定滑輪和動(dòng)滑輪

一、認(rèn)識(shí)定滑輪和動(dòng)滑輪

如圖1，周邊有槽能繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的輪子叫滑輪，輪上的凹槽用來(lái)繞繩并防其脫滑，連著外殼的掛鉤用來(lái)掛重物或滑輪自身.重物升降時(shí)滑輪位置固定不動(dòng)，這樣的滑輪叫定滑輪；重物升降時(shí)滑輪隨重物一起升降，這樣的滑輪叫動(dòng)滑輪.

例1 圖2是家庭手搖升降晾衣架的結(jié)構(gòu)圖，順時(shí)針搖動(dòng)手柄，掛衣架的橫梁就上升，逆時(shí)針搖動(dòng)時(shí)就下降.請(qǐng)你指出裝置中的 滑輪屬于定滑輪， 滑輪屬于動(dòng)滑輪（填表示滑輪的字母）.

解析 判定滑輪類別，可看掛鉤的作用，也可看重物運(yùn)動(dòng)時(shí)滑輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài).A、B、C、D四個(gè)滑輪被掛鉤向上掛著，在衣架升降時(shí)它們位置不動(dòng)，屬于定滑輪；E、F兩個(gè)滑輪掛鉤下面掛著橫梁，在衣架升降時(shí)它們也隨之升降，屬于動(dòng)滑輪.

二、定滑輪和動(dòng)滑輪的原理

滑輪因用法不同，發(fā)揮著不同的作用，可以利用杠桿知識(shí)解釋其中的道理.圖3的滑輪是定滑輪，它的輪是個(gè)圓形杠桿，用這樣的杠桿提升重物，輪的位置不會(huì)移動(dòng)，但輪能繞著軸心轉(zhuǎn)動(dòng)，軸心是圓形杠桿的支點(diǎn).機(jī)械工作時(shí)輪受到支點(diǎn)左邊和右邊一對(duì)力的作用，右邊繩子自由端的拉力F1是動(dòng)力，左邊重物端繩子的拉力F2是阻力.勻速提升重物時(shí)，這兩個(gè)力使杠桿平衡.作出動(dòng)力F1的力臂l1和阻力F2的力臂l2，比較兩個(gè)力臂的長(zhǎng)度，l1和l2都等于輪的半徑.根據(jù)杠桿原理：F1·l1=F2·l2，得F1

=F2，因此定滑輪的實(shí)質(zhì)是等臂杠桿，利用它不能省力，但改變了繩子自由端拉動(dòng)方向，也就是說(shuō)利用定滑輪能改變作用力的方向.

例2 圖4中的物體重G，繩自由端的拉力F，物體提升的高度為h，繩自由端移動(dòng)的距離s，請(qǐng)比較G和F、s和h的大小.

（1）F G（選填“＞”“＜”或“=”），使用定滑輪 （選填“能”或“不能”）省力；

（2）s h（選填“＞”“＜”或“=”），使用定滑輪 （選填“能”或“不能”）省距離；

（3）改變拉力的方向，拉力F的大小

（選填“增大”“減小”或“不變”），這是因?yàn)?.

解析 使用定滑輪不能省力，F(xiàn)=G；利用定滑輪提升重物，繩會(huì)隨物體一起升降，自由端移動(dòng)的距離s=h.繩自由端向不同方向拉動(dòng)提升重物，拉力大小不變，因?yàn)槎ɑ喌膶?shí)質(zhì)是等臂杠桿.

圖5中的滑輪是動(dòng)滑輪.提升重物時(shí)動(dòng)滑輪不像定滑輪繞著輪的軸心轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)滑輪的支點(diǎn)位置不在輪的軸心上，而是在繩的固定端所在直線與輪相切的邊緣O處.動(dòng)滑輪工作時(shí)，繩子自由端豎直向上的拉力F1是動(dòng)力，重物對(duì)滑輪豎直向下的拉力F2是阻力，動(dòng)力F1和阻力F2在支點(diǎn)的同側(cè).按圖中方法作出動(dòng)力臂l1和阻力臂l2，比較l1和l2的長(zhǎng)度，動(dòng)力臂l1等于輪的直徑，阻力臂l2等于輪的半徑，動(dòng)滑輪的實(shí)質(zhì)是動(dòng)力臂為阻力臂2倍的杠桿.根據(jù)杠桿原理得：F1=■G，省一半力.提升重物時(shí)重物、動(dòng)滑輪、繩子自由端運(yùn)動(dòng)的方向一致，所以利用動(dòng)滑輪不能改變作用力的方向.利用動(dòng)滑輪提升重物，物體被提升的高度為h，動(dòng)滑輪也要被提升h，左右兩邊繩子提升的高度也都為h，所以繩子自由端移動(dòng)的距離就是2h.

