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轮轴是固定在同一根轴上的两个半径不同的轮子构成的杠杆类简单机械。半径较大者是轮,半径较小的是轴。从形式上看是圆盘,但从实质上看起来只有它们的直径或半径起力学作用。用R表示轮半径,也就是动力臂;r表示轴半径,也就是阻力臂;O表示支点。当轮轴在作匀速转动时,动力×轮半径=阻力×轴半径,所以轮和轴的半径相差越大则越省力。上式动力用F表示,阻力用W表示,则可写成FR=Wr。
即利用轮轴可以省力。若将重物挂在轮上则变成费力的轮轴,但它可省距离。轮轴的原理也可用机械功的原理来分析。轮轴每转一周,动力功等于F×2πR,阻力功等于W×2πr。在不计无用阻力时,机械的
日常生活中常见的辘轳、绞盘、石磨、汽车的驾驶盘、手摇卷扬机等都是轮轴类机械。
滑轮滑轮是属于杠杆变形的一种简单机械,是可以绕中心轴转动的,周围有槽的轮子。使用时,根据需要选择。滑轮可分为定滑轮、动滑轮、滑轮组、差动滑轮等。有的省力,有的可以改变作用力的方向,但是都不能省功。
定滑轮滑轮的轴固定不动,它实质上是一个等臂杠杆。动力臂和阻力臂都是滑轮的半径r,根据杠杆原理Fr1=Wr2。它的机械利益为
变了动力的方向,如要把物体提到高处,本应用向上的力,如利用定滑轮,就可以改用向下的力,因而便于工作。
动滑轮滑轮的轴和重物一起移动的滑轮。它实质上是一个动力臂二倍于阻力臂的杠杆。根据杠杆平衡的原理Wr=F·2r,它的机械利
改变用力的方向。其方向是与物体移动的方向一致。
滑轮组动滑轮和定滑轮组合在一起叫“滑轮组”。因为动滑轮能够省力,定滑轮能改变力的方向,若将几个动滑轮和定滑轮搭配合并而成滑轮组,既可以改变力的大小,又能改变力的方向。普通的滑轮组是由数目相等的定滑轮和动滑轮组成的。而这些滑轮或者是上下相间地坐落在同一个轮架(或叫“轮辕”),或者是左右相邻地装在同一根轴心上。绳子的一端固定在上轮架上,即相当于系在一个固定的吊挂设备上,然后依次将绳子绕过每一个下面的动滑轮和上面的定滑轮。在绳子不受拘束的一端以F力拉之,被拉重物挂在活动的轮架上。对所有各段绳子可视为是互相平行的,当拉力与重物平衡时,则重物W必平均由每段绳子所承担。若有n个定滑轮和n个动滑轮时,
且为匀速运动时,则所需之F力的大小仍和上面一样。因此,在提升重物时才能省力。其传动比乃为F∶W=1∶2n来源:----https://wzwebi.com/bkjj/202412-4.html。注意,在使用滑轮组时,不能省功,只能省力,但省力是以多耗距离(即行程)为前题的来源:----https://62v5.com/cshi/202501-223.html。
前边所分析的定滑轮、动滑轮以及滑轮组,都是在不计滑轮重力,滑轮与轴之间的摩擦阻力的情况下得出的结论。但在使用时,实际存在轮重和摩擦阻力,所以实际用的力要大些。
差动滑轮即链式升降机,是一种用于起重的滑轮组。上面是由两个直径不同装在同一个轴上的圆盘A、B组成的定滑轮。下面是一个动滑轮,用铁索与上面的定滑轮联结起来而成滑轮组。若大轮A的半径是R,小轮B的半径是r,如图1-25所示。当动力F拉链条使大轮转一周,动力F拉链条向下移动了2πR,大轮卷起链条2πR,此时小轮也转动一周,并放下链条长2πr于是动滑轮和重物W上升的高度为
由于2R大于(R-r),差动滑轮的机械利益大于1,若提高机械利益,可加大两轮的半径同时缩小两轮间的半径差。这种机械,亦称“葫芦”,有手动,也有用电来驱动的。链条是闭合的,为防止滑轮和链条间的滑动,滑轮上有齿牙与链条配合运动。
斜面简单机械的一种,可用于克服垂直提升重物之困难。距离比和力比都取决于倾角。如摩擦力很小,则可达到很高的效率。用F表示力,L表示斜面长,h表示斜面高,物重为G。不计无用阻力时,根据功的原理,得
FL=Gh
倾角越小,斜面越长则越省力,但费距离。
螺旋属于斜面一类的简单机械。例如螺旋千斤顶可将重物顶起,它是省力的机械。千斤顶是由一个阳螺旋杆在阴螺旋管里转动上升而将重物顶起。根据功的原理,在动力F作用下将螺杆旋转一周,F对螺旋做的功为F2πL。螺旋转一周,重物被举高一个螺距(即两螺纹间竖直距离),螺旋对重物做的功是Gh。依据功的原理得
很小的力,就能将重物举起。螺旋因摩擦力的缘故,效率很低。即使如此,其力比G/F仍很高,距离比由2πL/h确定。螺旋的用途一般可分紧固、传力及传动三类。
齿轮和齿轮组两个相互咬合的齿轮,在它们处于平衡状态时,由力矩平衡方程可得
F·r1=G·r2
式中F表示作用力,G表示物重,r1和r2分别表示大、小齿轮的半径。它们的机械利益为
(R为大齿轮半径)。
