专题3.4-2　简单机械-滑轮（解析版）

第3章能量的转化与守恒3.4-2简单机械——滑轮目录 1 1 4 4【基础巩固练】 5【发散思维练】 9【核心素养练】 9【中考提分练】 121.定滑轮周边有小槽，能绕中心轴转动的小轮叫做滑轮。滑轮分定滑轮、动滑轮两种。用定滑轮、动滑轮又可以组装成不同的滑轮组。定滑轮——使用时，轴固定不动。特点：不能省力，但能改变力的方向。实质：相当于一个等臂杠杆。(支点为滑轮的轴心，动力臂和阻力臂都等于滑轮的半径)。【归纳提升】该滑轮工作时，滑轮的轴位置不随重物一起移动，把这种滑轮叫定滑轮。定滑轮不省力(使用定滑轮提升重物G时，若不计绳重及摩擦，则绳子自由端所用的拉力F＝G)，不省距离(使用定滑轮提升重物时，若重物被提升h，则绳子自由端移动的距离s＝h)，能改变力的方向(不管沿哪个方向拉绳子，在不计绳重及摩擦时，拉力F＝G)。定滑轮在使用时，相当于一个等臂杠杆，动力臂和阻力臂都等于滑轮的半径。2.动滑轮（1）定义：使用时轴随物体一起运动的滑轮。（2）特点：能省一半的力，但费距离，不能改变力的方向。（3）实质：相当于动力臂为阻力臂两倍的省力杠杆。(支点为滑轮与绳子相切的切点，动力臂等于滑轮的直径，阻力臂为滑轮的半径)。【归纳提升】该滑轮工作时，滑轮的轴随重物一起移动，把这种滑轮叫动滑轮。动滑轮省力(使用动滑轮提升重物G时，若不计绳重及摩擦，则绳子自由端所用的拉力F＝1/2G)，费距离(使用动滑轮提升重物时，若重物被提升的高度为h，则绳子自由端移动的距离s＝2h)，不能改变力的方向。当竖直向上用力时，动滑轮的动力臂为轮的直径，阻力臂为轮的半径，因此，动滑轮实质是一个动力臂为阻力臂2倍的省力杠杆。3.滑轮组（1）构成：实际应用时，常常将动滑轮和定滑轮组合而成滑轮组。（2）特点：使用滑轮组，可以省力，有的可以改变力的方向，但费距离。（3）使用时，动滑轮和物体的总重由几股绳子承担，那么拉起物体所用的力就是总重的几分之一。【知识探究】利用刻度尺进一步测量重物上升的高度及绳子自由端移动的距离，你能发现什么规律呢？绳子自由端移动的距离s＝nh(h表示物体上升的高度)，因此，使用滑轮组虽然省力但费距离。滑轮组承重绳子的股数的确定方法及组装方法(1)承重绳子的股数的确定方法：①首先要分清哪些是定滑轮，哪些是动滑轮；②在动滑轮与定滑轮之间画一条虚线，看跟动滑轮相连的绳子有几股，那么承重绳子的股数n就是几。在图甲中我们用虚线把重物和动滑轮从滑轮组中隔离，以重物和动滑轮为研究对象，有四根绳子承担动滑轮及重物，所以作用力F=。同理，分析图乙可知，提起重物及动滑轮的力F=。(2)滑轮组的简单组装方法：①当承重绳子的股数n为奇数时，绳子的起始端应固定在动滑轮的框架钩上，然后依次绕过滑轮。②当承重绳子的股数n为偶数时，绳子的起始端应固定在定滑轮的框架钩上，然后依次绕过滑轮。【常考】知道定滑轮、动滑轮和滑轮组的特点和实质【例1】如图所示，动滑轮重为1N，拉力F为5N，则重物G和弹簧测力计的读数为(不计摩擦)（）A.G为4N，弹簧测力计读数为5NB.G为9N，弹簧测力计读数为10NC.G为10N，弹簧测力计读数为5ND.G为9N，弹簧测力计读数为5N【答案】D【解析】解：此时弹簧秤与拉力F共同承担重物和滑轮的重力，因拉力F为5N，所以弹簧秤读数也为5N；1N+G=10N，所以G=9N，故选项D正确，故选D．