分析滑轮运动探讨功的定义

王语益

[摘要]滑轮及滑轮组是初中物理的重要内容，也是学生容易迷糊的内容。文章结合教学实践，对通过滑轮拉着重物向上、向下运动的拉力进行比较，找出拉力做功及克服重力做的功，进而完善总功的定义，并推广到斜面、杠杆使重物下降时机械效率的表达式。

[关键词]滑轮组;摩擦力;总功;机械效率

[中图分类号]G633.7[文献标识码]A [文章编号]1674-6058（2020）08-0041-02

一、使重物向上、向下运动的拉力对比

现行初中教材上机械效率是通过讨论动滑轮提升重物来导人的，将钩码提升一定的高度是我们的目的，所做的功叫作有用功。在此过程中还需克服摩擦力及动滑轮重力做功，这两部分功虽然并非我们所需要的，但又不得不做，叫作额外功。手拉绳所做的功叫作总功。这是苏科版物理教材对有用功、额外功、总功的定义。本文主要对滑轮向上、向下运动进行对比，进而完善功的定义。

1.通过定滑轮使重物向上、向下运动

2.通过动滑轮使重物向上、向下运动

二、总功的定义

从以上分析可以看出，不论是定滑轮、动滑轮、滑轮组，使重物向上运动的拉力都比使其向下运动的拉力更大。若是按照苏教版九年级上册中对有用功、总功的定义，在使重物平稳向下运动时，会出现机械效率大于100%的情况，如此会使学生混淆机械效率以及能量守恒的认知。从能量的角度来看，总功也意味着总输入功，即总能量。物体向上运动时，需克服物体自重、机械自重;物体向下运动时，机械自重、物体自重做正功，有助于物體运动，拉力起到使机械平稳运行的效果。故机械所受到的力可分为两类，促进机械运动的力与阻碍机械运动的力，两种力做的功大小相等，一类做正功，一类做负功。为避免出现机械效率大于100%的情况，笔者建议将总功的定义完善为：促进机械平稳运行的所有力做功之和。

三、实例分析

对于滑轮提升重物的情况，拉力即为促进机械运行的力，拉力做功为总功，与教科书定义完全吻合。利用机械提升重物的有用功、总功和机械效率就不再一一赘述。对于使物体平稳下降的滑轮将做以下讨论，首先利用定滑轮使物体下降，物体重力做功即为总功，总功等于有用功，机械效率为100%，即无须施加外力，便可往期望的方向运动起来，F只是起到平稳运行的效果，效率为100%，使之运动的力即物体自己的重力;其次利用动滑轮与滑轮组使物体下降时的情况相同，动滑轮重力与物体重力做功之和即为总功，或克服动摩擦力与拉力做的功为额外功，物体重力做功为有用功，η=G_物/（G_物+G_动）。

利用斜面使重物平稳下降时，当外力沿斜面向下时总功为物体重力做功与拉力做功之和，或者总共为克服摩擦力做功，η=G_物h/（G_物h+Fs）=G_物h/fs;当外力沿斜面向上时，总功与有用功均为Gh，效率为100%，与上例中利用定滑轮使重物下降的情况相同。利用杠杆使重物平稳下降时，总功为杠杆重力做功与物体自重做功之和，η=G_物h/（G_物h+G_杠杆h）。