内容正文:
滑轮 机械效率
一、滑轮、滑轮组
知识梳理 夯基础
名称 定滑轮 动滑轮 滑轮组
示意图
定义 轴固定不动的滑轮 轴可以随被吊物体一起运动的滑轮 把定滑轮和动滑轮组合在一起,构成滑轮组
实质 杠杆 杠杆
特点 可以 ,但不省力,也不省距离 可以 ,但费距离(不能改变力的方向) 合适的情况下,既可以 ,又可以
等臂
省力
改变力的方向
省力
省力
改变
力的方向
G
h
2h
二、斜面和轮轴
1.斜面:斜面是一种省力、费距离的简单机械,如盘山公路。
2.轮轴:由具有共同转动轴的轮和轴组成,轮轴也可以看成杠杆的变形,如门把手、方向盘等。
三、机械效率
1.有用功:对人们有用且必须要做的功,用W有用表示。
2.额外功:并非我们需要但又不得不做的功,用W额外表示。
3.总功:有用功和 之和,即W总=W有用+W额外。
4.机械效率:有用功跟总功的 。
5.机械效率的公式: 。
额外功
比值
提示:使用任何机械都不可避免地要做额外功,有用功总是小于总功,所以机械效率总小于1。机械效率大的机械工作时,有用功占总功的比例大;做功多的机械,其机械效率不一定大。
图说物理 扣教材
1.如图所示滑轮组,每个滑轮重30 N,用该滑轮组匀速吊起重为600 N的物体,不计绳重及摩擦,则拉力的大小为 N,若绳子自由端移动了2.4 m,则物体被吊起 m。
210
0.8
2.一台起重机将重3 600 N的大石头提高4 m,起重机做的有用功为
J;如果额外功是9 600 J,总功为 J;此时机械效率为 。
1.44×104
2.4×104
60%
考点突破 炼方法
考点一 滑轮和滑轮组(2025省考第9题A)
方法总结 正确判断滑轮组绳子的股数
(1)使用滑轮组提起重物时,动滑轮上有几段绳子承担物重,提起物体的力就是物重的几分之一(忽略绳重及各处的摩擦力)。
(2)水平放置的滑轮组对物体的拉力F拉并不等于物体的重力G。当物体在水平面上以匀速直线运动被滑轮组拉动时,拉力F拉的大小等于物体所受的摩擦力f的大小。
例1 如图所示,重50 N的物体在30 N的拉力F的作用下匀速上升2 m,不计绳重和摩擦,动滑轮所受的重力为 N,拉力F移动的距离为 m,若物体所受的重力变为80 N,则拉力F为 N。
10
4
45
变式1 工程技术 如图所示为铁路输电线的牵引装置原理图,采用坠砣牵引来自动补偿输电线的张紧,以此保障列车电极与输电线的接触。钢绳通过滑轮组悬挂配重为6 000 N的坠砣,输电线的一端P点与B滑轮相连被张紧。若某段时间内坠砣竖直上升了10 cm,不计滑轮和钢绳自重、摩擦,下列说法正确的是( )
A.B滑轮是定滑轮
B.A滑轮是动滑轮
C.输电线P端受到的拉力为3 000 N
D.输电线P点向右移动了5 cm
D
考点二 机械效率相关计算
规律总结 (1)滑轮组竖直提升重物
1.滑轮组
例2 如图所示,用滑轮组提升质量为12 kg的物体时,物体在10 s内匀速竖直上升2 m,所用拉力F为50 N。则在提升物体的过程中(不计绳重和摩擦,g取10 N/kg),下列说法错误的是( )
A.绳子自由端移动的速度为0.6 m/s
B.滑轮组提升物体做的有用功为300 J
C.拉力做功的功率为30 W
D.该滑轮组的机械效率为80%
B
变式2 一位同学用如图所示的滑轮组拉着重500 N的物体,使物体以0.1 m/s的速度沿水平地面向右匀速直线运动10 s。已知物体与地面间的滑动摩擦力为150 N,滑轮组的机械效率为60%,在此过程中,下列选项正确的是( )
A.绳子自由端移动的距离为3 m
