第13講 滑輪（解析版）

第13講滑輪[知識目錄]模塊一：定滑輪 1模塊二：動滑輪 4模塊三：滑輪組 8【鞏固訓(xùn)練】 12[知識掌握]模塊一：定滑輪1.定義：中間的軸固定不動的滑輪。2.實質(zhì)：等臂杠桿。3.特點：（1）不省力（使用定滑輪提升重物G時，若不計繩重及摩擦，則繩子自由端所用的拉力F＝G）；（2）不省距離（使用定滑輪提升重物時，若重物被提升h，則繩子自由端移動的距離s＝h）；（3）能改變力的方向（不管沿哪個方向拉繩子，在不計繩重及摩擦?xí)r，拉力F＝G）。（2021秋?溫嶺市期中）如圖所示，健身員向下擺動腳踝使細繩拉著物體緩慢提升時，圖中的滑輪是（）A．定滑輪，可省力 B．動滑輪，可省力 C．定滑輪，可改變力的方向 D．動滑輪，可改變力的方向【解答】解：由圖知，圖中用的是定滑輪，可以改變力的方向，但不省力。所以ABD錯誤，C正確。故選：C。（2022秋?上城區(qū)校級期中）如圖所示，古代士兵常用定滑輪把護城河上的吊橋拉起。使用定滑輪可以改變動力方向（選填“省力”、“省距離”或“改變動力方向”）；吊橋可以看作杠桿，繩子對它的拉力是動力，吊橋的重力是阻力。在拉起吊橋的過程中，阻力臂大小變?。ㄟx填：“變大”、“變小”或“不變”）?！窘獯稹拷猓海?）圖中使用定滑輪的作用是改變動力的方向；（2）吊橋的重心在中點，重力的方向是豎直向下的，在吊起橋的過程中，從支點O到重力的作用線的距離變小，即阻力臂變小。故答案為：改變動力的方向；變小。（2023?海曙區(qū)校級一模）現(xiàn)有史籍中最早討論滑輪的是《墨經(jīng)》。書中將向上提舉重物的力稱為“挈”，將自由往下降落稱為“收”，將整個滑輪稱為“繩制”（圖1）?，F(xiàn)分別用甲、乙兩個力替代“收”（圖2），使重物在相同的時間內(nèi)勻速上升相同高度。不計繩重和摩擦，下列說法正確的是（）A．使用這個滑輪能省力 B．甲拉力大小等于乙拉力大小 C．甲拉力做的功大于乙拉力做的功 D．甲拉力使繩自由端移動的速度小于乙拉力使繩自由端移動的速度【解答】解：A、由圖可知，圖中的滑輪是定滑輪，使用定滑輪只能改變力的方向，不能省力，故A錯誤；B、定滑輪是等臂杠桿，由于阻力和阻力臂不變，動力臂都等于滑輪的半徑，即甲、乙拉力的力臂相等，根據(jù)杠桿的平衡條件F1l1＝F2l2，可知，甲拉力大小等于乙拉力的大小，故B正確C、由題意可知，重物上升的距離相同；在使用定滑輪中，繩子移到的距離等于重物上升的距離；由于甲、乙拉力大小相等，根據(jù)W＝Fs可知甲、乙拉力做功的大小相等，故C錯誤；D、由題意可知，重物在相同時間內(nèi)上升的距離相同，即重物上升的速度相同；在使用定滑輪中，繩子移動的距離等于重物上升的距離，繩子移動的時間和重物上升的時間相同，根據(jù)v=s故選：B。（2021秋?柯橋區(qū)期末）如圖所示，分別用力F1、F2、F3勻速提起重物A，若不計摩擦，關(guān)于三個力的大小關(guān)系，下列選項中正確的是（）A．F1＝F2＝F3 B．F1＞F2＞F3 C．F2＞F1＝F3 D．F1＜F2＜F3【解答】解：因為定滑輪相當(dāng)于一等臂杠桿，只能改變力的方向，而不省力，故定滑輪拉同一重物G，不計摩擦，沿三個不同方向，用的拉力大小相等，即F1、F2、F3都等于物體的重力。故A正確，BCD錯誤。故選：A。（2022?義烏市一模）如圖為航母上簡化的蒸氣彈射裝置。氣缸內(nèi)蒸氣體積膨脹能推動活塞向右運動，使艦載機獲得巨大的牽引力，能帶動艦載機在兩秒內(nèi)達到起飛速度。（1）牽引索與蒸氣活塞之間的兩個滑輪為定滑輪；（2）活塞向右運動時活塞與氣缸之間的摩擦是滑動摩擦。