2.1.2 简单机械——滑轮与轮轴（培优教学课件）科学新教材浙教版九年级下册

简单机械 （第二课时） 第二章 机械与动力工程 浙教版九年级下册 学习目标 科学观念 知道定滑轮、动滑轮的特点及实质；理解滑轮组的省力规律，知道轮轴的构造和作用 科学思维 能用杠杆变形观点分析滑轮；能根据滑轮组判断省力情况与绳子移动距离的关系 探究实践 能通过实验探究定滑轮、动滑轮的特点；会组装简单的滑轮组并正确读数 态度责任 体会滑轮和轮轴在生产生活中的广泛应用，感悟机械对人类文明的意义 重点难点 重点 1.定滑轮、动滑轮的特点及其实质 2.滑轮组的省力规律及绳子绕法 难点 1.轮组中承担物重的绳子股数n的判断 2.拉力移动距离与物体移动距离的关系（s = nh） 学习内容 1. 定滑轮与动滑轮 2. 滑轮组及其应用 3. 轮轴 4. 课堂小结 5. 练习与应用 导入新课 旗杆顶部有一个轮子，升旗时向下拉绳，国旗却能向上升起，这是为什么？使用这个轮子能省力吗？ 如果改用随重物一起移动的轮子，拉力又会怎样变化？ 方向盘、门把手为什么要做成一个“轮”？ 这些现象都涉及两类简单机械——滑轮和轮轴。 今天我们就来学习它们的特点与规律。 一、定滑轮与动滑轮 第1节 简单机械 一、定滑轮与动滑轮 滑轮是什么？由哪几部分组成？ 滑轮是一个周边有槽、能绕着中心轴转动的轮子。 由轮、轴和安装框架组成。 一、定滑轮与动滑轮 根据需要，滑轮有两种使用方式。 探索活动 1.观察实验用的滑轮，尝试将细线穿过滑轮； 2.请用滑轮、细线、铁架台等设计两种方案，要求利用滑轮把钩码提升起来，在图中画出实验装置图。 3.利用设计的方案，组装实验装置，提升钩码。 4.分析这两种方案的不同之处。 轴固定不变 轴随钩码一起移动 定滑轮 → 定滑轮的轴固定不变 动滑轮 → 动滑轮的轴随钩码一起移动 一、定滑轮与动滑轮 我们发现定滑轮和动滑轮都能用来提升重物，那么这两者具体作用有何区别呢？ 探索活动 （1）如图甲所示，用弹簧测力计测出钩码的重G1。 （2）如图乙所示，通过定滑轮用弹簧测力计 匀速向下拉动钩码，记录弹簧测力计的读数F1， 并与钩码的重相比较。 （3）改变拉力的方向，如图丙所示，观察弹 簧测力计的读数是否发生变化？同时注意观察 F1拉过距离s与重物上升高度h间的关系。 实验现象 ① ②改变拉力方向，拉力大小不变 ③ 定滑轮的作用 ①使用定滑轮不能省力 ②能够改变力的作用方向 一、定滑轮与动滑轮 （4）先用弹簧测力计测出钩码和滑轮的总重G2。如图丁所示，通过动滑轮用弹簧测力计匀速向上拉动钩码，记录弹簧测力计的读数F2，并与钩码和滑轮的总重G2相比较。同时注意观察F2拉过距离s与重物上升高度h间的关系。（忽略摩擦） 实验现象 ① ② 动滑轮的作用 ①使用动滑轮可以省一半力 ②不能改变力的方向 ③费距离 注意事项 1.实验时，可以用弹簧测力计拉着钩码处于静止时读数。 2.沿不同方向拉弹簧测力计时，由于弹簧的自重，需要调零后测量。 一、定滑轮与动滑轮 为什么这两种滑轮作用有这么大的差别呢？ 这是因为滑轮的实质其实是杠杆，如图所示我们可以用画图的方式来分析一下： F1’ L2 L1 定滑轮 L1=L2，均为半径，定滑轮的实质是等臂杠杆 根据杠杆平衡条件： ，故。 改变拉力的方向，动力臂和阻力臂不变，还是半径，故力的大小不变。 一、定滑轮与动滑轮 我们再分析一下动滑轮的实质，理解它的原理： F2’ L2 L1 L1’ 动滑轮 L1=2R，L2=R，根据杠杆平衡条件： ，故 故动滑轮的实质是一个动力臂是阻力臂2倍的省力杠杆。 