B.拉力做的有用功为500 J
C.拉力做的额外功为150 J
D.拉力做功的功率为25 W
D
变式3 如图所示,物体重10 N,每个滑轮重1 N,在F=2.5 N的拉力作用下,物体上升了1 m,则拉力做的有用功是 J,克服绳重及滑轮与绳子之间的摩擦所做的额外功为 J。
10
3
2.斜面
例3 如图所示,固定的斜面长s=1.2 m、高h=0.3 m,沿斜面向上用5 N的拉力在2 s内把一个重16 N的物体从斜面底端匀速拉到斜面顶端,拉力的功率为 W,斜面的机械效率为 。
3
80%
变式4 如图所示,在斜面上将一个重4.5 N的物体匀速拉到高处,沿斜面向上的拉力为1.8 N,斜面长s=1.2 m、高h=0.3 m。把重物直接提升h所做的功作为有用功,则( )
A.有用功为1.35 J,机械效率为75%
B.有用功为2.16 J,机械效率为62.5%
C.有用功为1.35 J,机械效率为62.5%
D.有用功为1.35 J,机械效率为100%
C
核心实验 培素养
实验 测量滑轮组的机械效率
例 小明用如图所示的装置进行“测量滑轮组的机械效率”的实验。
基础设问
(1)操作细节 实验中,绳子自由端朝上运动时,应 (选填“斜向上”或“竖直向上”) 缓慢拉动弹簧测力计(图中未画出弹簧测力计)。
竖直向上
匀速
(2)小明通过弹簧测力计拉动绳子使重物上升,用 测出重物上升的高度h和绳端移动的距离s,改变物重和滑轮组进行多次实验,记录数据如表所示。
刻度尺
序号 物重
G物/N 重物上升
的高度
h/m 拉力
F/N 绳端移动
的距离
s/m 滑轮组的
机械效
率η
1 4 0.1 2.7 0.2 74.1%
2 4 0.1 1.8 0.3 74.1%
3 8 0.1 3.2 0.3 83.3%
4 8 0.1 2.5 0.4
(3)数据处理 分析表中数据可知:
①第4次实验数据是通过图 (选填“丙”或“丁”)所示的装置得到的,此时的机械效率为 ;
②通过比较1、2两次实验数据,可得出结论:同一滑轮组提升同一重物时,滑轮组的机械效率与 无关;
③通过比较2、3两次实验数据,可得出结论:同一滑轮组提升不同物体时,物体所受的重
力越大,滑轮组的机械效率越 ;
④通过比较 (填写实验次数)两次实验数据,可得出结论:不同滑轮组提升相同重物时,动滑轮越轻,滑轮组的机械效率 。
丁
80%
绕绳的方式
高
3、4
越高
拓展设问
(4)根据表格中的数据可知:第4次实验中所做的额外功为 J。进一步分析可知,当利用同一滑轮组提升重物时,随着物重的增大,额外功
(选填“变大”“变小”或“不变”),原因是 。
(5)下列能粗略反映滑轮组的机械效率η与提升物重G关系的是 。(填字母)
0.2
变大
装置间的摩擦变大
C
(6)机械效率是衡量机械性能好坏的重要标志,请根据你的生活经验提出一种提高滑轮组机械效率的措施: 。
减轻动滑轮的自重(合理即可)
聚焦湖南 明考向
1.(2025湖南一模)如图所示,动滑轮所受的重力为2 N,拉力F为6 N,整个装置处于静止状态,则重物A所受的重力和弹簧测力计的示数分别为(不计绳重和摩擦)( )
A.4 N,5 N B.9 N,10 N
C.10 N,6 N D.9 N,5 N
C
[变情境多设问]分别使用图中四种装置匀速提升同一重物,不计滑轮重、绳重和摩擦,最省力的是( )
A
2.(2025常德二模)如图所示,小明用两个相同的滑轮组成不同的滑轮组,用这两个滑轮组在相同时间内分别将同一物体匀速提升到相同的高度,测得两个滑轮组的机械效率分别为η1、η2。不计摩擦和绳重,绳端所用拉力分别为F1、F2,绳端移动的速度分别是v1、v2,拉力做功的功率分别是P1、P2。下列说法正确的是( )
