师:本节课我们继续学习八年级人教版物理第十二章第二节滑轮第二课时。本节课学习目标有两点:一、通过实验知道定滑轮和动滑轮绳子拉力与物重的关系;二、通过实验知道使用滑轮时物体移动距离和绳子移动距离的关系。上节课我们学习了定滑轮、动滑轮和滑轮组。如图所示情境中使用到各种滑轮,其中属于定滑轮、动滑轮和滑轮组的分别有哪些?判断依据是什么?请一鸣同学回答。
生:属于定滑轮的是BEF,因为物体被拉动时,滑轮轴固定不动;属于动滑轮的是AD,因为物体被拉动时,滑轮轴随物体移动;属于滑轮组的是CG,因为它们是由定滑轮和动滑轮组合在一起的。
师:非常好。BEF情境中的滑轮不随物体移动,所以是定滑轮;AD情境中使用的滑轮随物体一起移动,属于动滑轮;CG情境中将定滑轮和动滑轮组合在一起,所以是滑轮组。从上节课学习可知,在不考虑摩擦力、绳重和滑轮重的情况下,使用滑轮有这样的好处:使用定滑轮时可以改变力的方向;使用动滑轮时,绳子拉力F等于二分之一G,可以省力;使用滑轮组时,绳子拉力F等于n分之一G,可以省力。现在老师想利用定滑轮把一个物重为4牛的物体匀速提升高度0.1米。请同学们思考,绳子拉力是多少牛?绳子自由端移动距离是多少米?判断依据是什么?
生:定滑轮本身不移动不省力,只是改变了绳子的方向,绳子拉力还是等于物体重力4牛。因为绳子不可伸缩,物体被提升0.1米,绳子自由端应该也移动0.1米。
师:绳子拉力等于4牛,因为匀速直线运动,拉力等于重力,绳子对物体的拉力和物体本身的重力是一对平衡力。绳子移动0.1米,绳子长度不变,右边下降,左边也要上升,距离要一样,绳子长度是固定的。嗯,这两位同学的猜想都很合理,请同学们思考并设计实验验证:使用定滑轮匀速提升物体时,绳子拉力是否等于物重?
生:先测物体多重,看看是不是4牛,然后用弹簧测力计勾住绳子往下拉,做匀速直线运动,看弹簧测力计示数是不是等于重力。
师:很好,那要验证使用定滑轮匀速提升物体时,绳子移动的距离是否等于物体移动的距离,又该如何验证呢?
生:物体这边放尺子,把绳子往下拉2CM,使物体做匀速直线运动,看物体从原先的位置到上升之后的位置之间的距离是否为2CM。
生:找到一个合适的位置,使绳子两端在同一位置,拉动绳子使物体匀速上升。用尺子测出左边物体上升多少距离,再测绳子自由端下降多少距离。
生:可是拉动绳子时,物体上升了,绳子也移动了。测量完物体移动的距离,再测绳子移动的距离,误差会很大。
生:那就用两把刻度尺,一把测量物体移动的距离,一把测量绳子移动的距离。
生:我知道了,我们可以在提升物体前先用笔标记一下物体和绳子自由端所在的位置。物体上升后,再用笔标记一下物体和绳子自由端所在位置,然后用刻度尺来测量两个标志间的距离就可以了。
师:同学们的讨论非常精彩,用笔做记号的方法也非常直观。现在我们通过实验来验证:一、使用定滑轮匀速提升物体时,绳子拉力是否等于物重;二、使用定滑轮匀速提升物体时,绳子移动的距离是否等于物体移动的距离。
目的:验证一、使用定滑轮匀速提升物体时,绳子拉力是否等于物重;二、使用定滑轮匀速提升物体时,绳子移动的距离是否等于物体移动的距离。
实验器材:弹簧测力计、钩码、棉线、滑轮、刻度尺、磁贴、挂钩。
实验步骤:一、弹簧测力计调零,用弹簧测力计测出物体的重力,此时钩码重力为4牛,记为G;二、组装定滑轮,挂上钩码,用磁贴标记此时物体和绳子自由端的位置;三、缓慢拉动弹簧测力计,使物体匀速竖直上升。记录弹簧测力计示数为4.1牛,记为F,用磁贴标记此时钩码和绳子自由端的位置;四、用刻度尺测量物体前后两个位置的距离,此时物体上升距离为1.80CM,记为h;用刻度尺测量绳子自由端前后两个位置的距离,此时绳子自由端移动距离s为1.80CM,记为s;五、收拾整理实验器材。
师:从实验数据中我们可以发现,使用定滑轮匀速提升物体时,由于绳子不可伸缩,绳子移动距离等于物体移动距离,s = h,而绳子拉力大于物体所受重力,跟上节课理论分析不符,这是为什么呢?
生:因为在实验的时候,绳子与滑轮之间会有摩擦阻力。
师:对,上节课在受力分析时是不考虑绳重、摩擦力和滑轮重的理想情况,但绳重、摩擦力和滑轮重客观存在,所以绳子拉力大于物体重力。接下来,老师把定滑轮改为动滑轮,利用动滑轮把刚才的物体也提升0.1米。根据绳子不可伸缩原则,请同学们判断绳子移动的距离是多少米,并说出判断依据。
生:绳子移动距离等于物体移动距离,物体上升0.1米,绳子也还是移动0.1米。
生:绳子移动的距离不等于物体移动的距离,因为动滑轮有两段绳子,如果物体上升0.1米,两段绳子上升的距离就是0.2米。
生:因为动滑轮是两段绳子拉着,所以拉动绳子时两边的距离是同时缩短的,所以绳子移动距离是物体移动距离的两倍。
师:嗯,同学们分析得都很精彩。绳子移动距离和物体移动距离相等吗?还是真如同学所想,绳子移动距离是物体移动距离两倍,我们来分析一下绳子端的移动距离。物体上升h以后,两端绳子都会缩短h,一共缩短2h,而这一部分都要靠右侧的绳子抽走,所以绳子端移动的距离S?就等于2h。也就是说动滑轮绳子端移动的距离是轴端的两倍。从视频中我们可以知道,动滑轮有两段绳子承受重物,绳子移动距离是物体移动距离的两倍。由上节课受力分析可知,使用动滑轮匀速提升物体时绳子的拉力等于物重的一半。接下来我们通过实验来验证:一、使用动滑轮匀速提升物体时,绳子拉力是否等于物重一半;二、使用动滑轮匀速提升物体时,绳子移动距离是否等于物体移动距离的两倍?请同学们设计实验并完成实验报告。电视机前的同学们可以先暂停播放视频,一起来设计实验,完成实验报告。好,现在老师展示一位同学的实验报告,我们邀请一鸣同学来点评一下。
