第11讲 滑轮 轮轴 斜面 新版初中物理竞赛补充基础版讲练

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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F1∙R=F2∙r。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=2πR，阻力通过的距离S2=2πR。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，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，G∙H=F∙L，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11-12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                                    。 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，FA为______N，FB为________N。  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  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受到的滑动摩擦力。 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  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？ 11.3.7   轮轴知识的应用例7  辘轳摇把到轴线的距离是50cm，轴半径是10cm，若把240N的水桶从井中匀速提起，应在摇把上加多大的力？如果井深6m，那么手摇摇把移动了多少距离？  11.3.8  斜面的基础知识例8  要把一重为100N的物体沿光滑的斜面匀速提高到3m的高度，问：（1）若斜面长为5m，沿斜面的拉力为________N（2）若斜面长为6m，沿斜面的拉力为________N    A  卷定滑轮和动滑轮在构造上是相同的，只是在使用中，___________________的滑轮叫定滑轮，__________________的滑轮叫动滑轮。升国旗时旗杆的顶端常使用___________滑轮，它的好处是___________________。建筑工地的塔吊（起重机）的下端使用__________滑轮，它的好处是_______________。定滑轮实质是一个_________杠杆，使用定滑轮时不能__________，但能__________。动滑轮实质是一个动力臂是阻力臂_________________的杠杆，使用动滑轮时能省___________力，但费_____________。某同学研究动滑轮的使用特点，他每次都匀速提起钩码，如图11-21所示，弹簧测力计同时显示了钩码在各种情况下受到的拉力。请根据实验现象及相关条件，归纳得出以下初步结论：（1）          由图（a）、（b），可知______________________________________________；（2）          由图（b）、图（c）和图（d），可知__________________________________。     动滑轮下面挂一个20kg的物体A，如图11-22所示，挂物体的绳子承受___________N的力，挂绳子的天花板承受__________________N的力（动滑轮重量不计）。与滑轮等工具相似，使用轮轴可以省力，但动力要多移动距离。轮轴的有关动力的计算公式为___________________________。与杠杆相似，斜面中动力的计算方法为斜面长是斜面高的几倍，动力就是物重的___________________。公式表达式为_________________。某人沿着长10m、高1m的光滑斜面，把重为1500N的重物拉到车上去，则某人用的拉力至少是___________N。关于升旗时旗杆顶上的滑轮，其作用叙述正确的是（       ）省力杠杆，可以改变力的作用方向费力杠杆，可以改变力的作用方向等臂杠杆，可以改变力的作用方向以上说法都正确使用如图11-23所示的装置提起重物G，分别施加力F1或F2或F3，则（       ）F1最大F2最大F3最大三者一样大如图11-24所示，将同一物体分别沿光滑斜面AB、AC以相同速度匀速拉到顶点A，施加的力分别为F1和F2，则（       ）F1<F2F1>F2F1=F2无法确定  如图11-25所示，用滑轮匀速拉动物体A，若在绳端分别以三个不同方向的力拉动，则在F1、F2、F3中，（       ）F1最大F2最大F3最大一样大如图11-26所示，在水平力F的作用下，重100N的物体在水平面上做匀速直线运动，如果物体与地面间摩擦力为10N，滑轮重力和绳子摩擦不计，那么拉力F为（       ）5N10N55N110N如图11-27所示的甲乙两个装置，已知物体G在地面上滑动时所受的摩擦力均为40N（不考虑绳与滑轮的摩擦）。要使G向右匀速滑动，拉力F甲与F乙的大小分别为（       ）40N，20N20N，40N40N，40N20N，20N如图11-28所示，动滑轮重0.5N，物体G重3.5N，当OA=2OB时，为使轻质杠杆AB保持水平平衡，在A端所加最小的力应为（不计摩擦）（       ）4N2N1N0.5N螺丝刀也是一种轮轴，用小螺丝刀无法旋转螺丝时，换用粗柄的大螺丝刀就行了，这是因为（       ）用大螺丝刀动力大些用大螺丝刀所受的阻力小些用大螺丝刀阻力臂小些用大螺丝刀动力臂大些，使动力与动力臂的乘积大于阻力与阻力臂的乘积一名体重为500N的举重运动员，他最多能举起1200N的物体。