【例2】(2020•杭州下城月考)使用下列机械(不计机械自重及摩擦)提升重物时，既省力又能改变力的方向的是（）【答案】D【解析】图A中使用的是杠杆，可以改变力的方向，由图可知动力臂小于阻力臂，是费力杠杆；故A错误；图B中所示是定滑轮，只能改变力的方向，不能省力，故B错误；图C中是动滑轮，能省力，但不能改变力的方向，故C错误；图D中是滑轮组，与动滑轮相连的有2段绳子，动力的方向向下，可以省力，也可以改变力的方向，故D正确。【基础巩固练】1.（2020•滨州模拟）定滑轮重2N，动滑轮重1N。物体A在拉力F=4Ｎ的作用下，1s内沿竖直方向匀速升高了0.2m。不计绳重和轴摩擦，则以下计算结果正确的是（）A.绳子自由端移动速度为0.1m/sB.滑轮组的机械效率为87.5%C.天花板对滑轮组的拉力为10ＮD.滑轮组对物体A做功的功率为1.6W答图【答案】B【解析】A、绳子自由端移动的距离s=2h=2×0.2m=0.4m，绳子自由端移动速度v=s/t=0.4m/1s=0.4m/s，故A错误。B、由图知，承担物重的绳子股数n=2，拉力F=（G物+G动），G物=2F-G动=2×4N-1N=7N，有用功W有=G物h=7N×0.2m=1.4J，额外功W额=G动h=1N×0.2m=0.2J，W总=W有+W额=1.4J+0.2J=1.6J，滑轮组的机械效率，故B正确。C、滑轮组整体受力如图所示，由平衡条件得：天花板对滑轮组的拉力为F拉=G定+3F=2N+3×4N=14N，故C错误。D、滑轮组对物体A做功的功率P=W有/t=1.4J/1s=1.4W，故D错误。2.学校升国旗的旗杆顶上有一个滑轮，升旗时往下拉动绳子国旗就会上升。对这个滑轮的说法正确的是（）A.这是一个动滑轮，可省力B.这是一个定滑轮，可省力C.这是一个动滑轮，可改变力的方向D.这是一个定滑轮，可改变力的方向【答案】D【解析】国旗上升的滑轮属于定滑轮，可以改变力的方向。3.同一物体沿相同水平地面匀速移动，如下图所示，拉力分别为F甲、F乙、F丙，不计滑轮与轻绳间的摩擦，比较它们的大小，则（）A.F甲<F乙<F丙B.F甲>F乙>F丙C.F甲>F乙=F丙D.F甲=F乙>F丙【答案】B【解析】由于是同一物体，三种情况物体移动时受到的摩擦力f相同，图中，三个滑轮分别是定滑轮、动滑轮和滑轮组，由图可知，F甲等于f，F乙等于f的一半，F丙等于f的三分之一，故F甲>F乙>F丙。4.如图所示，某同学用重为10N的动滑轮匀速提升重为50N的物体。不计摩擦，则该同学所用拉力F的可能值是（）A.20NB.25NC.30ND.35N【答案】D【解析】由题图可知：拉力F的方向不是竖直向上的，则力F的力臂将不再是动滑轮的直径，而是小于直径，如图所示，根据杠杆的平衡条件，所以，因为l<2r，所以，即F>30N.5.如图所示装置，在水平拉力Ｆ的作用下，物体M沿水平地面匀速直线运动，已知弹簧测力计读数为10N，物体M的运动速度为1m/s(不计滑轮与绳子质量、绳子与滑轮间的摩擦、滑轮与轴间摩擦)。那么在此过程中（）A.物体M与地面间的摩擦力为5ＮB.物体Ｍ与地面间的摩擦力为10ＮC.水平拉力F做功的功率为20WD.1s内滑轮对物体Ｍ做功为10J【答案】C【解析】因为物体做匀速运动，所以摩擦力f=2F=2×10N=20N，故A、B错误；v绳=2v=2m/s，水平拉力Ｆ做功的功率：P=Fv=10×2m/s=20W，故C正确；s=vt=1s×1m/s=1m，1s内滑轮对物体M做功为W=Fs=20N×1m=20J，故D错误。6.(2020绍兴)如图，甲、乙实验可以得出“定滑轮不能省力”这一结论。