摘 要:對初中物理簡單機(jī)械教學(xué)中的有關(guān)同繩同力問題、滑輪組繩端拉力的計算公式F=(G+G)的適用性和滑輪組機(jī)械效率的影響因素提出了一些質(zhì)疑,并對這些質(zhì)疑進(jìn)行了詳細(xì)闡述和理論探討,為一線教師的教學(xué)和中考命題的嚴(yán)謹(jǐn)性提供新視角。
關(guān)鍵詞:簡單機(jī)械;滑輪組;機(jī)械效率
中圖分類號:G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1003-6148(2024)9-0066-4
簡單機(jī)械的內(nèi)容編排在人教版初中物理教材力學(xué)部分的最后一章,涉及前面所學(xué)的力和功的知識,具有很高的綜合性和一定的難度,教師在教學(xué)中應(yīng)保持嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。但在實際教學(xué)中,部分教師對其中的一些結(jié)論和前提條件沒有進(jìn)行嚴(yán)格的論證而直接使用,導(dǎo)致在教學(xué)中常常引發(fā)一些討論和質(zhì)疑。本文對這些質(zhì)疑進(jìn)行了探討,以期在初中物理簡單機(jī)械教學(xué)中提出新的觀點或修正現(xiàn)有結(jié)論,從而進(jìn)一步完善初中物理教學(xué)。
1 同一根張緊的繩子上的拉力一定處處相等嗎
在初中物理教學(xué)中,一些教師通常會默認(rèn)這樣一條結(jié)論:只要是同一根張緊的繩子其上的拉力就處處相等。但這個結(jié)論真的在任何情況下都成立嗎?在初中物理教學(xué)中有著不少的討論和質(zhì)疑,下面以兩個例子來加以說明。
例1 如圖1所示,一根豎直放置的張緊的繩子MN,以加速度a豎直向上運動,在繩中任取兩點A和B,并設(shè)AB段繩的質(zhì)量為Δm,FA和FB為AB段繩的兩端拉力。
根據(jù)牛頓第二定律,有
FA-FB-Δmg=Δma
即
FA-FB=Δm(a+g)
①若Δm=0,即繩本身的質(zhì)量可以忽略時,則FA=FB,也就是張緊的輕繩上的拉力處處相等。
②若Δm≠0,即繩本身的質(zhì)量不能忽略時,則FA≠FB,也就是張緊的重繩上的拉力各處不相等。
可見,同一根張緊的繩子上拉力處處相等是有條件的,其前提條件是不計繩的質(zhì)量,即輕繩。所以,嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼f法應(yīng)該是“同一根張緊的輕繩上的拉力處處相等”。比如,下面這道題就很好地注意了這一點,在題目中明確注明了“不計繩重”:圖2所示是甲、乙兩組拔河比賽的場景,不計繩重,下列說法錯誤的是( )
A.比賽時,選體重大的運動員,能增大對地面的壓力
B.比賽時,運動員身體后傾、兩腿彎曲,可以降低重心
C.比賽時,拉力較大的一組最終獲勝
D.比賽時,受到地面摩擦力較大的一組最終獲勝