（選填“靜摩擦、“滑動摩擦”或“滾動摩擦”）【解答】解：定滑輪是軸的位置固定不動的滑輪，由圖可知，牽引索與蒸汽活塞連接的兩個滑輪為定滑輪；活塞向右運動時，活塞在氣缸內(nèi)滑動，所以這個摩擦力是滑動摩擦。故答案為：定；滑動摩擦。模塊二：動滑輪1.定義：和重物一起移動的滑輪（可上下移動，也可左右移動）。2.實質(zhì)：動力臂為阻力臂2倍的省力杠桿。3.特點：（1）省力（使用動滑輪提升重物G時，若不計繩重及摩擦，則繩子自由端所用的拉力F＝1/2G）；（2）費距離（使用動滑輪提升重物時，若重物被提升的高度為h，則繩子自由端移動的距離s＝2h）；（3）不能改變力的方向。（2022秋?衢江區(qū)校級期末）如圖所示，物體A重為200N，C、D滑輪重均為30N。物體B重為120N，它恰好能拉著A向右勻速運動?，F(xiàn)用水平向左的拉力F作用于物體A上，使物體B在5s內(nèi)勻速上升了0.8m，則：（不計繩重和摩擦）（1）圖中D為動（填“定”或“動”）滑輪，C在此次提升重物過程中的作用是改變力的方向。（2）拉力F的大小為150N，拉力F的功率為48W?！窘獯稹拷猓海?）由圖可知，D滑輪隨物體一起運動，因此D滑輪是動滑輪；C滑輪固定不動，因此C滑輪是定滑輪，其作用是改變力的方向；（2）由圖可知，承擔(dān)物重的繩子股數(shù)n＝2，不計動滑輪、繩重以及滑輪輪軸間摩擦，繩子自由端的拉力：F繩=1n（GB+G動）物體A勻速運動，則拉力和摩擦力是一對平衡力，物體A所受摩擦力：f＝F繩＝75N。用一水平向左的力F拉動物體A，拉力：F＝f+F繩＝75N+75N＝150N，物體B在5s內(nèi)勻速上升的距離h＝0.8m，則物體A在5s內(nèi)勻速移動的距離：s＝nh＝2×0.8m＝1.6m，拉力做的功：W＝Fs＝150N×1.6m＝240J，拉力F的功率為：P=W故答案為：（1）動；改變力的方向；（2）150；48。（2022秋?婺城區(qū)校級期中）如圖所示，分別用力F1、F2和F3，使用下列三個裝置勻速提起同樣的重物，不計滑輪的重力和摩擦且不計繩重，則F1、F2和F3的大小關(guān)系是（）A．F1＜F2＝F3 B．F2＜F1＜F3 C．F1＝F3＜F2 D．F1＜F2＜F3【解答】解：不計滑輪的重力和摩擦且不計繩重的情況下；左邊的滑輪是定滑輪，只能改變力的方向，不省力也不費力，故F1＝G。中間的滑輪是動滑輪，能夠省一半的力，故F2=1右邊的滑輪是動滑輪，F(xiàn)3作用在動滑輪的軸上，費一倍的力，則F3＝2G，所以，F(xiàn)2＜F1＜F3。故選：B。（2021秋?舟山期末）物體A在大小為2N的水平拉力F的作用下，以0.2米/秒的速度在水平面上做勻速直線運動，如圖所示。若不計滑輪、彈簧測力計和繩的自重及滑輪與繩之間的摩擦，則下列說法中正確的是（）A．此滑輪是定滑輪 B．拉力F做功的功率為0.4瓦 C．使用此滑輪可以改變力的方向 D．物體A受到地面的摩擦力是4N【解答】解：AC、滑輪隨物體一起運動，所以滑輪為動滑輪，使用動滑輪可以省力，故AC錯誤；B、有兩端繩子拉著動滑輪，則拉力F的運動速度v＝2×0.2m/s＝0.4m/s；功率為P=WD、使用動滑輪能省一半的力，所以物體A受到的摩擦力f＝2F＝2×2N＝4N，故D正確。故選：D。（2022春?柯城區(qū)校級月考）在探究動滑輪使用特點的實驗中，各小組按照如圖中所示的實驗器材進行實驗，每個小組的實驗器材都相同，每次都勻速提起鉤碼，實驗中不計繩重和摩擦。（1）由所學(xué)知識我們知道：使用動滑輪可以省一半的力，根據(jù)A、B兩圖求出他們所用動滑輪的重力為0.2N。（2）比較B、C、D三圖可知，使用動滑輪勻速提起同一重物時的拉力大小可能會不同，其拉力大小不同的原因是拉力與豎直方向夾角不同。