六上科学第一单元滑轮.docx
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六上科学第一单元滑轮
六上科学第一单元【滑轮】
滑轮的历史
关于滑轮的绘品最早出现于一幅西元前八世纪的亚述浮雕。
这浮雕展示的是一种非常简单的滑轮，只能改变施力方向，主要目的是为了方便施力，并不会给出任何机械利益。
在中国，滑轮装置的绘制最早出现于汉代的画像砖、陶井模。
在《墨经》里也有记载关于滑轮的论述。
古希腊人将滑轮归类为简单机械。
早在西元前400年，古希腊人就已经知道如何使用复式滑轮了。
大约在公元前330年，亚里士多德在著作《机械问题》（《MechanicalProblems》）里的第十八个问题，专门研讨“复式滑轮”系统。
阿基米德贡献出很多关于简单机械的知识，详细地解释滑轮的运动学理论。
据说阿基米德曾经独自使用复式滑轮拉动一艘装满了货物与乘客的大海船。
西元一世纪，亚历山卓的希罗分析并且写出关于复式滑轮的理论，证明了负载与施力的比例等于承担负载的绳索段的数目，即“滑轮原理”。
1608年，在著作《数学纪要》（《MathematicalCollection》）里，荷兰物理学者西蒙·斯特芬表明，滑轮系统的施力与负载之间移动路径的长度比率，等于施力与负载之间的反比率。
这是雏型的虚功原理。
1788年，法国物理学者约瑟夫·拉格朗日在巨著《分析力学》（《Mécaniqueanalytique》）里，使用滑轮原理推导出虚功原理，从而揭起了拉格朗日力学的序幕。
动滑轮原理
使用时，轴随物体一起移动的滑轮叫做动滑轮。
动滑轮可以看做是一个省力杠杆，O为杠杆的支点，滑轮的轴是阻力的作用点。
被提升的物体对轴的作用力是阻力，绳对轮的作用力是动力。
提升重物时，如果两边绳子平行，动力臂为阻力臂的两倍；动滑轮平衡时，动力为阻力的一半。
因此若不计动滑轮自身所受的重力，使用动滑轮可以省一半力，但这时却不能改变用力的方向，向上拉绳才能将重物提起。
* 不改变力的方向而可以省一半的力的滑轮是定滑轮。
分析：
支点为点O，直径是动力臂，半径是阻力臂．
点评：
动滑轮的实质：
动滑轮实质是一个动力臂为阻力臂二倍的杠杆，故省一半力．
定滑轮原理
定滑轮实质是个等臂杠杆，动力臂L1、阻力臂L2都等于滑轮半径。
根据杠杆平衡条件也可以得出定滑轮不省力和不省距离的结论。
像旗杆顶部的滑轮那样，固定在一个位置转动而不移动的滑轮叫定滑轮。
根据F1*L1=F2*L2可得，定滑轮的实质是一个等臂杠杆，使用定滑轮可以改变用力的方向，但是使用定滑轮不能省力，不可以省距离。
*使用滑轮时，轴的位置固定不动的滑轮，称为定滑轮。
点评：
定滑轮的作用是改变力的方向但不省力。
滑轮组原理
有的中学物理教科书认为，利用滑轮组运输或提升货物，只能省力，但不能省功，中学物理教科书的上述结论对从事机械传动设计工作的工程师影响极大，由于汽车、火车、轮船等运输装置和各种机械装置在使用的过程中会频繁地出现启动、加速、减速、停止等各种运动，并在启动、加速、减速、停止等各种运动过程中消耗大量的能量，完全需要在理论上说明怎样设计或使用汽车、火车、轮船等运输装置的传动系统，以使其处于最佳节能状态，但中学物理教科书的上述结论使得机械工程师在从事机械传动设计时，以及在指导人们使用运输车辆和机械装置时，往往忽略了滑轮组的段数或减速机的传动比在各种状态下与节能的关系，造成现有的许多运输车辆和机械传动装置在运行过程中的能量消耗较高，输送货物数量较少。
下面通过分析两个物理习题的方式说明利用滑轮组牵引物体，不仅可以省力，而且可以通过将更多的物体输送至目的地的形式节约能源。
对于沿水平方向作牵引物体运动的滑轮组
分析如下：
一个质量为m的物体M放置在水平面上，利用滑轮组通过绳子与物体M相连，绳子牵引物体M的段数为K，绳子的牵引力为F，利用动力装置使物体M沿水平面由静止状态开始作加速运动，则由牛顿运动定律可知：