例2 如圖3所示,用定滑輪勻速提升重為G的物體,不計繩重。為了分析方便,把該定滑輪的轉(zhuǎn)軸畫得很大。設(shè)其半徑為r,并設(shè)與定滑輪接觸的這段半圓形繩AB兩端的拉力分別為TA和TB。
現(xiàn)把定滑輪與繩AB看作一個整體,對這個整體進(jìn)行受力分析。這時繩與定滑輪間的摩擦力屬于整體內(nèi)力,不用考慮,整體受到自身的總重力和上面掛鉤的拉力,但因為這兩個力的方向都通過了定滑輪的支點,力臂為0,也不用考慮。整體還受到A端繩子向下的拉力TA和B端繩子向下的拉力TB,此刻滑輪在順時針勻速轉(zhuǎn)動。若滑輪轉(zhuǎn)軸處有摩擦,滑輪的內(nèi)表面就會受到一個阻礙它轉(zhuǎn)動的滑動摩擦力f,那么把這個滑動摩擦力集中畫在圖中的C點,方向水平向左,與轉(zhuǎn)動方向相反,如圖3所示。因為拉力TA和TB的力臂均為滑輪半徑R,而f的力臂為轉(zhuǎn)軸半徑r,所以根據(jù)杠桿平衡條件有
TAR=TBR+fr
①若r=0,即滑輪轉(zhuǎn)軸的半徑為零時,則TA=TB,也就是理想滑輪(r=0)時,同一根張緊的繩子上的拉力處處相等。
②若f=0,即不計滑輪與轉(zhuǎn)軸間的摩擦,則TA=TB,也就是不計滑輪與轉(zhuǎn)軸間的摩擦?xí)r,同一根張緊的繩子上的拉力處處相等。
③若r≠0,且f≠0,即滑輪不能看作理想滑輪,且滑輪與轉(zhuǎn)軸間有摩擦力時,則TA>TB。這就是在“研究定滑輪的特點”實驗中(圖4),測出的繩子自由端拉力F可能稍大于重物重力G的主要原因,以及在“研究動滑輪的特點”實驗中(圖5),測出的繩子自由端拉力F可能稍大于(G+G)的主要原因。
又因為繩子除了與滑輪接觸的部分外,還有未與滑輪接觸的部分,而未與滑輪接觸的部分繩子上的拉力要處處相等,就必須不計繩重才行。所以,結(jié)合例1和例2分析得出的結(jié)論可知,在滑輪中“同一根張緊的繩子上的拉力處處相等”的條件要更為苛刻一些,其前提條件應(yīng)是“不計繩重且是理想滑輪”,或“不計繩重且不計滑輪與轉(zhuǎn)軸間的摩擦”。但在初中階段,在沒有特別說明的情況下,一般可以默認(rèn)為不計繩重,且探討的是理想滑輪。所以,在平時的教學(xué)中才有教師不加甄別地默認(rèn)同一根張緊的繩子上的拉力處處相等,但這并不表示只要是同一根張緊的繩子上的拉力就一定處處相等。
在這里還要注意的是,滑輪問題中“同一根張緊的輕繩上拉力處處相等”的前提條件是“不計滑輪與轉(zhuǎn)軸間的摩擦”,而不是“不計繩與滑輪間的摩擦”。雖然在“不計繩與滑輪間的摩擦”的前提下,我們同樣可以根據(jù)牛頓第二定律推導(dǎo)出在滑輪中“同一根張緊的輕繩上的拉力處處相等”的結(jié)論。但是,如果“不計繩與滑輪間的摩擦”,繩子就會在滑輪上打滑,滑輪就會因為沒有受到繩的摩擦而保持靜止,不會轉(zhuǎn)動,這與實際不符,故繩與滑輪間的摩擦是不能忽略的。
2 滑輪組中公式F=(G+G)成立的前提條件是“不計繩重和繩與滑輪間的摩擦”嗎
在初中的教學(xué)中,一般認(rèn)為滑輪組中公式F=(G+G)成立的前提條件是“不計繩重和繩與滑輪間的摩擦”,這已經(jīng)形成一種默契,但事實真的是這樣嗎?
