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第3节 滑 轮
第十二章 简单机械
知识点
定滑轮和动滑轮
知1－讲
感悟新知
1
1. 滑轮
(1)定义：如图1 所示，周边有槽、能绕轴自由转动的轮子。
知1－讲
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方法点拨
化静为动判断滑轮种类：
为了确定滑轮的种类，需要假设滑轮正在被使用，然后根据其轴是否随物体一起运动，判断滑轮的种类。
知1－讲
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(2)分类
①定滑轮：如图2 甲所示，使用时，其轴固定不动的滑轮。
②动滑轮：如图2 乙所示，使用时，其轴随物体一起运动的滑轮。
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2. 研究定滑轮的特点
(1)实验装置及研究过程：图3 乙中相邻两线之间的间距均为h。
知1－讲
感悟新知
① 如图3 甲所示，将一个钩码挂在弹簧测力计下，
读出弹簧测力计示数(钩码的重力)。
② 如图乙所示，通过定滑轮匀速竖直向上提升同样的钩码，读出弹簧测力计的示数，记录钩码上拉力的作用点和绳子自由端拉力的作用点移动的
方向和距离。
③改变钩码个数，重复①②步骤。
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(2)数据记录
实验 序号 提升钩码的拉力F′ 绳子自由端的拉力F 大小 方向 作用点移动距离 大小 方向 作用点移动距离
1 1 N 竖直向上 h 1 N 竖直向下 h
2 2 N 竖直向上 2h 2 N 竖直向下 2h
3 3 N 竖直向上 1.5h 3 N 竖直向下 1.5h
知1－讲
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(3)实验结论
①使用定滑轮不省力：使用定滑轮时的拉力，与直接提升物体的拉力的大小相等。
②使用定滑轮不省距离：使用定滑轮时拉力的作用点移动的距离，与直接提升物体时拉力的作用点移动的距离相等。
③使用定滑轮可以改变力的方向：使用定滑轮时拉力的方向，与直接提升物体时拉力的方向不同。
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思路点拨
确定研究对象：
直接提升物体时，拉力为F′，用定滑轮提升物体时，拉力为F。我们研究的是使用定滑轮时拉力F 和不使用定滑轮时拉力F′的关系。
确定研究对象后，结合力的三要素，研究两者之间关系。
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拓展延伸
定滑轮特点的应用：
在探究共线力的合成、二力平衡的条件时，通过定滑轮，把物体向下的重力转化为水平方向的拉力，改变了力的方向。
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3. 研究动滑轮的特点
(1)实验装置及研究过程：图4 乙中相邻两线之间的间隔均为h。
知1－讲
感悟新知
① 如图4 甲所示，将一个钩码挂在弹簧测力计下，读出弹簧测力计示数(钩码的重力)。
② 如图乙所示，通过动滑轮匀速竖直向上提升同样的钩码，读出弹簧测力计的示数，记录钩码上拉力的作用点和绳子自由端拉力的作用点移动的方向和距离。
③改变钩码个数，重复①②步骤。
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(2)数据记录
实验 序号 提升钩码的拉力F′ 绳子自由端的拉力F 大小 方向 作用点移动距离 大小 方向 作用点移动距离
1 1 N 竖直向上 h 0.6 N 竖直向下 2h
2 2 N 竖直向上 2h 1.1 N 竖直向下 4h
3 3 N 竖直向上 1.5h 1.6N 竖直向下 3h
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(3)实验结论
①使用动滑轮可以省力：不计滑轮重、绳重及摩擦的情况下，使用动滑轮时的拉力，等于直接提升物体的拉力的一半。
② 使用动滑轮费距离：使用动滑轮时拉力的作用点移动距离等于直接提升物体时拉力的作用点移动距离的两倍。
③ 使用动滑轮不能改变力的方向：使用动滑轮时拉力的方向，与直接提升物体时拉力的方向相同。
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规律总结
使用动滑轮能够省力的前提条件：
(1) 滑轮重、绳重及各种摩擦力都较小。
(2) 拉力方向与物体移动方向平行。如果动滑轮的重力很大或拉力方向与物体移动方向夹角很大，使用动滑轮有可能费力。
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4. 滑轮的实质
(1)定滑轮的实质(图6)
l1 与l2 是定滑轮对应圆的半径→ l1=l2 → 定滑轮是等臂杠杆。
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(2)动滑轮的实质(图7)
