0260201簡單機械

02滑輪與輪軸

 

2-1滑輪

  滑輪是由有溝槽的輪子和繩子所組成。工作時,滑輪有兩種不同的裝置方法。

 滑輪安裝在固定的位置,不會隨物品移動的,稱為定滑輪。滑輪的位置沒有固定,會和物品一起移動的,稱為動滑輪。

 

定滑輪

▲升旗就是利用定滑輪將國旗升上旗杆頂端。

▲定滑輪裝置中,滑輪的位置是固定的。

 

動滑輪

▲搬運重物時,可以利用動滑輪將物品運送到高處。

▲動滑輪裝置中,滑輪會隨著物品移動位置。

 

  使用定滑輪拉起物體時,可以省力嗎?施力的方向和大小如何?讓我們利用滑輪來進行實驗。

1.將物體掛在彈簧秤下方,測量它的重量,並記錄下來。

2.如下圖,在定滑輪的兩側各掛一個彈簧秤,保持平衡。

  使用彈簧秤前須先確認刻度是否歸零。

3.將物體掛在定滑輪一側的彈簧秤下,再用手拉動另一側的彈簧秤,直到定滑輪兩端達到平衡、不轉動,並讀取兩個彈簧秤上的刻度。

手拉彈簧秤時應保持垂直。

 

討論

  1. 使用定滑輪時,手往下拉,物體會往哪個方向移動?

使用定滑輪時,手往下拉,施力方向是向下,物體則會向上移動(方向相反)。

  1. 掛物體的彈簧秤和手拉的彈簧秤,所顯示的重量分別是多少?和物體本身的重量相同嗎?

      手拉彈簧秤所顯示的重量大約等於物體的重量。

  1. 使用定滑輪拉起物體時,可以省力嗎?

使用定滑輪拉起物體時,施力大約等於物重,所以不省力也不費力。

 

  試試看,使用動滑輪拉起物體時,可以省力嗎?施力的方向和大小如何?

1.利用彈簧秤分別測量物體和滑輪的重量,並記錄下來。

2.如下圖,將繩子一端固定在支架上,另一端繞過已掛上重物的滑輪,綁在彈簧秤的掛鉤上。

3.將彈簧秤向上拉,觀察滑輪和物體的移動方向,再將彈簧秤掛在支架上,讀取彈簧秤上的刻度。

 

討論

1.使用動滑輪時,手往上拉,滑輪和物體會往哪個方向移動?

使用動滑輪時,手往上拉,施力方向和物體移動方向都是向上(方向相同)。

2.掛在支架上的彈簧秤所顯示的重量是多少?和物體加上滑輪的重量相同嗎?

掛在支架上的彈簧秤所顯示的重量與物體加上滑輪的重量不同。

3.使用動滑輪拉動物體時,可以省力嗎?

使用動滑輪時,施力大小大約等於(物體+滑輪)重量的一半,所以可以省力。

4.使用定滑輪和動滑輪,哪一種比較省力?哪一種可以改變施力方向?

動滑輪裝置可以省力,適合用來搬運重物。定滑輪裝置可以改變施力方向,讓工作方便。

 

 雖然滑輪的外形看起來是輪子,但滑輪和槓桿原理有關,滑輪是槓桿原理的應用。

 在定滑輪和動滑輪上都可以找到支點、施力點和抗力點。但使用定滑輪和動滑輪時,支點、施力點和抗力點的位置不一樣。

 

定滑輪

  使用定滑輪時,支點在滑輪的中心點,施力點和抗力點分別在滑輪兩端。施力臂長度等於抗力臂長度,因此不省力也不費力。

動滑輪

  使用動滑輪時,抗力點在滑輪的中心點,支點和施力點分別在滑輪兩端。施力臂長度大於抗力臂長度,因此會比較省力。

 

  用定滑輪拉起物體時,不省力也不費力,但是可以改變施力的方向,方便操作。

 用動滑輪拉起物體時可以省力,但是要同時拉起物體和滑輪。工程上使用的滑輪重量不輕,因此只有拉起很重的物體時,才會採用這種工作方式。

 吊車、起重機等工具,同時使用了定滑輪和動滑輪,兼具方便操作和省力的功能。

 

還有哪些工具同時使用了定滑輪和動滑輪?