如圖6所示,用滑輪組勻速提升重為G的物體,設(shè)動滑輪的重力為G,繩子自由端的拉力為F。把物體、動滑輪和跟動滑輪接觸的這段半圓形繩AB看作一個整體,然后對這個整體進(jìn)行受力分析。因為這時繩與滑輪間的摩擦力屬于整體內(nèi)力,不用考慮。又因為若“不計繩重和滑輪與轉(zhuǎn)軸間的摩擦”,由上面的結(jié)論可知,在滑輪中“同一根張緊的繩子上的拉力處處相等”,所以這時整體就只受到自身的總重力G+G和上方三段繩子向上的拉力3F。因為整體處于平衡狀態(tài),所以受力平衡,即3F=G+G,故F=(G+G)。可見,要得到F=(G+G)這個表達(dá)式,只要滿足“不計繩重和滑輪與轉(zhuǎn)軸間的摩擦”即可,不需要“忽略繩與滑輪間的摩擦”,所以公式F=(G+G)成立的前提條件是“不計繩重和滑輪與轉(zhuǎn)軸間的摩擦”,而不需要“不計繩與滑輪間的摩擦”。而且,由上面例2的分析可知,在滑輪中“同一根張緊的繩子上的拉力處處相等”的前提條件也是“不計繩重和滑輪與轉(zhuǎn)軸間的摩擦”,而不需要“不計繩與滑輪間的摩擦”,可見二者的前提條件是統(tǒng)一的。
所以,在平時有關(guān)滑輪組和機(jī)械效率的教學(xué)和命題中,為了能夠應(yīng)用這兩個結(jié)論,就必須要在題目中明確注明“不計繩重和滑輪與轉(zhuǎn)軸間的摩擦”,而不需要注明“不計繩與滑輪間的摩擦”。但在實際的教學(xué)和命題中,仍然有人并不清楚這一點,在平時有關(guān)滑輪組或機(jī)械效率的命題中備注的附加條件都是“不計繩重和繩與滑輪間的摩擦”,而不是“不計繩重和滑輪與轉(zhuǎn)軸間的摩擦”,這顯然與物理學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度不符。
3 滑輪組的機(jī)械效率受繩與滑輪間摩擦的影響嗎
在滑輪組機(jī)械效率的教學(xué)中,普遍認(rèn)為滑輪組的機(jī)械效率受繩與滑輪間摩擦的影響,因為摩擦生熱會導(dǎo)致滑輪組的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,從而使得滑輪組的機(jī)械能損失,導(dǎo)致滑輪組機(jī)械效率降低。這種觀點看似有道理,實則不然。為了說明這個問題,不妨先來看一個摩擦力做功的例子。
如圖7所示,可視為質(zhì)點的滑塊A和足夠長的水平滑板B疊放在光滑的水平面上,處于靜止?fàn)顟B(tài),滑塊和滑板的質(zhì)量分別為m、M。設(shè)二者之間的動摩擦因數(shù)均為μ,現(xiàn)用水平力F拉動滑板,使滑板向右移動的位移為s,則:
①如果滑塊和滑板之間沒有相對運動,問滑塊和滑板所組成的系統(tǒng)增加的機(jī)械能跟外力F做的功的大小關(guān)系,系統(tǒng)是否有能量損失?摩擦力對滑塊做的功和摩擦力對滑板做的功的大小關(guān)系怎樣?
②如果滑塊和滑板之間存在相對運動,且相對運動的位移大小為Δs(Δs<s),問滑塊和滑板所組成的系統(tǒng)增加的機(jī)械能跟外力F做的功的大小關(guān)系,系統(tǒng)是否有能量損失?摩擦力對滑塊做的功和摩擦力對滑板做的功的大小關(guān)系怎樣?
