例析中考物理中的滑輪問題

摘 要：滑輪是初中物理中的重要模型，也是歷年中考的必考點(diǎn).由于滑輪問題容易與其他知識(shí)點(diǎn)，例如浮力、摩擦力、受力分析等相結(jié)合，因此該類問題的綜合性比較強(qiáng)，難度系數(shù)也比較高，文章例析中考中的滑輪問題，以期為教師和學(xué)生提供參考.

關(guān)鍵詞：中考;物理;滑輪

中圖分類號(hào)：G632 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-0333（2023）23-0118-03

收稿日期：2023-05-15

作者簡介：鄭步祥（1986.8-），男，江蘇省鹽城人，本科，中學(xué)一級(jí)教師，從事初中物理教學(xué)研究.

滑輪問題是中考物理比較常見的一類題型，無論是在客觀題部分，還是在解答題部分，甚至在實(shí)驗(yàn)題，都有可能涉及到滑輪問題.

1 滑輪組的設(shè)計(jì)問題

在中考物理的作圖題中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)滑輪組的設(shè)計(jì)問題.一般情況下，該類題型的滑輪組由一個(gè)動(dòng)滑輪一個(gè)定滑輪組成，而解答此類問題是按照一定的解題步驟進(jìn)行的，即先要計(jì)算出繩子的股數(shù)（其是解題的關(guān)鍵和突破口），然后在確定動(dòng)定滑輪的個(gè)數(shù)以及繩子的固定端所在的位置，最后可設(shè)計(jì)出滿足題意的滑輪組^［1］.

例1 一根繩子最大能承受的拉力為1 000 N，請?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)滑輪組能吊起3 300 N的物體，畫出滑輪組的組裝圖（其中各滑輪的質(zhì)量以及摩擦力不計(jì)）.

3 滑輪組中的拉力與速度的計(jì)算

滑輪組的中拉力與速度的計(jì)算是滑輪組問題最常見、最基礎(chǔ)的問題，在許多中考試題中，經(jīng)常會(huì)將滑輪組設(shè)置得比較復(fù)雜，或?qū)⒒喗M模型與彈簧等結(jié)構(gòu)結(jié)合起來進(jìn)行考查^［3］.

例3 如圖3所示，其中物體A、B都恰好處于靜止?fàn)顟B(tài)（其中各滑輪的質(zhì)量以及滑輪間的摩擦力不計(jì)），下列說法正確的是（）.

圖3 滑輪組

A.物體A、B的重力關(guān)系為G₁=2G₂；

B.物體A所受的摩擦力為f_A=2G₂；

C.物體A所受力的合力的方向?yàn)橄蛴遥?/p>

D.物體A受到3個(gè)力，而物體B受到2個(gè)力.

解析 因?yàn)槲矬wA、B都處于靜止?fàn)顟B(tài)，所以物體A、B處于平衡狀態(tài)；以物體A研究對象，此時(shí)物體A受到向下的重力G₁，桌子對物體A的支持力F_N，繩子對物體A向右的拉力F_TA以及向左的摩擦力f_A，所以可得G₁=F_N、F_TA=f_A；以物體B為研究對象，此時(shí)物體B受到向下的重力G₂以及繩子對物體B向上的拉力F_TB，所以可得G₂=F_TB.通過題圖可得，F(xiàn)_TA=2F_TB.在選項(xiàng)A中，f_A=μF_N=μG₁=F_TA=2F_TB=2G₂，即μG₁=2G₂，所以物體A、B的重力關(guān)系為μG₁=2G₂，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤；在選項(xiàng)B中，f_A=μF_N=μG₁=F_TA=2F_TB=2G₂，故選項(xiàng)B正確；在選項(xiàng)C中，由于物體A處于平衡狀態(tài)，此時(shí)其合力為0，故選項(xiàng)C錯(cuò)誤；在選項(xiàng)D中，物體A受到4個(gè)力，分別為重力G₁、支持力F_N、繩子拉力F_TA、摩擦力f_A；物體B受到2個(gè)力，分別為重力G₂、繩子拉力F_TB，故選項(xiàng)D錯(cuò)誤.綜上所述，本題選擇B.