其他同時使用定滑輪及動滑輪的工具,例如電梯等。

 

 

2-2輪軸

  螺絲起子是生活中常見的工具,可以將螺絲釘鑽入孔洞中,或是將螺絲釘從孔洞中取出。看看下面這兩種使用方式,哪一種使用起來比較輕鬆省力?

有握把的螺絲起子,使用起來比較省力,很輕鬆就可以轉動了。

▲使用無握把的螺絲起子

▲使用有握把的螺絲起子

 

  有握把的螺絲起子,使用起來比較省力,沒有握把的螺絲起子使用起來卻比較費力。

  有些工具由固定在同一軸心上的大、小圓輪組合而成,轉動其中一個圓輪,另一個圓輪也會一起轉動,這就是輪軸。半徑較大的是輪,半徑較小的是軸。螺絲起子是一種輪軸的應用。

 

  使用輪軸工具時,施力在輪上或軸上,施力大小會有什麼不一樣?我們來實際操作看看。

 

1.分別測量輪和軸的半徑,並在輪和軸上纏繞棉線。

輪和軸上的線纏繞方向要相反。

2.將物體掛在彈簧秤下方,測量重量,並記錄下來。

3.將物體掛在軸的棉線上,彈簧秤掛在輪的棉線上,將彈簧秤往上拉,記錄用力的大小。

4.改將物體掛在輪的棉線上,彈簧秤掛在軸的棉線上,將彈簧秤往上拉,記錄用力的大小。

 

討論

1.物體掛在軸上,施力在輪上,需要用多少力?

手拉彈簧秤所顯示的重量小於物體的重量。

2.物體掛在輪上,施力在軸上,需要用多少力?

手拉彈簧秤所顯示的重量大於物體的重量。

3.施力在輪上比較省力,還是施力在軸上比較省力?輪和軸的半徑大小與施力大小有什麼關係?

施力在輪上比較省力,因為輪的半徑就是施力臂,施力臂>抗力臂;施力在軸上比較費力,因為軸的半徑就是施力臂,施力臂<抗力臂。

  使用輪軸工作時,輪與軸會一起轉動,當輪轉動一大圈,軸就轉動一小圈。

 輪軸的原理和槓桿相同。如果把軸心當支點,施力在輪上,輪半徑就是施力臂,軸半徑就是抗力臂。

 

 

施力在輪

  施力在輪上時,輪的半徑就是施力臂,軸的半徑就是抗力臂。施力臂長度大於抗力臂長度,使用時比較省力。

 

施力在軸

  施力在軸上時,軸的半徑就是施力臂,輪的半徑就是抗力臂。施力臂長度小於抗力臂長度,使用時比較費力。

 

  觀察生活中應用輪軸的物品,分別指出輪和軸的位置在哪裡?

施力在輪上的物品:如旋轉式水龍頭、削鉛筆機、螺絲起子、喇叭鎖等。

施力在軸上的物品:如竹蜻蜓、擀麵棍、電風扇等。

 

施力在軸上的物品

▲竹蜻蜓

▲擀麵棍

 

  下列這些應用輪軸的物品,它們的運作方式是施力在輪或軸上呢?

喇叭鎖是施力在輪上;電風扇是施力在軸上。

▲喇叭鎖

▲電風扇

  滑輪、輪軸都是槓桿原理的應用,有些在使用時可以省力,有些雖然不能省力,但能讓我們使用時更方便。

 

四、請根據滑輪實驗,回答下列問題。

1.使用定滑輪和動滑輪拉起物體,施力方向和物體移動方向如何?請用箭頭畫出來。

2.操作定滑輪與動滑輪實驗,並將結果記錄在下表中。

3.比較使用定滑輪和動滑輪拉起物體的情形,將結果記錄在下表中。

 

五、請根據輪軸實驗,回答下列問題,並在  中打   。

1.將操作輪軸實驗的結果記錄在下表中。

2、輪軸也是槓桿原理的應用,請根據下列的輪軸施力示意圖回答問題。

3.(1)從前面的實驗結果可以推論,施力在輪上比較省力,還是施力在軸上比較省力?

  (2) 輪和軸的半徑大小與施力大小有什麼關係?

    輪的半徑比軸     (填大或小),施力在輪

      上比施力在軸上      (填省力或費力)。

 

 

第一關測驗 ( 選擇 1-26題 )

 

 

 

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