这个人站在地面上，利用图11-29所示装置来提升重物，那么，在给定的以下四个物体中，他所能提起最重的物体是（       ）500N900N1200N2000N如图11-30所示，物体A的质量为1kg，在拉力F的作用下匀速向上运动，若不计摩擦及轮重，在8s内绳子的自由端移动4m，求：（1）拉力F的大小；（2）物体移动的速度。 如图11-31所示，使用轮半径是轴半径4倍的轮轴匀速吊起浸没在水中的铁块，铁块的体积为5dm3­­­­，其重力为382.2N，所受浮力为49N。问：当铁块未露出水面时，作用在轮上的力F至少为多大？（铁的密度为7800kg/m3）        用长5m、高1m的斜面，把重100N的物体匀速推到车上去，如果所用推力是32N，问：斜面对物体的摩擦阻力是多少牛？     如图11-32所示，不计动滑轮的质量及转动摩擦，当竖直向上的力F=10N时，恰能使重物G匀速上升，则重物重力为多少牛？绳固定端拉力为多少牛？重物上升10cm，力F向上移动多少厘米？         B  卷如图11-33所示，A、B是两个弹簧测力计，物体重10N，现用竖直向上的力F拉着弹簧测力计A，使整个装置静止不动，若不计滑轮重力，则弹簧测力计A的示数为__________N，弹簧测力计B的示数为____________N。如图11-34所示，整个装置处于静止状态，已知滑轮重1N，B物体重8N，弹簧测力计的示数为10N，则A物重为___________N，B物对水平地面的压力为___________N。如图11-35所示的滑轮装置示意图中，物体的重力均为40N，当物体在水平地面上做匀速直线运动时，受到水平面的摩擦力的大小为10N，则F1=_______N，F2=_______N，F3=_______N。图11-36是某轮轴的截面图，轴的直径是10cm，动力F的作用点A到 轴心O的距离为20cm。若不计摩擦，用__________N的力可以提起400N的重物。如摇柄转动一圈，可将重物提升____________cm。 如图11-37所示的滑轮组，物体放在水平地面上。不计拉线质量及滑轮转动摩擦。重物G=200N，每一个滑轮重20N。当绳自由端拉力F竖直向上大小为30N时，重物G对地面的压力为___________N。拉力F为___________N时，恰能让重物G匀速上升。若重物G能以0.1m/s的速度匀速上升，则绳自由端向上运动速度为____________m/s。盘山公路总是筑得盘旋曲折，因为（       ）A. 盘山公路盘旋曲折会延长爬坡的距离，根据斜面的原理，斜面越长越省功                                       B. 盘山公路盘旋曲折显得雄伟壮观C. 盘山公路盘旋曲折会延长爬坡长度，斜面的原理告诉我们，高度一定，斜面越长越省力 D. 盘山公路盘旋曲折是为了减小坡度，增加车辆的稳度使用轮轴时，下面说法中错误的是（       ） 轮轴只能省力一半动力作用在轮上可以省力动力作用在轴上不能省力使用轮半径与轴半径之比为2：1的轮轴时，可以省力一半（动力作用在轮上）要利用简单机械把一大桶油用人工的方法从地面运到汽车上，最简单的方法是（       ）轮轴斜面杠杆滑轮使用图11-38所示的装置来提升物体时，既能省力又能改变力的方向的装置是（       ）F1最小F2最小F3最小一样大使用如图11-39所示的装置来提升物体时，既能省力又能改变力的方向的装置是（    ）       用如图11-40所示的滑轮组提升物体，已知物体重200N，物体匀速上升1m，不计滑轮组重及摩擦，则（       ）拉力为80N拉力为40N绳的自由端拉出4m绳的自由端拉出1m用“一动、一定”组成的滑轮组来匀速提升重物时，所需要的力与不使用滑轮组直接提升重物时相比较，最多可省（       ）1/3的力1/2的力2/3的力3/4的力如图11-41所示，由两定两动滑轮组成的滑轮组，（a）中绳子的固定端系在定滑轮上，（b）中绳子的固定端系在动滑轮上，当用它们分别提起同样重的物体时，如果不计摩擦和滑轮自重，则所用的拉力（         ）F1>F2F1=F2F1<F2无法确定某人体重为600N，他想坐在吊篮里用滑轮组匀速拉上去，如图11-42所示，已知吊篮和动滑轮共重240N，则他所用的拉力为（         ）280N420N600N240N          如图11-43所示的等差滑轮装置，不计滑轮重力及绳与轮间摩擦的情况下，装置处于静止状态，则F与G的关系为（         ）F=G/3F=G/4F=G/6F=G/7如图11-44所示的等差滑轮装置，不计滑轮重力及绳与轮间摩擦的情况下，装置处于静止状态，则F与G的关系为（         ）F=G/3F=G/4F=G/6F=G/7如图11-45所示是用一个定滑轮和一个动滑轮组成的滑轮组，用这个滑轮组提升重为300N的重物（忽略滑轮组和绳子重及摩擦）。（1）          在图（a）上画出当动力F=150N时绳子的绕法；（2）          在图（b）上画出当动力F=100N时绳子的绕法。 如图11-46所示的装置，滑轮A重40N，滑轮B、C各重20N，重物G=200N。求：不计拉线质量及滑轮转动摩擦的影响，绳自由端在力F作用下，恰能以60m/s向下运动，则力F的大小是多少？重物G在1min内能上升多少距离？（绳子足够长）        如图11-47所示，将绳子的一段拴在光滑斜面的顶端，使绳绕过圆木，用手拉住绳子的另一端，将圆木拉上斜面。已知圆木的质量为20kg，斜面长4m，高1m，不计摩擦，求手的拉力。      人站在地面上利用滑轮组提16000N的重物，该绳最多能承受5000N的拉力，请设计一个滑轮组，画出安装示意图。若人站在高处向上提起重物，又该用怎样的滑轮组？（要求滑轮个数最少，动滑轮重和摩擦忽略不计）