KF=ma2
（1）
式中a2为物体M的加速度，并且
a2=a1/K
（2）
式中a1为滑轮组输入端绳子的加速度，解
（1）、
（2）式可得：
a1=K2F/m（3）
使用滑轮组的目的是运输或提升一定数量货物到达目的地，每个从事具体劳动的人都希望多拉快跑，即省力、又迅速地完成工作。
为了对比使用滑轮组与不使用滑轮组的区别，令滑轮组输入端绳子的加速度在使用滑轮组与不使用滑轮组时都为a1值，在此状态下动力装置输出的功率相等，设不使用滑轮组时（K=1）动力装置运输的物体M质量为m′，使用滑轮组时动力装置运输的物体M质量为m，则有：
F/m′=K2F/m（4）
化简后可得：
m=K2m′（5）
但使用滑轮组时动力装置运输物体M的距离是不使用滑轮组时的L/K，为了便于对比，分别令两种状态下的动力装置工作K次，这样一来，使用滑轮组的动力装置就可将质量为K2m′的货物输送至L距离，不使用滑轮组的动力装置则将质量为Km′的货物都输送L距离，此时通过对比可见，使用滑轮组时动力装置运输的物体M质量m为不使用滑轮组时动力装置运输的物体M质量m′的K倍。
当物体M的运动存在摩擦阻力f时，则式
（1）变为
KF-f=ma2（6）
其中f=μmg，μ为摩擦系数。
解
（2）、（6）式，并将f=μmg带入可得：
a1=（K2F-Kμmg）/m（7）
同样令滑轮组输入端绳子的加速度在使用滑轮组与不使用滑轮组时都为a1值，在此状态下动力装置消耗的功率相等，设不使用滑轮组时（K=1）动力装置运输的物体M质量为m′，使用滑轮组时动力装置运输的物体M质量为m，则有：
（F-μm′g）/m′=（K2F-Kμmg）/m（8）
化简后可得：
m=K2Fm′/（F+Kμm′g-μm′g）（9）
同样地，使用滑轮组时动力装置运输物体M的距离是不使用滑轮组时的L/K，为了便于对比，分别令两种状态下的动力装置工作K次，这样一来，使用滑轮组的动力装置就可将质量为K2Fm′/（F+Kμm′g-μm′g）的货物输送至L距离，使用滑轮组时动力装置运输的物体M质量m为不使用滑轮组时动力装置提升的物体M质量m′的KF/（F+Kμm′g-μm′g）倍。
也就是说，利用滑轮组牵引物体，在某些条件下使运输车辆和机械传动装置不仅可以省力，而且可以通过将更多的物体输送至目的地的形式节约能源。
由于汽车、火车、轮船等运输装置在使用的过程中会频繁地出现启动、加速、减速、停止等各种运动，并在启动、加速、减速、停止等各种运动过程中消耗大量的能量，上述结论可以在理论上被用来指导和说明设计或使用汽车、火车、轮船等运输装置的传动系统，以使其处于最佳节能状态。
例如，汽车、火车、轮船等运输装置在启动、加速阶段可以采用大传动比的传动系统，开足马力全力冲刺，而不要采用传动比小的传动系统。
对于沿垂直方向作牵引物体运动的滑轮组或者是减速机分析如下：
一个质量为m的物体M悬挂在空中，利用滑轮组的输出端通过绳子与物体M相连，绳子牵引物体M的段数为K，绳子的牵引力为F，利用动力装置使物体M在空中由静止状态开始作向上的加速运动，则由牛顿运动定律可知：
KF-mg=ma2（10）
式中a2为物体M的加速度，并且
a2=a1/K（11）
式中a1为滑轮组输入端绳子的加速度，解（11）、（12）式可得：
a1=（K2F-Kmg）/m（12）
在此状态下动力装置输出的功率相等，设不使用滑轮组时动力装置运输的物体M质量为m′，使用滑轮组时动力装置运输的物体M质量为m，则有：
（F-m′g）/m′=（K2F-Kmg）/m（13）
化简后可得：
m=K2m′/〔1+（K-1）m′g/F〕（14）
但使用滑轮组时动力装置提升物体M的高度是不使用滑轮组时的h/K，为了便于对比，分别令两种状态下的动力装置工作K次，这样一来，使用滑轮组的动力装置就可将质量为K2m′/〔1+（K-1）m′g/F〕的货物提升至h高度，不使用滑轮组的动力装置则将质量为Km′的货物都提升至h高度，此时通过对比可见，使用滑轮组时动力装置提升的物体M质量m为不使用滑轮组时动力装置提升的物体M质量m′的K/〔1+（K-1）m′g/F〕倍。
