轻绳模型析滑轮

在我们的日常生活中．滑轮和滑轮组随处可见，和我们的生产生活密不可分，是一种常见的简单机械．同学们在学习物理的过程中，了解滑轮的分类及其工作原理对提高我们的模型建构能力、理解能力和实际应用能力都非常重要．“新课标”的发布．把同学们核心素养的养成提到了新的高度，物理核心素养有物理观念、科学思维、科学探究和科学态度与责任四个方面，模型构建是科学思维的一个要素．本文通过构建轻绳模型，带领同学们深入探讨定滑轮、动滑轮的实质与区别．并通过实例解析帮助同学们更好地理解这些概念．

我们先来构建轻绳模型，如图1所示．若把轻绳看成多个没有质量的“点”，则在忽略摩擦时．最下端的“点”处于二力平衡状态．同理，每个“点”都处于二力平衡状态，那么我们就可以得出结论：同一条轻绳上的拉力，其大小处处相等．这个结论是本篇文章分析的基础．

定滑轮的特点和实质

轴固定不动的滑轮称为定滑轮，其特点是可以改变力的方向，不能改变力的大小.

如图2所示，当竖直向下拉物体时，忽略摩擦，定滑轮实质上可以等效成一个等臂杠杆，O点为支点，F1为动力，l1为动力臂，F2为阻力，l2为阻力臂，由图可知l1=l2=R，即动力臂等于阻力臂，由杠杆的平衡条件可以得到F1=F2，即动力等于阻力，所以定滑轮不改变力的大小．

用轻绳模型来分析，由图2可知绕过定滑轮的是同一条轻绳，根据轻绳模型的结论很容易得出F1等于F2，并且和拉力的方向无关．

例1 利用图3所示的简单机械，沿不同方向分别用F1、F2、F3匀速拉动物体A，忽略绳子与滑轮之间的摩擦，请你判断F1、F2、F3的大小关系．

解析：此滑轮属于定滑轮，根据“同一条轻绳上的拉力，其大小处处相等”可知，匀速拉动物体时．绳上的拉力与物体A所受的摩擦力相等，则F1=F2=F3．

答案：F1=F2=F3.

动滑轮的特点和实质

轴随被拉动物体一起运动的滑轮称为动滑轮．我们通过实验可以得出．单个动滑轮的特点是不能改变力的方向，最多能省一半的力．

如图4所示．当竖直向上匀速拉物体时，忽略摩擦．动滑轮实质上可以等效为动力臂等于阻力臂2倍的省力杠杆，O点为支点，F1为动力，l1为动力臂，F2为阻力，l2为阻力臂．当拉力沿竖直方向时，由上页图4可知l1=2l2=2R，即动力臂等于阻力臂的2倍，可以得到F1=1/2F2．动滑轮最多能省一半的力，但不能改变力的方向．

用轻绳模型来分析．受力情况如图5所示，可以得出F1=F'1，动滑轮匀速运动，处于平衡状态，则F1+F'1=F2，所以F1=1/2F2．

例2 如图6所示．通过滑轮沿水平方向匀速拉动所受重力为30 N的物体A，不计滑轮质量及摩擦．当拉力F为6N时，物体A受到的拉力F拉为____N.使用该滑轮是为了______.

解析：方法1，由图6可知，绕在动滑轮上的有效绳子段数n=2，则物体A受到的拉力F拉=2F=2x6 N=12 N.

方法2，分析滑轮的受力情况．如图7所示，因为匀速拉动物体．所以物体处于平衡状态．根据轻绳模型及力的作用是相互的可得，F=F'，F拉=F1=2F=12 N，由此可知．使用该滑轮是为了省力．

答案：12 省力

滑轮组的工作特点

实际应用过程中，既想改变力的方向．又想省力，单独一个滑轮无法完成，为达目的，人们常常把定滑轮和动滑轮组合在一起．构成滑轮组来使用．滑轮组兼有定滑轮和动滑轮的优点，既可以改变力的方向，又可以省力．我们在分析滑轮组时，将滑轮组等效成杠杆进行分析比较困难，而用“同一条轻绳上的拉力，其大小处处相等”依然可以很简单地分析出绳端的拉力大小．

例3 利用图8所示的滑轮组．匀速吊起所受重力为G的物块．不计绳和滑轮所受的重力及摩擦，求力F的大小．

解析：将动滑轮和物块看作一个整体，其受力情况如图9所示，根据“同一条轻绳上的拉力．其大小处处相等”可以得到，F=F'，F+F'=G．所以F=1/2G.

答案：F=1/2G．

例4 将例3中滑轮组绕绳方法改为图10所示的绕绳方法，求力F的大小．

解析：思路方法不变，依然是将动滑轮和物块看作一个整体．其受力情况如图11所示．根据“同一条轻绳上的拉力，其大小处处相等”可以得到，F=F'=F\"，F+F'+F\"G，所以F=1/3G.

答案：F=1/3G．

本文主要用轻绳模型来解决滑轮及滑轮组的问题，同学们可以根据“同一条轻绳上的拉力，其大小处处相等”来分析滑轮或滑轮组的受力情况，从而得出：定滑轮不改变力的大小，只改变力的方向：单个动滑轮最多能省一半的力，不能改变力的方向：滑轮组根据绕绳方式和滑轮数量的不同．所需力的大小和方向也不同．同学们不用死记硬背结论，应从本质上去分析，这样更好理解．同学们要注意培养模型构建能力，发展科学推理能力，这样可以为高中的物理学习奠基．为同学们的长远发展铺路．