例3 圖6裝置中物重G=100N，請(qǐng)根據(jù)機(jī)械工作情況回答下列問(wèn)題（不計(jì)輪重）：

（1）繩子自由端的拉力F= N.

（2）如果重物5s內(nèi)被提升的高度h

=50cm，繩子自由端移動(dòng)的距離s= cm，繩子自由端移動(dòng)的速度v= m／s.

解析 利用動(dòng)滑輪能省一半力，所以F=■G=50N；繩子自由端移動(dòng)距離是重物提升高度的2倍，s=2h=100cm；繩自由端移動(dòng)的速度v=■=■=0.2m／s.

三、了解受力情況，加深對(duì)定滑輪和動(dòng)滑輪的認(rèn)識(shí)

定滑輪和動(dòng)滑輪都是用一根繩子繞制，在不考慮繩重及摩擦?xí)r，不管繩子多長(zhǎng)，也不管繞繩的方向，正確繞制時(shí)繩上各處的拉力都是相等的.圖3中，物重為G，勻速提起物體時(shí)，繩對(duì)重物的作用力就等于G，所以不管向何方拉繩，定滑輪繩子自由端的拉力F都等于G.圖5中，滑輪下面掛著物體，重量由繩子的左右兩段承擔(dān)，兩段繩子向上的作用力是相等的，所以在不考慮摩擦、滑輪重和繩重的情況下2F=G，F(xiàn)=■G.

例4 圖7裝置處于平衡狀態(tài)，若滑輪重、繩重及摩擦均忽略不計(jì)，則G1與G2之比為（ ）.

A.1∶1 B.2∶1 C.1∶2 D.1∶3

解析 根據(jù)掛鉤情況可知，左邊的滑輪是動(dòng)滑輪，右邊的滑輪是定滑輪.裝置處于平衡狀態(tài).在此前提下，能用杠桿平衡原理解釋它們的受力情況，依據(jù)一根繩子上的作用力相等，則每段繩子上受到的拉力都等于F，對(duì)于左邊的動(dòng)滑輪有：G1=2F，對(duì)于右邊的定滑輪有：F=G2，所以G1：G2=2:1，答案選B.

滑輪在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中受到的摩擦力較小，繞滑輪的繩子常用細(xì)棉線，因此一般情況不考慮繩重及摩擦對(duì)拉力的影響；但是滑輪本身的重量可能會(huì)影響拉力的大小，在探究過(guò)程中應(yīng)有所認(rèn)識(shí)，這方面的影響對(duì)于定滑輪和動(dòng)滑輪來(lái)說(shuō)又有所不同.用定滑輪提升物體，滑輪的重量不要繩子承擔(dān)，整個(gè)裝置向下的作用力由掛鉤承擔(dān)，所以繩子自由端的拉力F=G.用動(dòng)滑輪提升物體，整個(gè)裝置的重量由繩子的左右兩段承擔(dān)，繩子不僅要承擔(dān)物重還要承擔(dān)滑輪重，在不考慮繩重的情況下，整個(gè)裝置的重量等于G+G輪，所以繩子自由端的拉力F=■（G+G輪）.

例5 圖8裝置中，物體被勻速提升，如彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)為5N，在不計(jì)繩重、滑輪重及摩擦的情況下，繩子自由端的拉力F= N，被提升的物體重量G= N；如不計(jì)繩重及摩擦，但測(cè)出滑輪重G輪=2N，則被提升的物重G= N.

解析 在不計(jì)繩重及摩擦的情況下，一根繩上的拉力相等，繩子自由端的拉力F等于彈簧測(cè)力計(jì)的拉力，F(xiàn)=5N，使用動(dòng)滑輪不考慮繩重、滑輪重及摩擦?xí)rF=■G，G=10N，考慮滑輪重時(shí)，F(xiàn)=■（G+G輪），G

=6N.