A.F1>F2,η1>η2 B.F1>F2,η1<η2
C.v1<v2,P1=P2 D.v1<v2,P1<P2
C
3.(2025常德二模)如图甲所示是某居民楼前的无障碍通道(物理学中称之为斜面),小红对此进行了探究,如图乙所示,用弹簧测力计沿斜面匀速拉动小车从A点运动到B点,A、B两点间距离为1 m,小车所受的重力为2.0 N,拉力为0.3 N,小车上升高度为0.09 m。则将小车从A点拉到B点的过程中,拉力所做的功为 J,机械效率为 %,摩擦力为 N。
0.3
60
0.12
[真实任务情境]
如图所示是位于湖南张家界天门山景区的一条盘山公路,有通天大道之称,该盘山公路全长10.77 km,利用此设计可以省 。一辆总重为1×105 N的汽车经过某一长为200 m的路段时,竖直高度上升了20 m,如果汽车的牵引力恒为2.5×104 N,此过程中盘山公路的机械效率为 。
力
40%
4.(2025湖南模拟)明代宋应星在《天工开物》中记载的农业生产汲水装置——辘轳,沿用至今。如图甲所示是一种辘轳,由具有共同转动轴的大轮和小轮组成。提水时,用力使大轮转动,小轮随之转动并缠绕井绳,提起水桶。如图甲所示的辘轳可视为杠杆,用辘轳提水的某时刻示意图如图乙所示,它的支点是图中的 点。设大轮与小轮的半径比为3∶1,水桶受到的总重力为90 N。使周长为3 m的大轮转动一圈,小轮转动的距离为 m;若要使辘轳静止在图乙所示位置,作用在C点最小的力应为 N。(不计井绳的半径和自重)
B
1
30
5.(2025长沙校级三模)中国是世界基建强国,如图甲所示的塔吊是基建的常用设备,其结构可简化为如图乙所示的滑轮组模型。已知物体所受的重力为1.2×103 N,绳子自由端施加的拉力F=800 N,物体在20 s内匀速上升10 m,不计绳重和摩擦。
(1)求物体上升的速度。
答案:(1)0.5 m/s
(2)求20 s内拉力F做功的功率。
答案:(2)800 W
(3)若利用该塔吊将2×103 N的物体吊到目的地,求此次滑轮组的机械效率(结果精确到0.1%)。
答案:(3)83.3%
谢谢观赏!
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F与G的关系(忽略绳重和滑轮的自重及摩擦)
F=
F=G
F=G
绳子移动距离(s)与重物提升高度(h)的关系
s=
s=
s=nh
η=
简单机械
有用功(W有用)
额外功(W额外)
总功(W总)
机械效率(η)
斜面甲
Gh
Fs-Gh
Fs
滑轮组乙
Gh
Fs-Gh
Fs=Fnh
=
滑轮组丙
fs1
Fs2-fs1
Fs2=Fns1
=
①不考虑滑轮所受的重力,有F=G物;
②考虑滑轮所受的重力,则有F=(G物+G动)。(n为动滑轮上承担物重的绳子段数)
①η===;
②η==。
(2)滑轮组水平匀速拉动物体η===。
(3)斜面提升重物
①η==;②η=。
解析:(1)物体上升的速度为v===0.5 m/s。
解析:(2)由图可知,n=2,20 s内拉力F做功的功率为
P===Fv′=Fnv=800 N×2×0.5 m/s=800 W。
解析:(3)不计绳重和摩擦,根据F=(G+G动)可知,动滑轮所受的重力为G动=
nF-G=2×800 N-1.2×103 N=400 N,若利用该塔吊将2×103 N的物体吊到目的地,则此次滑轮组的机械效率为η=====
=83.3%。
$