小敏想通过一次实验既得出结论，又能直接显示出钩码的重力大小，于是在左侧加上一个相同的弹簧测力计(弹簧测力计重力不能忽略、绳和滑轮之间摩擦不计)。下列四套装置中能实现的是（）【答案】D【解析】弹簧测力计的读数表示挂钩处收到的拉力大小，在A、C两图中，钩码挂在拉环上(即左边测力计倒置使用)，因为弹簧测力计本身有重力，所以此时测力计显示的示数等于测力计自身的重力与钩码重力之和，则不能直接显示出钩码的重力大小，故A、C错误；在B、D两图中，钩码挂在挂钩上(即左边测力计正常使用)，所以能直接显示出钩码的重力大小；①图B中，右边的测力计倒置使用，此时右边测力计的示数等于左边测力计的重力与钩码重力之和，而左边测力计的示数等于钩码的重力，所以两边测力计的示数不相等，不能得出正确结论，B错误；②设两测力计的重力均为G，由于定滑轮上的左边都是钩码和一个测力计在拉绳子，则绳子的拉力为F=G1+G；图Ｄ中，左边测力计的示数为F左=G1；手拉右边测力计的挂钩，由力的平衡条件可得，右边测力计的示数(即测力计受到向下的拉力)：F右=F-G=G1+G-G=G1；所以，F左=F右=G1，能得出正确结论，故D装置中能实现所有的要求；故选D。7.如图所示，重为100Ｎ的物体A在水平拉力Ｆ的作用下，沿水平面以0.4m/s的速度做匀速直线运动，弹簧测力计的示数为5N。不计滑轮、绳子、弹簧测力计的重力，忽略绳子与滑轮间的摩擦，则（）A.物体A受到水平的摩擦力为5ＮB.拉力Ｆ的功率为4WC.若物体A匀速运动2s，拉力F做功为4JD.物体A受到的支持力和物体A对水平面的压力是一对平衡力【答案】B【解析】物体以0.4m/s的速度运动，那么拉力的作用点将以0.8m/s的速度运动，根据P=Fv，得到B选项正确。8.如图所示的滑轮属于___________，它是一个变形的___________杠杆，使用它的好处是可以___________。若要匀速提起重为50Ｎ的物体G，不计滑轮和绳子之间的摩擦，则拉力F等于___________。【答案】定滑轮等臂改变力的方向50N【解析】如图所示的滑轮属于定滑轮，它是一个变形的等臂杠杆，使用它的好处是可以改变力的方向，不计滑轮和绳子之间的摩擦，F=G=50N。8.如图所示，工人用240Ｎ的拉力，在15s的时间内，将重600Ｎ的建筑材料从地面提升到6m高的楼顶上，绳子自由端移动了___________m，拉力做的功是___________J，拉力的功率是___________W。【答案】184320288【解析】由图可知，物体由3股绳子承担重力，故物体上升6m，绳子自由端要上升18m，拉力Ｆ做功：W=Fs=240N×18m=4320J，拉力功率：P=W/t=4320J/15s=288W.9.(2020•温州龙湾期末)如图所示，用同一滑轮匀速提升同一重物(不计绳重和摩擦)。图中F1、F2、F3、F4之间的关系正确的是（）A.F3=F4B.F1=F2C.F1=F3D.F3=F4【答案】A【解析】甲是动滑轮，使用时可以省力，动滑轮相当于一个省力杠杆，左端为支点F1的力臂大于F2的力臂，故F1<F2<G，且F1=G；乙是定滑轮，使用时不省力也不费力，定滑轮相当于等臂杠杆，故F1=F4=G；故Ａ正确，B错误；F1=G=×F3，故C错误；F2>F=G=F4，故D错误。故选A。10.建筑工人利用如图所示装置，将质量为100kg的沙袋从地面匀速提到3m高的一楼楼上，用时30s。已知动滑轮的质量为8kg，不计绳子重力和摩擦。(g取10N/kg)求：(1)拉力的大小。(2)这段时间内人拉绳子做功的功率。