弹簧测力计缓慢提起钩码，如图（a）所示，再分别用重力不同的动滑轮甲、乙、丙（G甲>G乙>G丙）缓慢提起相同钩码，如图（b）、（c）、（d）所示。请仔细观察图中的操作和弹簧测力计的示数，然后归纳得出结论。
（a） （b） （c） （d）
（1）比较（a）与（b）[或（a）与（c），或（a）与（d）]两图可得：______ __。
（2）比较（b）、（c）、（d）三图可得______ __。
解析：（1）比较（a）与（b）[或（a）与（c），或（a）与（d）]两图可得：使用动滑轮能省力，但不能改变用力方向。
（2）比较（b）、（c）、（d）三图可得：使用动滑轮匀速提起相同重物时，动滑轮的重力越小，所用的拉力越小。
答案：（1）使用动滑轮能省力，但不能改变用力方向
（2）使用动滑轮匀速提起相同重物时，动滑轮的重力越小，所用的拉力越小
(
　　
甲　　　　　　乙　
)例3　（2020·山东青岛中考）研究定滑轮的特点
（1）在研究使用定滑轮是否省力时，用如图甲所示装置匀速提升重物，需要测量的物理量是______和________。
（2）如图乙所示，分别用拉力F1、F2、F3 匀速提升重物，则三个力的大小关系是________。
（3）旗杆顶部有一个定滑轮，给我们升国旗带来了便利。这是利用定滑轮________的特点。
解析：（1）要研究定滑轮是否省力，需要比较被提升的重物重力与绳自由端拉力的大小，所以需要测量这两个物理量。（2）如图所示，重力G的力臂为滑轮的半径，F1、F2、F3的力臂相等，都等于滑轮的半径，所以F1=F2=F3=G。（3）定滑轮虽然不能省力，但可以改变力的方向，旗杆顶部的定滑轮就是利用了这一特点。
答案：（1）重物重力　绳自由端拉力　（2）F1=F2=F3　（3）能改变力的方向
探究点四　滑轮组
(
　
甲　　　　　　　　　乙　　　　
)1.思考问题：动滑轮可以省力，却不能改变力的方向；定滑轮能改变力的方向，却不能省力。有什么办法既能省力又能改变力的方向吗？
（引入滑轮组）
2.尝试探究：同学们根据自己的理解和想象组装一个既能省力又能改变力的方向的机械。
（给学生尝试探究的机会，体会“创造”机械的乐趣）
根据学生的答案，教师做出归纳与总结：
如图甲、乙所示，用定滑轮和动滑轮组合在一起构成滑轮组。
滑轮组的特点：既能省力也能改变力的方向。
3.讨论与探究：滑轮组的省力情况是由什么因素决定的？
(
　　
甲　　　　　乙
)（1）问题：滑轮组的省力情况是由什么因素决定的？
（2）计划与步骤
①用一个定滑轮和一个动滑轮组装出两种不同的滑轮组，如图所示。（学生自己组装，教师指导）
（其他方式组合合理的也予以肯定和鼓励）
②分别按照图甲、乙、丙、丁四个图片的要求与组装模式探究拉力的大小，并自己设计好表格，将数据填入表格中，归纳和分析滑轮组的特点。
甲 乙 丙 丁
F1/N s1/m h1/m F2/N s2/m h2/m F3/N s3/m h3/m F4/N s4/m h4/m
甲
乙
丙
丁
③归纳结论：使用滑轮组省力的多少由滑轮的组合形式和绕绳的方法共同决定，使用滑轮组时，有n段绳子吊着物体，提起物体所用的力就是物重的n分之一，即F=G（不计动滑轮重和绳重及摩擦）。若考虑动滑轮的重力，则F=（G+G动）（G动为动滑轮的重力）。
由于使用滑轮组时比较省力，所以在使用时必定要多移动距离，根据上述数据可以知道，滑轮组在使用时绳子自由端移动的距离与重物升高的距离关系为s=nh。即绳子自由端移动的距离为重物升高距离的n倍。
点拨：区分“最方便”和“最省力”的含义。“方便”是根据人的位置用力拉绳子，既省力又方便；而“最省力”是指尽量多地增加与动滑轮相连的绳子段数。
例题讲解：（学生先练习，若有问题，教师补充讲解）
例4　如图所示用滑轮或滑轮组提起同一重物的几种方法，其中最省力的是（绳子、动滑轮重及摩擦忽略不计）（　　）
A B C D
解析：在忽略摩擦、绳子和动滑轮重力的情况下，A中的滑轮是定滑轮，使用定滑轮不省力，只能改变力的方向，即F1=G；B中的滑轮是动滑轮，使用动滑轮能省一半力，即F2=G；使用滑轮组时，物重由几段绳子承担，加在绳端的力就是物重的几分之一，所以在C选项中，F3=G；在D选项中，F4=G。故选D。
答案：D
探究点五　轮轴和斜面
指导学生阅读教材第83页科学世界“轮轴和斜面”内容，并完成下列任务。
1.指出教材图12.2-5中各个轮轴的“轮”和“轴”，轮轴是省力机械还是费力机械？
教师引导：轮轴在生活中的应用非常广泛，例如：自行车脚踏板与轮盘、自行车把、门把手、方向盘、自来水龙头的扭柄、螺丝刀等都是轮轴。如果动力作用在轮上，阻力作用在轴上，轮半径大于轴半径，这时轮轴就是一种省力机械。
2.找一张三角形的纸，按照教材图12.2-6那样，模拟一个盘山公路的形状。然后回答下列问题：
（1）盘山公路属于什么简单机械？汽车沿盘山公路爬行的路程比直通山顶的路程长了还是短了？
（2）斜面是省力机械还是费力机械？
教师引导：盘山公路属于斜面，汽车沿盘山公路爬行的路程要比直通山顶的路程长，所以使用斜面的好处是可以省力，斜面属于省力机械。