劈亦称“尖劈”,俗称“楔子”来源:----https://wzwebi.com/bkjj/202412-19.html。它是简单机械之一,其截面是一个三角形(等腰三角形或直角三角形)来源:----https://www.wzwebi.com/bkjj/202412-4.html。三角形的底称作劈背,其他两边叫劈刃。施力F于劈背,则作用于被劈物体上的力由劈刃分解为两部分,如图1-26所示。P是加在劈上的阻力,如果忽略劈和物体之间的摩擦力,利用力的分解法,知P与劈的斜面垂直,P的作用可分成两个分力:一个是与劈的运动方向垂直,它的大小等于P·cosα,对运动并无影响;另一个是与劈的运动方向相反的,它的大小等于P·sinα,对运动起阻碍作用。所以,当F=2P·sinα时劈才能前进,因而P与F大小之比等于劈面的长度和劈背的厚度之比,因此劈背愈薄,劈面愈长,就愈省力。劈的用途很多,可用来做切削工具,如刀、斧、刨、凿、铲等;可用它紧固物体,如鞋楦榫头,斧柄等加楔子使之涨紧;还可用来起重,如修房时换柱起梁等。
一、教学目的 来源:----https://nanren30.com/zhishi/202412-111.html
1、通过本课教学,使学生认识滑轮,知道滑轮的作用及在实际中的应用。
2、培养学生的实验能力和分析综合能力。
3、使学生体会到自然事物是有规律的,只有掌握了自然规律,才能更好地利用自然和改造自然。
二、教学准备
分组实验材料:滑轮二个、铁架台、细绳、钩码、测力计。
演示材料:同分组材料一套。大滑轮一个、粗麻绳二根(组装动滑轮、拔河用)。挂图或幻灯片三张(旗杆上定滑轮图;吊车上定滑轮、动滑轮图;滑轮组示意图)。
三、教学过程
(一)教学引入
谈话:你知道旗杆上有个什么装置,能帮我们比较容易地把旗子升上去?
(二)学习新课
1、指导学生认识滑轮的构造及种类
(1)讲解:
安装在旗杆顶上的这种边缘有槽,能围绕轴转动的轮子叫滑轮。
(出示滑轮、讲解)
滑轮也是一种简单机械。(板书课题)
滑轮有二种,(出示滑轮组示意图)固定在支架上的滑轮叫定滑轮。
不固定被套在槽里的绳子拉着,与重物上下移动的滑轮叫动滑轮。
(2)提问,你还在什么地方看到过滑轮来源:----https://nanren30.com/xwzx/202412-26.html?
2、指导学生认识定滑轮的作用
(1)讨论:你认为旗杆顶上的定滑轮有什么作用?
(2)实验1(定滑轮不省力)。
①演示介绍实验装置及实验方法来源:----https://wzwebi.com/cshi/202412-99.html。来源:----https://62v5.com/bkjj/202412-60.html
②学生分组实验(绳子两端各挂钩码)
③学生装汇报实验结果。(绳子两端各挂1个钩码,保持平衡)
④讨论:说明什么?(说明不省力,也不费力)来源:----https://www.62v5.com/zhishi/202412-47.html
(3)讨论
谈话:既然定滑轮没有省力的作用,那么高高的旗杆顶上安装它必然会有其它作用,你知道什么?(分组讨论 后汇报)向下用力,旗子向上升。工作方便。来源:----https://wzwebi.com/xwzx/202412-13.html
(4)教师小结:
通过以上的实验和讨论,我们知道定滑轮虽然没有省力的作用,但它可以必变用力的方向,使工作方便。来源:----https://wzwebi.com/xwzx/202412-120.html
3、指导学生认识动滑轮的作用
(1)讨论:动滑轮有什么作用?(教师希望学生能提出动滑轮工作不方便,动滑轮能省力。)
(2)演示实验(游戏:拔河)。
(在墙上固定绳子的一端,组装动滑轮让一名弱小同学,利用动滑轮作用与一名有力同学拔河,弱小同学胜。)
(去掉动滑轮装置拔河弱小同学败)
游戏后教师质疑:这是为什么呢?
(3)实验2(动滑轮省力)。
①分组测量提起一个钩码和一个滑轮时所用的力。
测量后学生汇报,教师板书记录下来。
②分组实验。(要求学生独立组装独立操作。)
③汇报实验结果,教师板书记录下来。
④讨论:通过以上研究你认为动滑轮有哪些作用?(动滑轮有省力的`作用)
4、指导学生认识滑轮组的作用
(1)通过以上研究我们知道了定滑轮和动滑轮的作用(填出课本P48结论)。
(2)讨论:定滑轮、动滑轮各有什么优点来源:----https://wzwebi.com/cshi/202412-84.html?各有什么缺点?
怎样使用才能把两种滑轮的优点结合起来既省力又方便?
(3)分组实验:学生独立组装滑轮组实验。
(用钩码实验时教师 要注意动滑
(4)教师小结:把定滑轮及动滑轮组合起来使用的装置叫滑轮组。滑轮组就可以发挥定滑轮和动滑轮各自的优点。
(学生填写P49结论)
(三)巩固
提问:吊车上都用了哪种滑轮?它有什么作用?(出示吊车图)
(四)布置作业
观察你的周围哪些地方应用了滑轮?
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