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400
不能
不变
竖直方向
动滑轮自身有重力
得到普遍规律
不合理因为实际使用动滑轮提起物体
时,还提起了动滑轮,且还要克服绳子重以
及摩擦所以实际绳子自由端的拉力大于物体重力的一半
【分析】
我们可以分两步梳理解题思路:
1. 先分析甲图的滑轮:甲是常规使用的动滑轮,轴随重物同步移动,拉力作用在绳的自由端。在不计绳重、滑轮重和摩擦的条件下,常规动滑轮省一半力,绳端移动距离是物体上升距离的2倍,代入物重和提升高度算出F甲和s甲,就能判断A、B选项的对错。
2. 再分析乙图的滑轮:乙的滑轮同样随拉力移动,属于动滑轮,但拉力作用在滑轮的轴上,两段绳子的拉力都等于物重,此时动滑轮为费力杠杆,拉力大小是物重的2倍,拉力端移动距离是物体上升距离的1/2,代入数值计算F乙和s乙,就能判断C、D选项的对错,最终选出正确答案。
【解析】
解:
① 对甲图进行计算:
甲为常规动滑轮,不计绳重、滑轮重和摩擦,根据动滑轮工作特点:
拉力 $F_{\mathrm{甲}}=\frac{1}{2}G_{\mathrm{物}}=\frac{1}{2}×200\ \mathrm{N}=100\ \mathrm{N}$,
拉力端移动距离 $s_{\mathrm{甲}}=2h=2×2\ \mathrm{m}=4\ \mathrm{m}$,
因此A选项中$F_{\mathrm{甲}}=200\ \mathrm{N}$错误,B选项中移动距离为2m错误,A、B均不符合要求。
② 对乙图进行计算:
乙的滑轮为反向使用的动滑轮,拉力作用在滑轮轴上,两段绳子的拉力都等于物重$G_{\mathrm{物}}$,对滑轮受力平衡可得:
$F_{\mathrm{乙}}=2G_{\mathrm{物}}=2×200\ \mathrm{N}=400\ \mathrm{N}$,
拉力端移动距离 $s_{\mathrm{乙}}=\frac{1}{2}h=\frac{1}{2}×2\ \mathrm{m}=1\ \mathrm{m}$,
因此C选项中$F_{\mathrm{乙}}=200\ \mathrm{N}$错误,D选项描述正确。
【答案】D
【知识点】
动滑轮实质,力与距离关系
【点评】
本题的易错点是直接套用常规动滑轮“省一半力”的结论,忽略乙图中拉力作用在动滑轮轴上的特殊使用场景。这类反向使用的动滑轮属于费力杠杆,会成倍增大拉力同时省距离,解题时要结合杠杆本质或者受力分析推导,不能死记硬背通用结论。
【难度系数】
0.5
【分析】
我们解题的第一步是先区分甲、乙两个滑轮的类型,回忆定滑轮和动滑轮的核心特点:定滑轮的轴固定不动,实质是等臂杠杆,仅能改变力的方向,不能省力;动滑轮的轴会随被拉动的物体一起运动,实质是动力臂为阻力臂2倍的杠杆,可以省一半的力。首先观察甲图:滑轮的轴固定连接在树上,不会随汽车移动,属于定滑轮,使用它拉汽车时拉力大小等于汽车受到的阻力,无法省力。再观察乙图:滑轮的轴和汽车相连,会随着汽车同步移动,属于动滑轮,能够省一半力,因此乙方法更省力。在忽略滑轮自重、绳和摩擦的理想情况下,拉力仅为汽车所受阻力的一半,代入阻力数值即可算出最小拉力。
【解析】
1. 识别滑轮类型:
甲图中滑轮轴的位置固定,不随汽车运动,是定滑轮,定滑轮不省力,拉力等于汽车受到的阻力,即$F_甲=f=800\mathrm{N}$。
2. 分析乙图的省力情况:
乙图中滑轮的轴随汽车一起运动,是动滑轮,理想状态下动滑轮可以省一半力,因此人需要的最小拉力:
$F_乙=\frac{f}{2}=\frac{800\mathrm{N}}{2}=400\mathrm{N}$。
对比可知乙方法更省力。
【答案】
乙;400
【知识点】
定滑轮特点,动滑轮特点
【点评】
本题结合拖车的生活情境考察滑轮的应用,易错点是误判甲为动滑轮,解题时要牢记通过“轴是否随被拉物体运动”来区分定、动滑轮,本题中拉动汽车需要克服的是汽车受到的摩擦力,不需要额外考虑汽车的重力。
【难度系数】
0.7
【分析】
我们可以按问题顺序逐步梳理思考逻辑:
1. 处理第(1)问:首先明确第1、2次实验对应定滑轮,对比两次实验里钩码上升高度和绳子自由端移动距离,能发现二者大小相等,不存在移动距离更小的情况,因此可判断定滑轮不能省距离。而定滑轮的本质是等臂杠杆,无论拉力方向如何变化,动力臂始终等于滑轮的半径,阻力和阻力臂都没有改变,所以拉力大小不会发生变化。
2. 处理第(2)问:图丙是动滑轮,只有沿竖直方向拉动时,拉力的力臂才等于动滑轮的直径,是最大的动力臂,能保证拉力测量准确,因此要沿竖直方向匀速拉动。理想状态下动滑轮省一半力是忽略动滑轮自重和摩擦的,实际拉力比钩码重力的一半大,最主要的原因就是动滑轮自身有重力,需要额外的力拉起动滑轮。
