核心概念
物理學
簡單機械
力
能量
摩擦力
引言
在工業時代之前，人們主要依靠肌肉力量來移動和舉起重物。滑輪、槓桿和斜坡等簡單機械使人類更容易舉起岩石和木頭等重物。在這個專案中，你將使用簡單的家庭材料來探索這些經典機械之一：滑輪。
背景
滑輪是簡單的機械，可以使舉起物體的工作更容易。它們是由另一種簡單機械——輪軸製成的。一個簡單的滑輪增加了一個部件——纏繞在輪子上的繩子。繩子的一端可以系在負載上，例如，井底的一桶水。你可以拉繩子的另一端，繩子中的張力會提升負載。簡單滑輪的優點是它可以讓你改變舉起它所需的力的方向。例如，要將水桶從井中提出來，你可以向下拉繩子。
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如果你想改變舉起負載所需的力呢？使用一個簡單的滑輪，你必須施加的力等於負載的重量。使用複合滑輪——兩個或多個滑輪組合在一起——你可以減少舉起負載所需的力。然而，這種減少並非免費的——由於能量守恆，它會增加你必須施加力的距離。（能量等於力乘以距離。）例如，為了將你必須施加的力減少到負載重量的一半，那麼為了將負載提升一米，你將需要拉繩子兩米。
使用滑輪時，你還需要考慮一個因素——摩擦力。“理想”滑輪——你在物理教科書或家庭作業問題中看到的那種——不考慮這一點。現實世界中的滑輪總會有一些摩擦，你需要施加額外的力來克服它。在這個專案中，你將研究簡單滑輪和複合滑輪——以及它們如何改變舉起負載所需的力。
材料
兩個空麥片盒
兩支鉛筆
四個回形針
至少 10 個相同尺寸的金屬墊圈或六角螺母
繩子
剪刀
尺子（可選）
空線軸（可選）
準備工作
將兩個麥片盒平行地立在桌子上或桌子上。
小心地在麥片盒頂部（內側）相對的兩側戳兩個孔，這樣你就可以將鉛筆穿過孔，使其可以被盒子支撐。（如有必要，請成人協助完成此部分。）
剪下一段比一個麥片盒稍長的繩子。
將一個回形針系在繩子的每一端。
步驟
將繩子懸掛在鉛筆上，使每個回形針都從兩側懸掛下來。這是你的簡單滑輪。
將兩個墊圈掛在一個回形針上。（稍微彎曲回形針，這樣你可以輕鬆地將其用作鉤子。）這些墊圈是你的“負載”。讓它們掉到桌面上。
一次一個，開始從另一個回形針上懸掛墊圈。小心地將墊圈放到回形針上，不要讓它們掉下來。這些墊圈是你的“力”力。 你必須在回形針上懸掛多少個墊圈，直到負載開始從桌子上抬起？
接下來，你將構建一個複合滑輪。
再戳兩個孔（每個盒子一個），這樣你可以插入第二支與第一支平行的鉛筆；它們應該相距幾釐米。
剪下一段新的繩子，大約是一個盒子高度的兩倍。
將繩子的一端系在第二支鉛筆上，並將另一端搭在第一支鉛筆上。
將一個回形針掛在兩支鉛筆之間的繩子上，使其在它們之間垂下來。將兩個墊圈掛在這個回形針上，讓它們掉到地上。這將是你的負載。
將繩子的自由端繫到另一個回形針上。這個回形針應該離地面，靠近鉛筆。如果沒有，你可能需要縮短繩子。
一次一個，開始從第二個回形針上懸掛墊圈。 你必須在回形針上懸掛多少個墊圈，直到負載開始從桌子上抬起？
比較兩種不同型別的滑輪的結果。應該有足夠的空間同時設定兩種型別的滑輪。如果你有足夠的墊圈，你可以並排進行測試。與使用簡單滑輪相比，使用複合滑輪舉起相同的負載需要更多還是更少的墊圈？為什麼？
額外：這些滑輪中有很多摩擦，因為繩子直接摩擦鉛筆。（沒有真正的可以旋轉的“輪子”。）你能嘗試減少滑輪中的摩擦嗎？例如，嘗試使用一個空線軸作為輪子。這如何改變你的結果？
額外：使用尺子測量每種型別的滑輪負載和力移動的距離。 為了用簡單滑輪將負載提升 10 釐米，你必須移動力多遠？使用複合滑輪呢？
觀察和結果
你會發現，與簡單滑輪相比，使用複合滑輪舉起相同的負載需要更少的墊圈。例如，理想情況下，使用簡單滑輪，你可以用另外兩個墊圈舉起兩個墊圈。（力力將等於負載力。）實際上，繩子和鉛筆之間存在一些摩擦，你必須克服這些摩擦，因此可能需要三到四個墊圈。（力力大於負載力。）使用複合滑輪，理想情況下，你只需使用另一個墊圈就可以舉起兩個墊圈。同樣，有一些摩擦需要克服，因此可能需要兩到三個墊圈。但是請記住，這種所需力的減少不是“免費的”——你必須將力力移動兩倍的距離。如果你用尺子測量距離，你可以證實這一點。
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