（3）根據(jù)如果家里安裝日光燈，你認為更合理的是甲?！窘獯稹拷猓海?）由A、B兩圖實驗數(shù)據(jù)可知G＝2.0N，F(xiàn)＝1.1N；不計繩重和摩擦，由動滑輪的特點可得：F=12（G+G則動滑輪的重力為：G動＝2F﹣G＝2×1.1N﹣2.0N＝0.2N；（2）分析B、C、D三圖的實驗數(shù)據(jù)可知，使用動滑輪勻速提起同一重物時，測力計與豎直方向夾角不同，拉力的大小不同，并且拉力與豎直方向夾角越大，拉力也越大；（3）根據(jù)（2）得出的結(jié)論“拉力與豎直方向夾角越大，拉力也越大”可知，圖乙繩子承受的拉力大，應(yīng)該選用甲圖比較合理。故答案為：（1）0.2；（2）拉力與豎直方向夾角不同；（3）甲。模塊三：滑輪組1.滑輪組的構(gòu)成：實際應(yīng)用時，常常將動滑輪和定滑輪組合而成滑輪組。2.滑輪組的特點：使用滑輪組，可以省力，有的可以改變力的方向，但費距離。3.使用時，動滑輪和物體的總重由n股繩子承擔(dān)，那么拉起物體所用的力就是總重的1n4.滑輪組的簡單組裝方法：（1）當(dāng)承重繩子的股數(shù)n為奇數(shù)時，繩子的起始端應(yīng)固定在動滑輪的框架鉤上，然后依次繞過滑輪。（2）當(dāng)承重繩子的股數(shù)n為偶數(shù)時，繩子的起始端應(yīng)固定在定滑輪的框架鉤上，然后依次繞過滑輪。（2023春?定海區(qū)校級月考）如圖所示，物體A重為200N，C、D滑輪重均為30N。物體B重為120N，它恰好能拉著A向右勻速運動，不計滑輪與繩子間摩擦。（1）圖中D為動（填“定”或“動”）滑輪。（2）現(xiàn)用水平向左的拉力F作用于物體A上，使物體B勻速上升，則拉力F的大小為150N?！窘獯稹拷猓海?）由圖可知，D滑輪隨物體一起運動，因此D滑輪是動滑輪；C滑輪固定不動，因此C滑輪是定滑輪；（2）由圖可知，承擔(dān)物重的繩子股數(shù)n＝2，不計滑輪與繩子間摩擦，繩子自由端的拉力：F繩=12（GB+G動）物體A勻速運動，則拉力和摩擦力是一對平衡力，所以物體A所受摩擦力：f＝F繩＝75N，用一水平向左的力F拉動物體A，使物體B勻速上升，此時物體A受到摩擦力方向水平向右，由于壓力和接觸面的粗糙程度不變，所以摩擦力大小不變，此時拉力：F＝f+F繩＝75N+75N＝150N。故答案為：（1）動；（2）150。（2022?杭州模擬）為便于研究，某健身器材中訓(xùn)練拉力部分的機械結(jié)構(gòu)可簡化為如圖所示的滑輪組。若不計摩擦，下列有關(guān)分析正確的是（）A．兩個滑輪在裝置中起的作用相同 B．拉力F的大小是配重G大小的二分之一 C．拉力移動的距離是配重上升距離的兩倍 D．將配重提升相同的高度，用該裝置與直接提升配重所做的功相等【解答】解：A、由圖可知，該裝置由一個動滑輪和一個定滑輪組成，動滑輪能夠省力，但不能改變力的方向；定滑輪不能省力，可以改變力的方向，故A錯誤；B、不計摩擦，拉力的大小為：F=12（G+GC、該滑輪組中n＝2，由s＝2h可知，拉力移動距離等于配重上升高度的二倍，故C正確；D、直接提升配重做的功是有用功，用該裝置將配重提升相同高度還要對動滑輪做功，即用該裝置所做的功（總功）大于有用功，故D錯誤。故選：C。（2022秋?西湖區(qū)校級期中）工人站在地上利用滑輪組把貨物提起來，請你把圖中繩子的繞線方法補充完整?！窘獯稹拷猓阂乖摶喗M向下用力物體向上運動，應(yīng)從定滑輪開始繞，或者從繩子自由端向下從外向里繞繩。如圖：（2022秋?西湖區(qū)校級期中）已知每個滑輪重為100牛，物體重為1200牛、繩子能承受的最大拉力是300N，請在如圖中畫出滑輪組的繞線方法?！窘獯稹拷猓翰挥嬆Σ?