改变拉力的方向，动力臂减小（小于直径2R），阻力和阻力臂不变，故动力F2减小，说明拉力方向改变，虽然省力但幅度变小。 一、定滑轮与动滑轮 定滑轮与动滑轮对比表 项目 定滑轮 动滑轮 轴的位置 是否省力 绳子自由端移动距离s与物体移动距离h的关系 是否改变方向 实质 那么实际应用时既想省力又想改变力的方向时，应该怎样使用滑轮呢？ 固定不动 随物体移动 不省力F=G 省一半力F=G s=h s=2h 改变 不改变 等臂杠杆 省力杠杆 二、滑轮组及其应用 第1节 简单机械 二、滑轮组及其应用 实际应用时，常常将定滑轮和动滑轮组合成滑轮组。那么、使用滑轮组时，拉力的大小究竟与什么因素有关？ 探索活动 1.用弹簧测力计测出钩码和动滑轮的总重G。 2.按如图甲所示匀速拉动或静止拉住绳子，记录此时承担重物和动滑轮总重的绳子股数和弹簧测力计的示数F1。并测量重物移动距离h和绳子自由端移动距离s。 3.按如图乙所示匀速拉动或静止拉住绳子，同样记录以上数据。 定滑轮 改变力的方向 省力 绳子股数 确定n的方法 在定滑轮与动滑轮之间横切一刀，吊着动滑轮的绳子数为n 动滑轮 n=2 n=3 二、滑轮组及其应用 【实验数据与分析】 实验 钩码和动滑轮总重（N） 承重绳子股数 弹簧测力计的拉力（N） F与G的关系 绳子自由端移动距离s（cm） 钩码上升高度h（cm） s与h的关系 甲 10 2 5 18 9 乙 10 3 3.3 18 6 s=2h s=3h 总结以上数据可知： 二、滑轮组及其应用 【实验结论】 1.使用滑轮组时，重物和动滑轮的总重由几股绳子承担，提起重物所用的力就是总重的几分之一。（忽略绳重及各处的摩擦力） 2.绳子自由端移动的距离s与物体上升的高度h的关系是： 思考与讨论 绳子自由端移动的速度和物体（动滑轮）移动速度的之间的关系？ 根据，t相同，故 二、滑轮组及其应用 但是我们使用滑轮组不一定都是竖拉物体，有时也需要进行横拉，那么此时滑轮组是否有同样的规律呢？ 匀速运动 摩擦力f ① ② ③ 规律与用滑轮组竖拉物体相同，只是把重物的重力换成了摩擦力，但滑轮组规律的应用有一些限定条件，我们可以列表梳理一下。 拉力T s=𝟑s物 二、滑轮组及其应用 滑轮组规律总结 项目 竖直拉物体 水平拉物体 克服的阻力 物体重力 G 接触面摩擦力 f n 的含义 承担“物+动滑轮”的绳段数 拉动物体侧动滑轮的绳段数 移动距离 s=nh s=ns物 速度 v=nv物 v=nv物 理想拉力公式 （不计绳重、轮摩） 再理想 （不计动滑轮重） 二、滑轮组及其应用 思考与讨论 杠杆、滑轮等简单机械，有的省力、有的不省力，有的可以少移动距离，有的却要多移动距离。在使用简单机械时，你认为省力或费力、省距离或费距离，它们之间有什么关系？ 核心关系：省力必费距离，省距离必费力，二者不可兼得。 根本原因是功的原理：使用任何机械都不省功（理想情况下W=Fs恒定）。 若机械省力，则必须多移动距离，力减小几倍，距离就增大几倍； 若机械省距离，则必须费力； 既省力又省距离的机械不存在。 如：动滑轮：省一半力 → 绳子要拉两倍距离； 筷子/镊子：费力 → 手移动一小段，夹取端就能移动较大范围（省距离） 实际机械还有摩擦等额外功，所以不仅不省功，反而要做更多功。 二、滑轮组及其应用 【例题】缠绕滑轮的绳子能承受的最大拉力为300牛，两个同学用两个滑轮连接成如图所示的滑轮组，按他们的设计组装的滑轮组能提升600牛的重物吗？