l1、l2 分别为动滑轮对应圆的直径和半径→ l1=2l2 →动滑轮相当于动力臂是阻力臂二倍的省力杠杆。
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知识链接
(1)不计摩擦、滑轮的自重和绳重，
使用动滑轮时拉力F=G物。
(2)不计摩擦、绳重，考虑动滑轮的重力，通过整体法受力分析得到，使用动滑轮时拉力F=(G物+G动)。
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思想方法
建构模型探究定滑轮工作的实质：
忽略定滑轮的形状等因素，抓住定滑轮在力的作用下，绕固定点O 转动的特点，确定定滑轮的实质是杠杆。
在确定杠杆的动力臂和阻力臂大小的基础上，结合杠杆的平衡条件，判断定滑轮所属的杠杆种类，从而确定定滑轮的工作实质。
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知1－练
[扬州期末]工人用相同的轻质滑轮以图9
甲、乙所示的两种方式把同一重物竖直
匀速提升相同高度，忽略绳重、摩擦和
空气阻力，则下列说法正确的是( )
A. 图甲中滑轮为动滑轮
B. 图甲中工人所用拉力小于图乙中工人所用拉力
C. 图甲中绳端移动距离比图乙中绳端移动距离小
D. 图甲中没有改变用力的方向
例 1
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知1－练
解题秘方：根据两种滑轮的定义和特点采用假设法和特殊值法进行解答。
解析：假设滑轮正在被使用，化静为动判断其轴是否随重物一起运动，图甲中滑轮的轴固定不动，为定滑轮，故A错误；
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本题中“轻质滑轮”的含义是滑轮的重力远小于重物重力，可忽略不计；采用特殊值法，设G物=1 0 N，则F甲=G物=10 N，F乙=G物==5 N，因此B 错误；设重物上升高度h=1 m ，则s 甲=h=1 m ，s 乙=2h=2 m ，因此C 正确；图甲中改变了用力的方向，因此D 错误。
答案：C
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知1－练
1. 某同学探究动滑轮的特点，进行了正确操作后，将得到的数据记录在表格中，分析数据后发现，实验结果与“使用动滑轮能省一半力”的结论不符，面对这一事实，
实验次数 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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知1－练
下列做法最不可取的是( )
A. 实验失败，停止实验
B. 查阅资料，了解结论的适用条件
C. 改进实验条件，重新实验
D. 与同学分析可能的原因
A
知识点
滑轮组
知2－讲
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2
分析思考(图10)
知2－讲
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1. 滑轮组 定滑轮和动滑轮组合在一起的装置。
2. 滑轮组的工作特点
(1)滑轮组的省力特点
知2－讲
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①如图11 ，用滑轮组竖直提升物体(忽略绳重及摩擦)
结论：用滑轮组竖直提升物体时，忽略绳重及摩擦，若与动滑轮相连的绳子有n 股，则nF=G物+G动→ F= (G物+G动)。
知2－讲
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②如图12 ，用滑轮组水平拉动物体(忽略绳重及摩擦)
结论：用滑轮组水平拉动物体时，忽略绳重及绳与滑轮间
的摩擦，若与动滑轮相连的绳子有n 股，则nF=f → F=f。
知2－讲
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(2)滑轮组的费距离特点：无论是竖直提升物体，还是水平拉动物体，绳子自由端移动的距离s 都是物体移动距离的n 倍(n 为与动滑轮相连的绳子股数)。
①竖直提升物体时，s=nh；
②水平拉动物体时，s=ns物。
知2－讲
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深度思考 使用滑轮组提升物体时，施力的方向是否一定改变？
深度理解
由图13可知，滑轮组可以改变施力的方向，也可以不改变施力的方向。
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思维方法
(1)运用组合思维集中定、动滑轮优点组合成滑轮组。组合思维是指把多项貌似不相关的事物通过想象加以连接，从而使之变成彼此不可分割的新的整体的一种思考方式。
(2)在明白用滑轮组竖直提升物体时的工作特点的基础上，运用迁移思维理解用滑轮组水平拉动物体时的工作特点。