【答案】(1)F=G总=(m沙+m轮)g=×(100kg+8kg)×10N/kg=540N。(2)W=Fs=540N×6m=3240J，P=W/t=3240J/30s=108W.【解析】（1）根据公式F=（G+G轮）求出拉力；（2）根据功和功率的计算公式解答。【发散思维练】11.(2020•宁波镇海月考)把质量相等的A、B两物体挂在如图滑轮组下面，不计绳子、滑轮的重力和摩擦，放手后（）A.A上升B.A下降C.A、B均静止D.无法判断【答案】B【解析】B所在的滑轮为动滑轮，动滑轮省一半的力，A所在的滑轮为定滑轮，定滑轮不省力；A与B质量相等，重力相等，将B拉起只需A重力的一半即可，所以A下降，B上升，选项Ｂ正确。12.如图所示，F1=4N，F2=3N，此时物体A对于地面静止，物体B以0.1m/s的速度在物体A表面向左做匀速直线运动(不计弹簧测力计、滑轮和绳子的自重及滑轮和绳子之间的摩擦)。下列说法错误的是（）A.F2的功率为0.6WB.弹簧测力计读数为9NC.物体A和地面之间有摩擦力D.如果增大F2，物体A可能向左运动【答案】D【解析】由图知，水平使用滑轮组，n=2，拉力端移动速度v=2v物=2×0.1m/s=0.2m/s，拉力做功功率P2=F2v=3N×0.2m/s=0.6W，故Ａ正确；不计弹簧测力计、滑轮和绳子的自重及滑轮和绳子之间的摩擦，弹簧测力计的示数F=3F2=3×3N=9N，故B正确；物体A受到向右的拉力，相对于地面有向右的运动趋势，物体A与地面之间有摩擦力，故Ｃ正确；如果增大F2，B对A的压力和接触面的粗糙程度不变，B与A之间的摩擦力不变，A受力不变，还是处于静止状态，故D错误。13.(2020•金华月考)在图中所示的简单机械中，忽略机械自重和摩擦，当提起相同重物时，最省力的是（）【答案】A【解析】图A中，动力臂是阻力臂的3倍，所以动力F=G；图B是定滑轮，由定滑轮及其工作特点可知，不省力，即Ｆ=G；图Ｃ是动滑轮，由动滑轮及其工作特点可知，省一半的力，即F=G；图Ｄ是滑轮组，绕在动滑轮上的绳子由2股，则F=G；由以上可知：忽略杠杆和滑轮的自重及它们与轴之间的摩擦，当提起相同重物时，最省力的是A.14.用滑轮组将重为G=1200N的金属块打捞出水面，不计绳重、摩擦和水对金属块的阻力，作用在绳自由端拉力Ｆ的功率始终保持1500W，金属块浸没在水中时匀速提起的速度为v=1m/s，金属块的密度为ρ=6×103kg/m3，g取10N/kg。则下列说法正确的是（）A.金属块露出水面之前，绳子自由端移动的速度为v'=4m/sB.金属块露出水面之前滑轮组的机械效率η=85.2%C.滑轮组中动滑轮的重力为G动=500ND.金属块全部出水面后作用在绳子自由端的拉力F'比F大100N【答案】C【解析】（1）从图可知，有三段绳子吊着金属块，v1=1m/s，则绳子自由端移动的速度为：v=nv1=3×1m/s=3m/s，故A选项错误；（2）∵P=1500W，∴绳子自由端的拉力为：F=P/v=1500W/3m/s=500N，又∵金属块排开水的体积等于金属块的体积，金属块的重力为G=1200N则F浮=ρ液gV排=ρ液gV金=ρ水g，而金属块对绳子的拉力等于金属块的重力减去金属块所受的浮力，∴≈66.7%．故选项B错误；（3）∵不计绳重和摩擦∴F=（G-F浮+G动），则G动=nF-（G-F浮）=3×500N-1200N×（1-）=500N，故选项C正确；（4）当金属块被拉出水面后，作用于绳子自由端的拉力F′=（G+G动）=（1200N+500N）≈566.7N，F′-F=566.7N-500N=66.7N，故选项D错误。