機(jī)械功的原理及機(jī)械效率

1、機(jī)械功的原理及機(jī)械效率（一）教材分析：有關(guān)“機(jī)械功的原理及機(jī)械效率”這一知識點(diǎn)，物理課程標(biāo)準(zhǔn)并沒有明確的 要求，新教材（山東科技出版社出版）把它編入教材大概是出于這樣的考慮：其一， 在物理課程標(biāo)準(zhǔn)（解讀）（由物理課程標(biāo)準(zhǔn)研制組編寫，湖北教育出版社出版） 中這樣闡述 “生活中有很多增大機(jī)械效率的例子， 要求學(xué)生將機(jī)械效率的學(xué)習(xí)與生活、 生產(chǎn)結(jié)合起來，關(guān)注生活和生產(chǎn)中常見機(jī)械效率的大小及意義”，要討論機(jī)械效率必 須得了解功的原理。其二是在進(jìn)入新課程改革之前，機(jī)械功的原理（簡稱功的原理） 在義務(wù)教育初中學(xué)段教材中已明確給出，而在現(xiàn)行的課改實(shí)驗(yàn)區(qū)教材中已不再明確提 出功的原理，其用意是降低初中物理難度

2、，初中物理學(xué)習(xí)仍然以定性的認(rèn)識為主，要 求學(xué)生認(rèn)識各種簡單的機(jī)械知道使用有些機(jī)械可以省力但費(fèi)距離，使用有些機(jī)械費(fèi)力 但可以省距離，并能說出生活中哪些機(jī)械省力，哪些機(jī)械費(fèi)力。高中要再進(jìn)一步研究 機(jī)械，就要完成從感性到理性的飛躍，能夠認(rèn)識到使用任何機(jī)械都不省功功的原 理，并能用功的原理解決一些實(shí)際問題。因此，不能認(rèn)為這一部分知識是初中知識的 重復(fù)而進(jìn)行淡化處理或干脆不講，而應(yīng)在尊重學(xué)生已有知識經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加 深和拓展對機(jī)械做功原理的認(rèn)識和理解，從而更深刻地體會人類發(fā)明和研究利用各種 機(jī)械的意義。（二）教學(xué)目標(biāo)知識與技能目標(biāo)（1）知道機(jī)械功的原理，懂得使用任何機(jī)械可以省力但不省功。（2）了解

3、機(jī)械效率的含義，關(guān)注效率的實(shí)際應(yīng)用。過程與方法目標(biāo)（1） 經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)探究機(jī)械功原理的過程，嘗試由幾種特殊機(jī)械做功特點(diǎn)總結(jié)出一般 規(guī)律，體會物理學(xué)研究的科學(xué)方法（2） 能認(rèn)識研究機(jī)械做功效率的重要意義，并能通過合作交流等學(xué)習(xí)方式設(shè)計(jì)出 研究“影響機(jī)械效率”的探究方案情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)（1） 如實(shí)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，具有尊重客觀規(guī)律、實(shí)事求是的精神。（2） 通過交流一些常見機(jī)械的使用，體會人與機(jī)械的密切關(guān)系。（3） 關(guān)注機(jī)械方向的科技成就和發(fā)展趨勢，具有可持續(xù)發(fā)展的意識和社會責(zé)任感。（三）教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)通過實(shí)驗(yàn)探究得出機(jī)械功的原理并且能夠理解機(jī)械功原理的兩層含義是本次課 的重點(diǎn)。難點(diǎn)是有關(guān)機(jī)械效率的討論

4、和實(shí)驗(yàn)探究設(shè)計(jì)。1234下一頁（四）教學(xué)過程1問題的提出師：通過初中階段的物理學(xué)習(xí)我們就已經(jīng)認(rèn)識到有的機(jī)械使用起來可以省力，有 的機(jī)械使用起來可以省位移，同學(xué)們可以列舉一些身邊的實(shí)例嗎？生：帶滑輪的吊車、桿秤、開瓶器、盤山公路等。學(xué)生回顧初中所學(xué)內(nèi)容并結(jié)合生活經(jīng)驗(yàn)列舉許多實(shí)例。此環(huán)節(jié)用意在于引導(dǎo)學(xué)生 進(jìn)入研究機(jī)械的情境。師：那么，有既省力、又省位移的機(jī)械嗎？即使用機(jī)械能省功嗎？下面我們就通 過實(shí)驗(yàn)來探究這個(gè)問題。教師緊接著提出研究課題，并板書課題：機(jī)械功的原理及機(jī)械效率。2.明確任務(wù)，制定計(jì)劃探究機(jī)械做功的原理師：（1）你們準(zhǔn)備探究哪種機(jī)械做功的原理？（2） 實(shí)驗(yàn)探究過程中需要測量的物理量有哪