当物体M的运动存在摩擦阻力f时，则式（11）变为
KF-mg-f=ma2（15）
其中f=μmg，μ为摩擦系数。
解（12）、（16）式，并将f=μmg带入可得：
a1=（K2F-Kmg-Kμmg）/m（16）
同样令滑轮组输入端绳子的加速度在使用滑轮组与不使用滑轮组时都为a1值，在此状态下动力装置输出的功率相等，设不使用滑轮组时动力装置提升的物体M质量为m′，使用滑轮组时动力装置提升的物体M质量为m，则有：
（F-m′g-μm′g）/m′=（K2F-Kmg-Kμmg）/m（17）
化简后可得：
m=K2Fm′/（F+Km′g+Kμm′g-m′g-μm′g）（18）
同样地，使用滑轮组时动力装置提升物体M的高度是不使用滑轮组时的h/K，为了便于对比，分别令两种状态下的动力装置工作K次，这样一来，使用滑轮组的动力装置就可将质量为K2Fm′/（F+Km′g+Kμm′g-m′g-μm′g）的货物提升至h距离，不使用滑轮组的动力装置则将质量为Km′的货物都提升h高度，此时通过对比可见，使用滑轮组时动力装置提升的物体M质量m为不使用滑轮组时动力装置提升的物体M质量m′的KF/（F+Km′g+Kμm′g-m′g-μm′g）倍。
也就是说，利用滑轮组或减速机提升物体，在某些条件下使运输车辆和机械传动装置不仅可以省力，而且可以通过将更多的物体提升至目的地的形式节约能源。
由于上分析可知，对于电梯、吊车等各种纵向运输装置，在启动、加速阶段可以采用大传动比的传动系统，而不要采用传动比小的传动系统。
通过以上分析可知，令动力装置通过滑轮组或减速机对物体进行输送，无论是沿水平方向，还是沿垂直方向，都能够在消耗一定能量的条件下，将更多的货物输送到目的地。
滑轮组的组装:
滑轮组
滑轮组是由若干个定滑轮和动滑轮匹配而成，可以达到既省力又改变力作用方向的目的。
使用中，省力多少和绳子的绕法，决定于滑轮组的使用效果。
动滑轮被几根绳子承担，力就是物体和动滑轮总重的几分之一。
原则是：
n为奇数时，绳子从动滑轮为起始。
用一个动滑轮时有三段绳子承担，其后每增加一个动滑轮增加二段绳子。
如：
n=5，则需两个动滑轮（3+2）。
n为偶数时，绳子从定滑轮为起始，这时所有动滑轮都只用两段绳子承担。
如：
n=4，则需两个动滑轮（2+2）。
其次，按要求确定定滑轮个数，原则是：
一个动滑轮一般配一个定滑轮。
力作用方向不要求改变时，偶数段绳子可减少一个定滑轮；要改变力作用方向，需增加一个定滑轮。
综上所说，滑轮组设计原则可归纳为：
奇动偶定；一动配一定，偶数减一定，变向加一定。
对于绕绳方法,有一点切记:
绳不可相交.其实绕绳难的就数滑轮组拉,只要掌握了要决,那就一点不难拉.滑轮组在绕线时如果动滑轮少那么要先从定滑轮绕起;反之要定滑轮少,那么要先从动滑轮绕起;如果一样多的话还是要先绕动滑轮。
为了既节省又能改变动力的方向，可以把定滑轮和动滑轮组合成
滑轮组。
定滑轮的实验
实验名称
定滑轮作用实验
实验器材：
1盒钩码、1根粗线绳、1个铁架台、1个滑轮、1个测力计
猜测：
定滑轮不能省力。
实验过程：
用铁架台做支架，安好定滑轮，在定滑轮上挂一根绳子，在绳子的两端任意挂上一些钩码，当绳子平衡时，两端的钩码数相同。
然后用测力计做相同的实验，比较测力计的数据与钩码的力大小。
定滑轮作用实验记录表
左边钩码个数
右边钩码个数
定滑轮的状态
我们的发现
1
1
平衡
1
2
向右倾斜
2
2
平衡
定滑轮
3
3
平衡
不能省力
2
3
向左倾斜
观察到的现象或实验的结果：
定滑轮不能省力，但是可也改变用力方向。
动滑轮的实验
实验器材：
1盒钩码、1根粗线绳、1个铁架台、1
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