（已知动滑轮重20牛，摩擦及绳的质量不计） 解：重物和动滑轮的总重 甲：n=2，拉力＞300N 故：甲滑轮组不能用来提升600牛的重物。 乙：n=3，拉力＜300N 故：乙滑轮组可以用来提升600牛的重物。 n=2 n=3 三、轮轴 第1节 简单机械 三、轮轴 明代学者宋应星编著的《天工开物》是世界上第一部关于农业和手工业生产的综合性著作。如图所示，是人们应用简单机械——轮轴进行生产的场景。那么轮轴是怎样改变力的大小和方向的呢？ 轮轴，顾名思义是由“轮”和“轴”组成的系统，该系统能绕共同的轴旋转。习惯上，半径较大的是轮，半径较小的是轴。 轮 轴 轮 图中有两组轮轴，一是做圆周运动的摇臂和轴，二是缠绕绳子的轮和轴 三、轮轴 日常生活中，有许多简单机械属于轮轴，如图所示。你会分析它们的轮和轴吗？ 扳手上的调节旋钮是轮轴：转动外圈滚轮（轮）→带动中心螺杆（轴）旋转，从而微调卡口大小。 轮 轴 轮 轴 轴 轮 思考与讨论 在自行车上找一找，哪些部件属于轮轴？ 轮 轴 轮 轴 作用在轮和轴上的力有什么关系？ 三、轮轴 探索活动 把两条细线沿相反方向绕在轮和轴上，一条细线的尾端悬挂钩码，另一条细线的尾端与弹簧测力计相连。改变弹簧测力计的拉力方向，观察弹簧测力计的示数是否改变。 对换钩码和弹簧测力计的位置，观察弹簧测力计的示数变化。 三、轮轴 【实验数据】 项目 轮半径R/cm 轴半径r/cm 钩码重力mg/N 测力计F1/N 测力计F2/N 测力计F3/N 测力计F4/N 实验一 5.0 2.5 1.0 0.5 0.5 2.0 2.0 实验二 5.0 2.5 2.0 1.0 1.0 4.0 4.0 实验一：作用在轮上的力较小（省力），且力的大小与拉力方向无关。 实验二：作用在轴上的力较大（费力），且力的大小与拉力方向无关。 【实验分析】 【实验结论】 当轮轴平衡时，作用在轮上的力比作用在轴上的力小，而力的大小与作用方向无关。 三、轮轴 为什么轮与轴的受力有这样的关系呢? L1 L2 轮轴可以看成一个可连续转动的不等臂杠杆。 支点在轴心O，动力臂是轮半径R，阻力臂是轴半径r。 根据杠杆平衡条件： ①当动力作用在轮上时， FR=Gr，R＞r，F＜G， 轮轴是一个省力杠杆，但费距离； ②当动力作用在轴上时， Fr=GR，R＞r，F＞G， 轮轴是一个费力杠杆，但省距离。 三、轮轴 思考与讨论 请举出省力轮轴和费力轮轴的实例。 1.省力轮轴实例 门把手：手握外面大轮转动，带动内部小轴转，省力。 方向盘：手推外圈大轮，带动转向轴转动。 扳手拧螺母、自来水龙头开关、螺丝刀拧螺丝。 2.费力轮轴实例 自行车后飞轮带动后轮：链条带动小齿轮（轴）转动，再带动车轮（轮）转动，费力但车轮转得更快、走得更远。 电风扇叶轮：电机带动中心小轴转动，叶片末端线速度大，属于费力省距离的应用。 四、课堂总结 第1节 简单机械 三、课堂总结 滑轮与轮轴 定滑轮与动滑轮 定滑轮和动滑轮概念及特点 定滑轮和动滑轮的实质 滑轮组及其应用 滑轮组的概念及特点 探究滑轮组的规律 轮轴 识别轮轴 轮轴实质与作用 五、练习与应用 第1节 简单机械 1．如图的起重机模型中，滑轮甲和乙分别属于（ ） A．动滑轮、定滑轮 B．定滑轮、动滑轮 C．定滑轮、定滑轮 D．动滑轮、动滑轮 四、练习与应用 B 【解析】定滑轮的轴位置固定不动；动滑轮的轴随重物一起移动。 滑轮甲的转轴固定在支架上，不随建材升降，因此是 定滑轮。 滑轮乙的转轴和建材一起上下运动，是动滑轮。 故选B。 四、练习与应用 2．