，F(xiàn)=1n（G+G則繩子股數(shù)n=G+根據(jù)奇動偶定的原則，滑輪組繞制如下圖：（2021秋?慈溪市校級月考）如圖所示，用40N的力F沿水平方向拉滑輪，可使重20N的物體A以0.3m/s的速度在水平面上勻速運動。物體B重10N，彈簧測力計的示數(shù)恒為10N。不計滑輪、繩子的重力，滑輪的轉(zhuǎn)軸光滑。下列說法正確的是（）A．物體A受到水平面的摩擦力是20N B．滑輪移動的速度是0.6m/s C．水平拉力F的功率是6W D．在2s內(nèi)繩子對物體A做的功為48J【解答】解：A、因為F＝40N，所以對A的拉力為12B、A移動的速度即繩端移動的速度為0.3m/s，所以滑輪的移動速度為12C、水平拉力F的功率為：P=WD、繩子的拉力是20N，2s物體A移動的距離為s＝vt＝0.3m/s×2s＝0.6m，所以W＝Fs＝20N×0.6m＝12J，故D錯誤。故選：C?！眷柟逃?xùn)練】一．選擇題（共3小題）1．（2022秋?上城區(qū)校級期中）如圖所示，不計滑輪重及摩擦，分別用力F1、F2勻速提升同一重物，若力F1、F2在相等時間內(nèi)對物體所做的功相等，則力F1、F2及其功率P1、P2的大小關(guān)系為（）A．F1＞F2P1＜P2 B．F1＞F2P1＞P2 C．F1＞F2P1＝P2 D．F1＜F2P1＜P2【解答】解：用在不計繩重和摩擦?xí)r，物體升高h，用定滑輪提升物體時，繩子自由端移動的距離為h，若用動滑輪提升物體時，繩子自由端移動的距離為2h，則定滑輪提升物體時，拉力做功為：W1＝F1s＝F1h，動滑輪提升物體時，拉力做功為：W2＝F2s＝2F2h，∵W1＝W2，∴F1＝2F2，即：F1＞F2又時間相同，根據(jù)功率公式P=Wt可知：P1＝P故選：C。2．（2022秋?濱江區(qū)校級期中）如圖是滑輪組來提升礦石的裝置示意圖，礦石重G為5×104牛，滑輪組機械效率為80%，拉力F的功率P為2千瓦，要把礦石勻速提升1米。則下列哪組量均可求出（）A．W有用、F、G動 B．W有用、G動、礦石上升的速度v C．W有用、G動、繩子與滑輪間的摩擦力 D．W總、提升1米所用的時間t、礦石上升的速度v【解答】解：由題知，礦石重力G，礦石被勻速提升的高度h，拉力F的功率P，滑輪組的機械效率η。①克服礦石重力做的有用功可以由W有＝Gh計算得到；②由η=W有W由圖知，承擔(dān)重物繩子的段數(shù)n＝3，由W總＝Fs＝Fnh可計算出繩端拉力F；③額外功可由W額＝W總﹣W有計算得到，使用滑輪組時，額外功包括克服摩擦、提升動滑輪、提升繩子做的功，只知道額外功的總和，不能單獨求出克服摩擦和動滑輪重力G動做的功，所以不能求出繩子與滑輪間的摩擦力、動滑輪重力G動；④在②中求出了總功，已知拉力的功率P，根據(jù)P=W⑤在④中求出提升礦石的時間，由v=?綜上所述，ABC錯誤，D正確。故選：D。3．（2021秋?鄞州區(qū)校級期中）如圖所示，用10N的水平拉力F拉滑輪，使足夠長的物體A以0.2m/s的速度在水平地面上勻速運動，彈簧測力計的示數(shù)為3N，若不計滑輪重、彈簧測力計重、繩重和滑輪摩擦，則下列說法中正確的有（）A．B受到的摩擦力為3N，方向水平向左 B．滑輪移動的速度為0.2m/s C．繩子拉物體A的功率為2W D．在運動過程中若將拉力F增大到12N，彈簧測力計的示數(shù)仍為3N【解答】解：A、B靜止處于平衡狀態(tài)，水平方向上受到向左的拉力和A給它的右向的摩擦力的作用，由平衡條件得：B受到的摩擦力f＝F＝3N，方向水平向右，故A錯誤；B、物體A的移動速度為0.2m/s，所以動滑輪的移動速度為0.1m/s，故B錯誤；C、由圖可知，滑輪為動滑輪，繩子拉力為F的一半，是5N，P=WD、測力計對B的拉力與A對B的摩擦力是一對平衡力，在運動過程中，若拉力增大到12N，由于B和A之間的摩擦力不變，所以測力計的示數(shù)不變，仍為3N，故D正確。