3. 处理第(3)问:本实验属于规律探究类实验,多次实验不是为了求平均值减小误差,而是为了避免单次实验的偶然性,得到普遍适用的结论。
【解析】
(1) 第1、2次定滑轮实验数据显示,绳子自由端移动距离与钩码上升高度相等,说明使用定滑轮无法省距离;定滑轮实质为等臂杠杆,改变拉力方向时动力臂始终等于滑轮半径,阻力、阻力臂均不变,因此拉力大小保持不变。
(2) 使用动滑轮时,沿竖直方向匀速拉动绳子自由端,才能保证拉力的力臂等于动滑轮直径,让测量结果准确;实际使用动滑轮时需要额外克服动滑轮自重做功,因此测得的拉力总比钩码重力的一半大,核心原因是动滑轮自身存在重力。
(3) 本实验目的是探究定滑轮和动滑轮的通用特点,多次实验可以排除单次实验的偶然性,得到具有普遍性的规律。
【答案】
(1) 不能 不变 (2) 竖直方向 动滑轮自身有重力 (3) 得到普遍规律
【知识点】
定滑轮的特点;动滑轮的特点;探究实验多次实验目的
【点评】
本题是滑轮探究实验的基础常规考题,覆盖了定滑轮动滑轮的核心性质、实验操作注意要点,易错点在于区分定滑轮改变拉力方向时的力的变化规律,以及明确探究类实验多次操作的目的是得到普遍规律而非减小误差,整体侧重对实验原理的理解。
【难度系数】
0.8
【分析】
我们可以按问题顺序逐步梳理思考逻辑:
1. 处理第(1)问:首先明确第1、2次实验对应定滑轮,对比两次实验里钩码上升高度和绳子自由端移动距离,能发现二者大小相等,不存在移动距离更小的情况,因此可判断定滑轮不能省距离。而定滑轮的本质是等臂杠杆,无论拉力方向如何变化,动力臂始终等于滑轮的半径,阻力和阻力臂都没有改变,所以拉力大小不会发生变化。
2. 处理第(2)问:图丙是动滑轮,只有沿竖直方向拉动时,拉力的力臂才等于动滑轮的直径,是最大的动力臂,能保证拉力测量准确,因此要沿竖直方向匀速拉动。理想状态下动滑轮省一半力是忽略动滑轮自重和摩擦的,实际拉力比钩码重力的一半大,最主要的原因就是动滑轮自身有重力,需要额外的力拉起动滑轮。
3. 处理第(3)问:本实验属于规律探究类实验,多次实验不是为了求平均值减小误差,而是为了避免单次实验的偶然性,得到普遍适用的结论。
【解析】
(1) 第1、2次定滑轮实验数据显示,绳子自由端移动距离与钩码上升高度相等,说明使用定滑轮无法省距离;定滑轮实质为等臂杠杆,改变拉力方向时动力臂始终等于滑轮半径,阻力、阻力臂均不变,因此拉力大小保持不变。
(2) 使用动滑轮时,沿竖直方向匀速拉动绳子自由端,才能保证拉力的力臂等于动滑轮直径,让测量结果准确;实际使用动滑轮时需要额外克服动滑轮自重做功,因此测得的拉力总比钩码重力的一半大,核心原因是动滑轮自身存在重力。
(3) 本实验目的是探究定滑轮和动滑轮的通用特点,多次实验可以排除单次实验的偶然性,得到具有普遍性的规律。
【答案】
(1) 不能 不变 (2) 竖直方向 动滑轮自身有重力 (3) 得到普遍规律
【知识点】
定滑轮的特点;动滑轮的特点;探究实验多次实验目的
【点评】
本题是滑轮探究实验的基础常规考题,覆盖了定滑轮动滑轮的核心性质、实验操作注意要点,易错点在于区分定滑轮改变拉力方向时的力的变化规律,以及明确探究类实验多次操作的目的是得到普遍规律而非减小误差,整体侧重对实验原理的理解。
【难度系数】
0.8
【分析】
我们可以按如下思路思考:首先回忆动滑轮的理想工作规律,在完全不计动滑轮自重、绳重和摩擦的理想状态下,动滑轮可以省一半力,拉力等于物重的1/2。接下来要明确真实实验场景不可能达到理想条件,动滑轮本身有重力,拉动过程还存在绳重、摩擦的额外影响,这些因素都会让实际拉力大于物重的一半。小明仅用理想状态的结论直接判定第二次实验数据错误,没有考虑实际动滑轮工作的额外阻力,由此就能判断他的分析是否合理。
【解析】
小明的分析和判断不合理:
理想状态下,完全忽略动滑轮重力、绳子重力以及各处摩擦时,动滑轮的拉力满足F=G物/2,可实现省一半力的效果。但在真实的实验操作中,动滑轮自身存在重力,提起重物的同时也需要将动滑轮一同提起,同时拉动过程中还需要克服绳子重力、转轴处的摩擦,因此实际测得的绳子自由端的拉力是大于物体重力的一半的,不能仅因为拉力不等于物重的一半就判定第二次实验数据错误,因此小明的判断不合理。
【答案】
不合理,因为实际使用动滑轮提起物体时,还提起了动滑轮,且还要克服绳子重以及摩擦,所以实际绳子自由端的拉力大于物体重力的一半
【知识点】
动滑轮的使用特点,实际机械受力分析
【点评】
本题打破了学生对动滑轮“省一半力”的固化记忆,引导学生区分物理理想模型和真实实验场景的差异,避免死记硬背物理结论,同时培养学生尊重实验数据、实事求是的科学探究素养,符合物理学科重视实际探究的核心要求。
【难度系数】
0.6