15.(2020•宁波镇海模拟)滑轮是工农业生产中常用的一种简单机械。甲同学用定滑轮进行了如图所示的三个实验。(1)甲同学研究的问题是____________________________________________。(2)研究该问题时，弹簧测力计的操作方法可以是___________(填序号)。①拉着重物保持静止②匀速向下拉动重物③随意拉动重物【答案】(1)使用定滑轮提升同一重物时，拉力大小与拉力的方向是否有关(2)①②【解析】（1）由图一、二、三可知，当使用定滑轮提升同一重物时，改变拉力的方向，观察拉力的大小是否改变，研究拉力的大小与拉力的方向是否有关。（2）研究该问题时，应该让物体保持静止状态或匀速运动状态，故弹簧测力计的操作方法可以是拉着重物保持静止或匀速向下拉动重物。【核心素养练】16.(科学思维)如图所示，利用滑轮组在2s内将重400N的物体匀速提升了1m，所用拉力F为150N。不计绳重和摩擦，下列说法正确的是（）A.绳子自由端移动的速度为2m/sB.动滑轮的总重为100ＮC.滑轮组的机械效率为83.3%D.提升更重的物体，滑轮组的机械效率会变小【答案】A【解析】由图知，n=4，绳子自由端移动的距离：s=4h=4×1m=4m，绳子自由端移动的速度v=s/t=4m/2s=2m/s，故Ａ正确；不计绳重及摩擦，拉力F=(G+G动)，可得动滑轮所受的重力：G动=4F-G=4×150N-400N=200N，故B错误；拉力做的功W总=Fs=150N×4m=600J，有用功W有用=Gh=400N×1m=400J，滑轮组的机械效率η=W有用/W总×100%=400J/600J×100%≈66.7%，故C错误；若用该滑轮组提升所受重力更重的物体，额外功不变，有用功增加，有用功在总功中所占的比例增加，机械效率会变大，故Ｄ错误。故选A。17.(科学探究)图甲是探究“动滑轮工作时特点”的实验装置。(1)实验时，应竖直拉动使钩码___________上升。(2)小军记录数据如下表，分析数据可得：使用动滑轮可以___________。(3)小军继续实验，并作出“拉力F与钩码重的比值随钩码重的变化”图像，如图乙所示。分析图像可知：钩码越重，拉力F与钩码重的比值就越接近___________(填数值)。由此他推理得出：在不计动滑轮重及摩擦时，使用动滑轮可以省___________的力。【答案】(1)匀速(2)省力(3)0.5一半【解析】(1)由二力平衡可知，当匀速拉动时，弹簧测力计对绳子的拉力大小等于弹簧测力计示数大小。(2)由表格中的数据可知，拉力大小小于钩码的重力大小，故使用动滑轮可以省力。(3)当钩码重力为2N时，拉力F与钩码的比值=0.55；当钩码的重力为4N时，拉力F与钩码的比值为≈0.525；当钩码的重力为6Ｎ时，拉力F与钩码的比值为=0.52，故钩码越重，拉力F与钩码重的比值就越接近0.5；推理得出：在不计动滑轮重及摩擦时，使用动滑轮可以省一半的力。【中考提分练】18.(2018•衢州)如图所示是汽车起重机，其中A、B组成滑轮组(结构如示意图)，C杆伸缩可改变吊臂的长短，D杆伸缩可改变吊臂与水平面的角度，O为吊臂的转动轴。装在E里的电动机牵引钢丝绳，利用滑轮组提升重物，H为在车身外侧增加的支柱，F为吊臂顶端受到竖直向下的力。下列有关汽车起重机的叙述中错误的是（）A.滑轮组中A滑轮用于改变力的方向B.当C杆伸长时吊臂对D