故選：D。二．填空題（共2小題）4．（2022秋?濱江區(qū)校級期中）如圖所示，物體A置于水平桌面上，裝置保持靜止，物體A重100N，物體B重10N。不計繩重、滑輪自重及摩擦，物體A受到的摩擦力方向水平向左（選填“水平向左”或“水平向右”），大小為20N?！窘獯稹拷猓何矬wA置于水平桌面上，裝置保持靜止，因繩端掛有重物B，則重物B對繩子有拉力的作用，動滑輪對物體A有向右的拉力，使得物體A有向右運動的趨勢，所以物體A受到水平向左的靜摩擦力；因裝置保持靜止，則繩端的拉力F繩＝GB＝10N，由圖可知，n＝2，不計繩重和滑輪與繩及軸之間的摩擦，把物體A和動滑輪看做一個整體，裝置保持靜止，水平方向受到拉力和摩擦力的作用，由二力平衡條件可得物體A受到摩擦力的大小：f＝F拉＝2F繩＝2×10N＝20N。故答案為：水平向左；20。5．（2021秋?鄞州區(qū)校級期中）如圖所示，滑輪規(guī)格相同、重均為60N。工人用150N的水平拉力勻速向右拉動繩端，在20s內(nèi)礦井里的物體提升8m。不計繩重及輪軸間摩擦，物體重為240N，物體增加的勢能為1920J，工人拉動繩子做功的功率為120W。【解答】解：從圖中可知n＝2，不計繩重及輪軸間摩擦，根據(jù)F=1n（G+GG＝nF﹣G＝2×150N﹣60N＝240N；物體增加的勢能等于克服重力做的功，為：W＝Gh＝240N×8m＝1920J；拉力端移動距離：s＝nh＝2×8m＝16m，拉力F做功：W總＝Fs＝150N×16m＝2400J，工人拉動繩子做功的功率：P=W故答案為：240；1920；120。三．實驗探究題（共1小題）6．（2022秋?慈溪市校級期中）（1）在“探究杠桿平衡條件”實驗中：小科同學(xué)先把杠桿的中點支在支架上，杠桿靜止在如圖所示的位置，此時杠桿處于平衡（填“平衡”或“不平衡”）狀態(tài)。（2）小凡同學(xué)在“探究定滑輪和動滑輪特點”實驗中，裝置圖如圖所示。實驗次數(shù)物重G/N測力計的示數(shù)F/N11.000.6521.500.9032.001.15①在探究定滑輪時，照圖乙操作，覺得讀數(shù)不方便，于是把測力計倒過來，即測力計吊環(huán)系在拉繩上，用手拉掛鉤，測力計的示數(shù)會變?。ā白兇蟆?、“變小”或“不變”）。②在探究動滑輪時，照圖丙操作，記錄數(shù)據(jù)如下表，分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，測力計的示數(shù)F大于物重G的一半，與課本結(jié)論存在差異，其原因是動滑輪本身有重力?！窘獯稹拷猓海?）杠桿靜止在如圖所示的位置，此時杠桿處于平衡狀態(tài)；（2）①測力計倒過來使用時，彈簧測力計受力情況是：受到繩子向上的拉力，受到向下的重力和手的向下拉力。這時測力計測量的是手向下的拉力，大小等于繩子自由端的拉力與測力計的重力之差。所以在勻速拉動時，根據(jù)二力平衡條件可知實驗會造成測量值會小于鉤碼的重力。②人在提升重物時把動滑輪也提起了，所以動滑輪本身的重力是存在差異的最主要原因；由于轉(zhuǎn)軸之間有摩擦，繩也有一定重量，導(dǎo)致拉力增大。故答案為：（1）靜止；（2）①變小；②動滑輪本身有重力。四．計算題（共2小題）7．（2022秋?西湖區(qū)校級期中）小明同學(xué)采用最省力的方法用如圖所示滑輪組提升貨物。把重為120N的貨物從井中勻速提升5m，所用拉力50N。求：（1）在圖中畫出滑輪組的繞線方法；（2）用滑輪組提升貨物時做的有用功；（3）滑