比较竖吊与横拉两种情况下滑轮组的有关计算问题

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  在初中物理教学中,有关滑轮组的计算问题常常令学生犯愁,尤其是竖吊与横拉这两种情况下的计算又有所不同。
  利用滑轮组,既可以用来在竖直方向上将重物提起,也可以用来在水平方向上拉动物体前进.这两种情况的原理是相同的,但是力的方向不同.竖吊时是克服重力做功,而横拉时是克服阻力做功。
  先看滑轮组竖吊时的计算。
  小明用图1所示的装置将重物提高2 m,已知物体的重量是500 N,人对绳的拉力是300 N.求此过程中:(1)小明做的总功;(2)滑轮组的机械效率;(3)若不计绳重和摩擦,动滑轮的重量是多少?(4)若物体上升的速度为0.5 m/s,则小明所用的拉力的功率是多少。
  在计算之前,先列出有关的已知量:h=2 m (h是重物被拉升的高度),G物=500 N (G物是物体的重量),F=300 N(F是绳子末端人的拉力),还有一个已知量就是通过图1得知n=2 (n是绕在动滑轮上的绳子的段数).因此可以得出。
  (1) s=nh=2×2 m=4 m。
  (S是滑轮上绳子末端所移动的距离)。
  W总=Fs=300 N×4 m=1200 J。
  (2)W有=Gh=500 N×2 m=1000 J。
  η=W有W总=1000 J1200 J=83.3%。
  (3)因为不计绳重与摩擦,根据二力平衡知识。
  nF=G总=G物 G轮,
  所以η=W有W总=G物hFs=G物hFnh
  =G物Fn=G物G物 G轮,
  也就是η=G物G物 G轮,
  通过这个公式的变形,并根据已知的量可以求出G轮=500 N。
  (4)因为V物=0.5 m/s。
  V绳=st=nht=nV物,
  所以P=W总t=Fst=F·V绳=F·nV物
  =300 N×2×0.5 m/s=300 W。
  再看一下滑轮组横拉时的有关计算。
  小刚利用如图2所示滑轮组沿水平方向匀速拉动一个重300 N的物体A,物体受到的摩擦力是150 N,物体A在水平方向上移动的距离是2 m,问:(1)小刚做的有用功是多少?(2)如果该装置的机械效率为80%,则作用在绳端的拉力F的大小是多少?(3)小刚做的总功是多少。
  横拉时的计算与竖吊时的计算基本相似,为便于学生理解与记忆,在这里尽可能沿用与竖吊时相同的表示方式,主要的区别是有用功的计算有所不同.竖吊时的W有=G物·h,而横拉时的W有=fh,这里的f是物体A与水平面间的摩擦力,h是物体A在水平方向上移动的距离.另外,在滑轮组横拉时的计算中,与竖吊时一样是不计绳重的,同时要强调的是在横拉时还不计滑轮的重量。
  先列出已知的有关量。
  G=300 N, f=150 N, h=2 m, η=80%。
  从图中可知,n=3,同样可以得出。
  (1)W有=fh=150 N×2 m=300 J。
  (2)因为η=W有W总=fhFs=fhFnh=fFn。
  根据已知的有关量,可以求出F=62.5 N。
  (3)s=nh=3×2 m=6 m。
  W总=Fs=62.5 N×6 m=375 J。
  通过比较滑轮组竖吊与横拉时的计算可知,在任何情况下都有S=nh,η=W有W总,不同的是竖吊时W有=Gh,而横拉时W有=fh.另外,在两种情况下,都要求匀速运动,同时一般都不考虑绳重,横拉时还不考虑滑轮重.但是否考虑绳与滑轮之间的摩擦,则要看题目的具体意思,如不考虑时,那么便有:竖吊时G总=nF,G总指的是物重与动滑轮的重量之和,如不计轮重,那就指的是货物的重量.横拉时f=nF.如果考虑摩擦,那这两个等式便不成立.
  ②如果小孔、大孔都用圆形,小孔成的光斑是太阳的像,为圆形,大孔成的光斑与孔的形状相同,也是圆形,所以用甲卡片得出光斑形状与树叶间空隙大小无关的结论是不可靠的。
  ③根据控制变量法可知:验证“光斑形状与树叶间空隙大小是否有关”时,一方面让空隙的大小不同,另一方面还要让形状也不同;故是如图的样子。
  (3)C中的小孔形成的光斑,其大小与孔到地面的距离无关.小孔形成的光斑,是太阳的像,其大小与孔到地面的距离有关,小孔到地面距离越近,成的光斑越小、越亮;太阳光是平行光,通过大孔成的光斑,其大小与孔到地面的距离无关。
  上述两个案例中通过作图的手段,考查了学生对整个概念与规律的理解,不仅使整个题目看起来更加的灵活,且表述效果也优于文字描述。
  通过典型例题的分析,我们不难发现适当地利用图像,对于学生而言方便了解题,对于命题教师而言对学生的思维也会有更加清晰的认识,而这些都能为今后的学与教提供了参考依据.相信在教师与学生的不断总结归纳之后,在一系列教学实践后,利用图像不仅能够在纸笔测试中评估学生的学业水平,同时在探究活动中,图像也能体现出它的价值,展现出学生更深层次的思维活动.
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