點(diǎn)撥 從本題的解析過程，我們可以看出其突破口就是分別對兩個(gè)物體進(jìn)行受力分析，而解題的關(guān)鍵則是確定連接各個(gè)物體繩子拉力之間的定量關(guān)系.

4 滑輪組拉力做功問題

滑輪組問題中的拉力F一直是學(xué)生最為疑惑的地方，拉力到底是由人自身還是由物體產(chǎn)生的，這個(gè)問題一直困擾著學(xué)生，于是便產(chǎn)生了滑輪組拉力做功這類題型，該類題型中涉及到的人體內(nèi)力做功、人體對外界做功及人的拉力做功這三類問題，都是我們在日常教學(xué)中亟需理清的問題，以便深化學(xué)生對滑輪組做功的理解.

例4 已知一人自身質(zhì)量為500 N，小船質(zhì)量為2 500 N，如圖4所示，當(dāng)站在船上的人使用50 N的拉力拉動(dòng)繩子時(shí)，小船則可呈現(xiàn)出勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài).假設(shè)在此背景下，忽略繩子的重量、滑輪組的重量及運(yùn)動(dòng)過程中的摩擦力，請問當(dāng)小船移動(dòng)10 m后，拉力做功多大？

解析 首先看一類學(xué)生常見的概念誤區(qū)，左側(cè)固定的滑輪為定滑輪，小船船頭滑輪則為動(dòng)滑輪，若是小船移動(dòng)10 m，根據(jù)滑輪組原理則可判定人手持的繩端移動(dòng)距離為s=3×10 m=30 m，那么拉力做功為W_拉=F×s=50 N×30 m=1 500 J.從此處的錯(cuò)誤解法不難看出，該計(jì)算方法是以人作為參考系進(jìn)行做功計(jì)算的.但對題中場景而言，人和小船這個(gè)整體相對于地面在做勻速直線運(yùn)動(dòng)，所以不難看出分別以人和地面作為參考系后，計(jì)算得到的做功結(jié)果必然不一樣.正確的解法應(yīng)該是將地面作為參考系，根據(jù)滑輪組原理，繩子的末端相對于人體移動(dòng)了30 m，人與小船組合而成的整體相對于地面參考系移動(dòng)了10 m，故可知繩子的末端相對于地面參考系移動(dòng)的距離應(yīng)為20 m，按照做功計(jì)算，便可得到拉力做功為W_拉=F×s=50 N×20m=1 000 J.

點(diǎn)評(píng) 值得注意的是，在中學(xué)物理教學(xué)中，若無特殊說明，必然是將地面作為參考系，若是沒有明確具體的參考系類型，對位移、速度及功等具備相對性特征的物理量，其計(jì)算結(jié)論往往會(huì)受到參考系的影響而發(fā)生變化.尤其是涉及到此類滑輪組做功計(jì)算問題時(shí)，默認(rèn)參考系必須以地面為參考系，對應(yīng)的受力運(yùn)動(dòng)距離也應(yīng)該是受力物體相對于地面的位移.

中考物理中滑輪組問題，不僅會(huì)出現(xiàn)本文所給出的一些常見題型，甚至可能會(huì)出現(xiàn)一些與生活比較密切、綜合性比較強(qiáng)的題目，注意在解答此類問題時(shí)把握解題技巧，牢記一些特有的規(guī)律，才能夠快速準(zhǔn)確解答^［4］.

參考文獻(xiàn)：

［1］ 張洪霞.滑輪組問題分析［J］.物理教學(xué)探討，2008，26（2）：34-35.

［2］ 佚名.滑輪組問題的分析方法［J］.數(shù)理化學(xué)習(xí)（初中版），2009（4）：41-42.

［3］ 郭佳.滑輪組機(jī)械效率問題求解方法探索［J］.亞太教育.2015（5）：32.

［4］ 林艷.解有關(guān)滑輪組機(jī)械效率計(jì)算題的基本步驟［J］.中學(xué)課程輔導(dǎo)（教學(xué)研究），2010（15 ）：55.

［責(zé)任編輯：李 璟］