中學物理之動滑輪和靜滑輪基礎知識總結

2020-12-27 知識點總結小能手

力的基礎知識我們已經基本介紹完成,並在上篇介紹了簡單機械槓桿,將在本篇中介紹另一個機械應用-滑輪,滑輪是槓桿的一種簡單變形,它在生活中的應用同樣非常廣泛。生活中使用滑輪有多方面的因素,一方面是滑輪可以改變施力方向,使施力者能更方便施力;另一方面,滑輪可以改變力的大小,使施力者能更省力。滑輪是一種變形的槓桿,它同樣有槓桿的五大要素-支點、動力、動力臂、阻力、阻力臂,並根據這些的不同分為定滑輪和動滑輪兩類,它們的區別在於滑輪的支點是否固定。

對於定滑輪來說,支點固定,滑輪使用者可以在達到同樣的效果時,改變施力的方向。其構造如圖1所示。由圖可知,滑輪一側連接受力物體,一側作為施力點,滑輪作為固定支點,在右側施力時可以將物體G提起。比如生活中要從一樓搬一袋小麥到二樓,但因為袋子裝的較滿,沒有較好的施力點,會非常不方便,此時可以在二樓裝一個定滑輪,綁住袋口相當於圖1中的G物體,農民伯伯可以向下施力使得小麥上升到二樓。

圖1 定滑輪

物理學上我們需要研究通過定滑輪後施力者的力與直接作用與物體的力之間的關係,可以通過進行實驗來驗證。首先用彈簧測力計測出兩個砝碼的重量,記為F1;然後使用定滑輪,使用彈簧測力計提起物體,查看彈簧測力計數值,記為F2,比較F1和F2的大小。定滑輪本身是一個槓桿,左側受力物體的重力為F1,滑輪的阻力臂為l1;右側施力為F2,滑輪的動力臂為l2,實驗結果驗證F1=F2,且由圖可知l1=l2,得F1xl1=F2xl2,因此定滑輪本質上是一個等臂槓桿。

對於動滑輪來說,支點隨著物體的移動而移動,它的使用並不改變力的作用方向,而是可以改變力的大小,其構造如圖2所示,滑輪下側連著物體,一側有固定連接,一側作為施力者的施力方向,施力者在提起重物時,通過動滑輪將物體提起,滑輪也在這個過程中上升,這個過程中施力者的施力方向沒有變化,考慮到動滑輪的存在減小了力的大小,可通過如下實驗驗證。

圖2 動滑輪

實驗需要彈簧測力計和木塊,首先直接用彈簧測力計提起木塊,記錄力的大小為F1;經過動滑輪提起木塊,讀出彈簧測力計的數值F2,比較F1和F2的大小。實驗結果證明F1=2xF2,由此可知動滑輪是一個省力槓桿。但是看到F1和F2有整數倍的關係,考慮到可能動滑輪的動力臂和阻力臂同樣有整數倍關係,物體平衡時,F1xl1=F2xl2,所以l2=2xl1,動滑輪動力臂是阻力臂的2倍。

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