知2－讲
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物理方法
(1)用整体法受力分析研究滑轮组的省力特点。
(2)隔离法求n：如图13所示，在定滑轮和动滑轮之间画一条虚线，将动滑轮和定滑轮隔离开，与动滑轮相连的绳子股数就是承担物重和滑轮重的绳子股数n。
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知2－练
请在图14 中用笔画线代替绳子，画出提升重物时最省力的绕绳方法。
例2
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知2－练
解题秘方：利用尝试法设计最省力的绕法：
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知2－练
解析：一根绳子有两端，一端为固定端、一端为自由端；
在组装滑轮组时，固定端固定在滑轮的挂钩上，自由端标注箭头及力的符号F；另外绳子必须绕紧，且不能重复绕绳。当固定端固定在动滑轮的挂钩上时，绕绳方式如图15甲，有三股绳子与动滑轮相连；当固定端固定在定滑轮的挂钩上时，绕绳方式如图乙，有四股绳子与动滑轮相连。综上，图乙绕法最省力。
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知2－练
解：如图15 乙所示。
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知2－练
2.[上海普陀区期末]如图是利用滑轮组帮助汽车脱困的情景，请画出使用该滑轮组时最省力的绳子绕法。
解：如图所示。
知识点
轮轴与斜面
知3－讲
感悟新知
3
1. 轮轴
(1)定义：由具有共同转动轴的大轮和小轮组成的简单机械，如图16甲所示(通常把大轮叫轮，小轮叫轴)。
知3－讲
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(2)实质：轮轴可以看成一个可连续转动的杠杆，支点在轮轴的轴线上，如图乙所示，设轮半径为R，轴半径为r。
知3－讲
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(3)公式：F1R=F2r 或=，即轮半径是轴半径的几倍，则作用在轮上的力就是作用在轴上的力的几分之一。
(4)特点：当动力作用在轮上，阻力作用在轴上时，由于R>r，此时轮轴能够省力，也可改变力的方向，但会费距离(如方向盘)。当动力作用在轴上，阻力作用在轮上时，由于r知3－讲
感悟新知
2. 斜面
(1)组成：如图丙所示，将木板搭在车厢上就构成了一个
斜面。
生活物理:
骑自行车上坡时走“S”形线路更容易上坡， 这是在重力G、坡高h一定的情况下，通过增加斜面的长l达到更省力的效果。
知3－讲
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(2)特点：如图丁所示，若不考虑斜面摩擦，则沿斜面向上的推力F= ，即斜面的长是斜面高的几倍，推力F就是物重G 的几分之一。
知3－讲
感悟新知
误区警示:
不要误认为使用轮轴一定会省力，要看动力是作用在轮上还是作用在轴上。
规律总结:
●杠杆、滑轮、轮轴和斜面都属于简单机械。
●凡是省力的机械都会费距离。既省力又省距离的机械是不存在的。
知3－讲
感悟新知
3 . 拓展
盘山公路相当于斜面。如图17 所示，汽车要从A 位置到达B 位置，由于A、B 间太陡车辆无法直接开上去，因此要沿盘山公路经过C、D 才能到达B 位置，这样做拉长了车的行驶距离l，又因为AB之间垂直
高度h 和车重G 一定，由公式F=知，车辆
上坡需要的牵引力更小(不考虑斜面摩擦)。
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知3－练
[立德树人传统文化苏州期末]如图18 甲是《天工开物》中记载的一种农业生产汲水装置—辘轳，图乙是它提水时的示意图，为方便
提水，应按照______(填
“省力”或“费力”)杠
杆来设计，支点是______
(填“A”“B ”或“C”) 点。
例 3
省力
B
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知3－练
解题秘方：根据实物建构模型，辘轳的实质是轮轴
(杠杆)。
解析：辘轳的实质是杠杆，动力作用在轮上C 点，阻力作用在轴上A 点，动力臂BC 大于阻力臂BA，根据F1R=F2r 可知可以省力；支点是杠杆绕着转动的固定点，即B 点。
感悟新知
知3－练
3. 生活中的许多现象都与我们所学的物理知识有关，小华发现，如图甲所示的水龙头很难徒手拧开，但将如图乙所示的钥匙安装并旋转后(如图丙所示)，水龙头就能正常出水，此钥匙相当于一个______(填“斜面” “ 滑轮” 或“ 轮轴” ) ，
属于______ (填“省力”
“费力” )机械。
轮轴
省力
滑 轮
改变力的方向
滑轮
定滑轮
动滑轮
滑轮组
省力

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