例题讲解：（学生先练习，若有问题，教师补充讲解）
例5　指出图中所列工具分别属于哪种简单机械，剪刀：________；扳手：________；钻头：________。
　　
解析：剪刀可绕着固定点转动，因此可看成是杠杆；扳手工作时末端和前端都绕着一个共同的轴线运动，因此可看作轮轴；钻头可看成是斜面的变形。
答案：杠杆　轮轴（答“连续转动的杠杆”也可）　斜面
课堂小结
本节课我们主要学习了：
1.定滑轮、定滑轮的实质及特点；
2.动滑轮、动滑轮的实质及特点；
3.滑轮组、滑轮组的特点及省力情况；
4.轮轴、斜面等其他简单机械。
为检验一下学习效果，请同学们完成下列“当堂达标”测试题。
当堂达标（见导学案“当堂达标”）
布置作业
教材第84页“动手动脑学物理”第1至4题。
板书设计
一、定滑轮和动滑轮 1.定滑轮：轴固定不动的滑轮。 2.动滑轮：轴随物体一起移动的滑轮。 　　 定滑轮　　动滑轮 二、定滑轮和动滑轮的特点 1.定滑轮的特点：使用定滑轮不省力，但可以改变力的方向。 2.动滑轮的特点：使用动滑轮可以省力，但不改变力的方向，且费距离。 三、滑轮组 1.在实际应用中，定滑轮和动滑轮组合在一起，构成滑轮组。 2.用滑轮组提起重物时，动滑轮上有几段绳子承担物重，提起物体的力就是物重的几分之一。 四、轮轴和斜面 1.轮轴是一种简单机械，例如：方向盘、自行车把、螺丝刀等。 2.斜面属于省力机械，例如：盘山公路。
参考答案（习题见导学案）
针对练习
1.乙　 10 解析：图甲是定滑轮，实质是等臂杠杆，不能省力但可以改变力的方向，所以F1=G=
10 N，图乙是动滑轮，实质是动力臂为阻力臂二倍的杠杆，省一半力，但不能改变力的方向。
2. 400　210　解析：图甲中使用的是两个定滑轮，忽略绳子的重力以及滑轮与绳子的摩擦。车对绳子的拉力F甲=G=400 N；图乙中使用的是一动一定的滑轮组，n=2，忽略绳子的重力以及滑轮与绳子的摩擦，人对绳子的拉力F乙=（G+G动）=×（400 N+20 N）=210 N。
3.BD　解析：使用轮轴时，动力作用在轮上，动力臂大于阻力臂，省了力，但必定费距离。生活中使用的螺丝刀和扳手都是轮轴。螺丝刀的把是轮，杆是轴；扳手手柄部分是轮，螺母部分是轴。使用斜面时，根据力与距离的关系，斜面越陡越费力；盘山公路增加了斜面长度，从而更省力。
当堂达标
1.D　解析：由题图可知，图中滑轮是定滑轮，定滑轮不省力，因为物体A匀速运动，所以F1、F2、F3都与物体A受到的摩擦力相等，所以三种拉法所用拉力一样大。故选D。
2.A　解析：动滑轮的实质是动力臂是阻力臂二倍的杠杆，可省一半的力，但不能改变力的方向。
3.B　解析：如题图所示，使用杠杆时，动力臂等于阻力臂，根据杠杆平衡条件，则F1=G；使用滑轮组时，承担物重的绳子有3段，n=3，不计机械自重和摩擦，则F2=；使用动滑轮时，每段绳子向下的拉力都等于G，不计机械自重和摩擦，则F3=2G；使用斜面时，假设斜面高度是h，长度是L，不计摩擦，则有F4L=Gh，因为直角三角形中，30°角对应的直角边是斜边的一半，即L=2h，所以F4=。综上所述，F24. C　解析：车对地面的压力与车的重力是作用在不同物体上的两个力，所以不是一对平衡力，故A错误；车拉滑轮组的力与滑轮组对车的拉力是作用在不同物体上的两个力，所以不是一对平衡力，而是一对相互作用力，故B错误；由题图可知，n=2，不计绳重和摩擦，则绳子自由端的拉力 F==×2 400 N=
1 200 N，因为绳重和摩擦必然存在，所以绳索自由端的力F至少为1 200 N，故C正确，D错误。
5. B　解析：定滑轮能改变力的方向，但不能改变力的大小，A错误；动滑轮的实质是一个能省一半力的省力杠杆，B正确；有两段绳子吊着动滑轮，绳端移动距离是桶上升距离的2倍，若桶上升
2 m，则绳子自由端下拉4 m，C错误；150 kg砂石的重力G=150 kg×10 N/kg=1 500 N，不考虑动滑轮重，则绳子自由端需要的拉力F==750 N，人的最大拉力F'=G'=65 kg×10 N/kg=650 N，F'6. 2　150　解析：如图所示，甲树和绳子可看作一个动滑轮装置，所以有2段绳子拉甲树；如果甲树受300 N拉力，则小谦对绳子的拉力至少为F小谦===150 N。
　
7.如图所示　解析：动滑轮的重力为G动=mg=2 kg×10 N/kg=20 N
已知绳子能承受的最大拉力为50 N，当绳子承担物重的段数为3时，则能够提升物体的最大重力为
Gmax=3F-G动=3×50 N-20 N=130 N
当绳子承担物重的段数为2时，则能够提升物体的最大重力为
=2F-G动=2×50 N-20 N=80 N
物体重100 N，大于80 N，小于130 N，所以滑轮组上绳子承担物重的段数为3，起点从动滑轮的挂钩开始，绳子末端的拉力向上。
教学反思
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