为了帮助家人锻炼身体，小科制作了如图所示的简易拉力器，图中的滑轮（　　） A．是定滑轮，可以省力 B．是动滑轮，可以省力 C．是定滑轮，可以改变力的方向 D．是动滑轮，可以改变力的方向 四、练习与应用 C 【详解】滑轮的位置固定不变的是定滑轮，定滑轮不省力，但可以改变动力的方向；滑轮随物体运动的是动滑轮，使用动滑轮能省一半的力，但不能改变动力的方向。由题可知，图中滑轮的位置固定不变，是定滑轮，可改变力的方向，故C符合题意，ABD不符合题意。 故选C。 四、练习与应用 3．图甲为《天工开物》记载的明代升卤水的装置。木架顶部装有一滑轮，绳索绕过滑轮，一端系卤水桶（含卤水），另一端由人力拉拽。此装置可简化为图乙的滑轮组模型，不计绳重和摩擦。下列说法正确的是（ ） A．装在木架顶部的滑轮是动滑轮 B．绳子自由端拉力大小为水桶重力的一半 C．水桶上升速度等于绳子自由端移动速度 D．此滑轮组可省力但不可省功 四、练习与应用 D 【详解】A．木架顶部的滑轮轴的位置固定不动，是定滑轮，故A错误； B．水桶与动滑轮一起上升，两段绳子承担其总重，且题目未说明忽略动滑轮重力，因此绳端拉力不等于水桶重力的一半，故B错误； C．承担动滑轮的绳子有两段，绳子自由端移动的距离是水桶上升高度的2倍，因此水桶上升速度是绳子自由端移动速度的一半，故C错误； D．使用滑轮组能省力，但根据功的原理，任何机械都不能省功，故D正确。 故选D。 四、练习与应用 4．阅读文章，回答问题：轮轴是一种简单机械，轮轴由具有共同转动轴O的大轮和小轮组成，通常把大轮叫轮，小轮叫轴。图1所示是一些轮轴的实例，轮轴实际上是一个可以连续转动的变形的杠杆，轮半径R和轴半径r分别就是作用在轮和轴上的两个力F1和F2的力臂，如图2所示。 根据杠杆的平衡条件，可得，使用轮轴时，如果动力作用在轮上能省力，且轮半径是轴半径的几倍，作用在轮上的动力就是阻力的几分之一，如果动力作用在轴上就费力，但可以省距离。 （1）轮轴的实质是变形的______，如果动力作用在轮上就可以______力，作用在轴上就______力； （2）除了上面所举的实例，生活中还有很多使用轮轴的实例，请再举一个轮轴实例：______； （3）若螺丝刀的轮半径是1.5cm，轴半径是0.3cm，则正常使用螺丝刀是______（选填“省力”或“费力”）的，且动力是阻力的______倍。 四、练习与应用 杠杆 省 废 水龙头 省力 0.2 【详解】（1）轮轴实际上可以看成一个能连续转动的杠杆，转轴O相当于支点，轮半径R和轴半径r分别相当于两个力的力臂。动力作用在轮上时，动力臂较大，可以省力；动力作用在轴上时，动力臂较小，需要较大的动力，会费力。 （2）生活中的水龙头也应用了轮轴原理。转动水龙头手柄时，手柄相当于轮，与手柄相连的阀杆相当于轴。 （3）正常使用螺丝刀时，手柄相当于轮，刀杆相当于轴，动力作用在轮上，因此可以省力。根据轮轴的平衡关系，先写字母关系式 将轮半径和轴半径代入，可得动力与阻力之比 所以动力是阻力的0.2倍。 四、练习与应用 5．如图所示，利用滑轮组装置匀速提升100N的物体A，已知动滑轮重2N，物体被提升的速度是0.1m/s，不计绳重和绳与滑轮间的摩擦力，/kg。求： （1）拉力F在10s内移动的距离是多少？ （2）拉力F的大小是多少？ （3）如果利用滑轮装置提升另一个物体B时，拉力F的大小为50N， 则物体B的重力是多少？ 四、练习与应用 （1）n=3，s=nh=nvt=3×0.1m/s×10s=3m （ （3） $