①如果滑塊和滑板之間沒有相對運動,外力F所做的功為WF =Fs。由于沒有相對運動,所以可將滑塊與滑板視作一個整體,則
F=(M+m)a
v2-02=2as
故
Ek=(M+m)v2=(M+m)2as=(M+m)as=Fs=WF
可見,系統(tǒng)的動能增加量等于外力對系統(tǒng)所做的功,所以系統(tǒng)沒有能量損失。
在此過程中,設(shè)滑塊與滑板間的靜摩擦力大小為f,則滑塊A所受的靜摩擦力方向向右,其靜摩擦力做正功Wf =fs;而滑板B所受的靜摩擦力方向向左,其靜摩擦力做負(fù)功Wf′=-fs。則有
Wf +Wf′=fs+(-fs)=0
(下轉(zhuǎn)第71頁)
(上接第68頁)
由上式可知,系統(tǒng)內(nèi)一對互為相互作用力的靜摩擦力做功時,由于彼此的位移相同,使得這對靜摩擦力做功的代數(shù)和為零,不會造成系統(tǒng)能量的損失。因此,系統(tǒng)內(nèi)的靜摩擦力做功不會導(dǎo)致系統(tǒng)能量的損失,即沒有機(jī)械能通過摩擦力做功轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。
②如果滑塊和滑板之間存在相對運動,外力F所做的功為WF =Fs。由于存在相對位移,所以將滑塊和滑板分開考慮。在此過程中,設(shè)滑塊和滑板間的滑動摩擦力大小為f ′,那么根據(jù)動能定理,對于滑塊A,Ek1=f ′(s-Δs);對于滑板B,Ek2=(F-f ′)s。所以,系統(tǒng)機(jī)械能的增加量為
Ek1+Ek2=f ′(s-Δs)+(F-f ′)s=Fs-f ′Δs=WF - f ′Δs
故
WF =(Ek1+Ek2)+f ′Δs
可見,系統(tǒng)的動能增加量小于外力對系統(tǒng)所做的功,所以系統(tǒng)有能量損失。
為了能夠更清楚地知道能量的去向,我們也可以從摩擦力做功的角度去分析。因為滑動摩擦力對滑塊A做的功為WfA=f ′(s-Δs),滑動摩擦力對滑板B做的功為WfB=-f ′s,故有
WfA+WfB=f ′(s-Δs)+(-f ′s)=-f ′Δs
由上式可知,當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)一對互為相互作用力的滑動摩擦力做功時,由于彼此存在相對位移,使得這一對滑動摩擦力做功的代數(shù)和不為零。又因為相對位移方向與滑動摩擦力方向必然相反,所以對這一對摩擦力做功求和的結(jié)果必然為負(fù)數(shù),從而導(dǎo)致系統(tǒng)能量有損失,損失的機(jī)械能通過摩擦力做功轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。
綜上,系統(tǒng)內(nèi)的靜摩擦力做功時,系統(tǒng)的能量不損失,即沒有機(jī)械能通過摩擦力做功轉(zhuǎn)化為內(nèi)能;系統(tǒng)內(nèi)的滑動摩擦力做功時,系統(tǒng)的能量有損失,損失的機(jī)械能通過摩擦力做功轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。
再回到滑輪組中,因為滑輪組工作時繩與滑輪間的摩擦力屬于滑輪組系統(tǒng)內(nèi)的靜摩擦力,根據(jù)上述分析可知,這一對互為相互作用力的靜摩擦力做功不會導(dǎo)致滑輪組系統(tǒng)的機(jī)械能損失,也就是不會有機(jī)械能通過摩擦力做功轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,導(dǎo)致滑輪組機(jī)械效率的降低。但因為滑輪與轉(zhuǎn)軸間的摩擦力屬于系統(tǒng)內(nèi)的滑動摩擦力,所以滑輪與轉(zhuǎn)軸間的摩擦力做功必然會導(dǎo)致滑輪組系統(tǒng)的機(jī)械能損失,損失的機(jī)械能通過摩擦力做功轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,使得滑輪組機(jī)械效率降低??梢?,滑輪組的機(jī)械效率不受繩與滑輪間的摩擦力影響,而是受滑輪與轉(zhuǎn)軸間的摩擦力影響。
4 結(jié) 語
本文通過理性分析、合理求證,對平時教學(xué)中幾個常見認(rèn)識的質(zhì)疑進(jìn)行了理論探索,并提出了新的觀點,可為進(jìn)一步完善初中物理教學(xué)和中考命題的嚴(yán)謹(jǐn)性審查提供參考。
(欄目編輯 蔣小平)