5、些？你們準(zhǔn)備用什么儀器測量？（3） 需要記錄哪些數(shù)據(jù)，你們準(zhǔn)備如何處理數(shù)據(jù)？（4） 你們的探究是在什么條件下進(jìn)行的，要考慮哪些因素的影響？（5） 實(shí)驗(yàn)探究過程中應(yīng)注意什么問題。下面用2分鐘時(shí)間進(jìn)行小組討論，討論過后制訂切實(shí)可行的實(shí)驗(yàn)方案。新課程理念要求課堂教學(xué)要體現(xiàn)選擇性，這一思想同樣要滲透到實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)過 程中，物理實(shí)驗(yàn)探究絕不能是教師事先安排好的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這樣久而久之，學(xué)生就對 未知的事物喪失了新奇感也就泯滅了求知欲。因此，在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件下，教師應(yīng)盡 量創(chuàng)造機(jī)會讓學(xué)生自主選擇器材和方法，或彭勵(lì)他們自主構(gòu)建課程資源。新課程重視 學(xué)生自主探究能力的培養(yǎng)，但絕不能是漫無目的探究，在其探究思路和

6、方法還未形成 時(shí)教師應(yīng)做好引導(dǎo)，通過環(huán)環(huán)相扣的問題引導(dǎo)學(xué)生制定出切實(shí)可行的實(shí)驗(yàn)方案，指導(dǎo) 學(xué)生的探究朝預(yù)期的方向發(fā)展。如圖3所示：（1）用測力計(jì)測出物塊的重力,（2）用測力計(jì)拉著同一物塊從斜面底端勻速上記錄測力計(jì)的讀數(shù),并測量斜面的長生：（選擇不同的機(jī)械開始實(shí)驗(yàn)探究）實(shí)驗(yàn)小組1的實(shí)驗(yàn)方案:如圖2所示：（1）用測力計(jì)將一件已知質(zhì)量的重物 豎直勻速提高im記下人所做的功有多大。（2）通過一對滑輪組將同一重物豎直勻速提高im，記下人所用的力和繩子自由端的位移，算出這種情況下 人所做的功。實(shí)驗(yàn)小組2的實(shí)驗(yàn)方案：上一頁 1234下一頁3.匯報(bào)交流，分析討論師：通過實(shí)驗(yàn)探究，你們是否已找到了問題的答案，下

7、面開始分組匯報(bào)交流。實(shí)驗(yàn)小組1：我們通過多次測量和計(jì)算得出的結(jié)論是，使用滑輪可以省力，但并不省功，相反，使用了滑輪要比不使用滑輪直接提升物體要費(fèi)功。即總功W總總大于有用功Wfo實(shí)驗(yàn)小組2:雖然我們和1組采用了不同的機(jī)械，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻是一樣的。即沿 斜面拉動物塊所做的總功總大于有用功，我們的結(jié)論也是使用機(jī)械并不省功。ho師：雖然大家采用的機(jī)械不同，但得到的結(jié)論都相同，說明這一結(jié)論具有共性，它適用于任何機(jī)械。我們在物理學(xué)中把這一規(guī)律稱為“機(jī)械功的原理”，大家想一想， 這一原理的內(nèi)容該怎樣敘述呢？生：使用任何機(jī)械都不省功。師：很好！他使用自己的語言描述了功的原理。那么，這里的不省功應(yīng)該怎樣理 解呢？

8、生：是費(fèi)功的意思。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以看出Wm、總大于有用功 W有:師：噢，有道理。請同學(xué)們再想一想為什么我們使用機(jī)械總要費(fèi)功呢？費(fèi)在哪里？生甲（思而后答）：比如采用滑輪這種機(jī)械做功，我們在把物體提升的同時(shí)把滑 輪也提了起來，對滑輪做的這一部分功是額外的，是我們不愿但又無法避免的。生乙（補(bǔ)充）：還有繩子自身有重力，繩子與滑輪間有摩擦也使得我們不得不做了 一些額外功。生丙（受到了啟發(fā)）：在使用斜面時(shí)，同樣也不可避免地要克服物塊與斜面間的 摩擦力做額外功。師：同學(xué)們的分析很到位，那么，能否設(shè)法減少額外功呢？生：能，盡可能地減輕滑輪自重，同時(shí)盡可能減小繩與滑輪間及物塊與斜面間的 摩擦。兩種情況討論。適

9、時(shí)地將所學(xué)原理應(yīng)用于具體的情景中，有助于學(xué)生深化對原理的理解生：若為理想機(jī)械則有:F i=mgh若為實(shí)際機(jī)械則有F i=mgh+w上一頁 【12【34下一頁師：很好，由此我們進(jìn)行科學(xué)的推想，對理想機(jī)械則有總功等于有用功。大家再 回答老師剛才提出的問題，“不省功”的確切含義應(yīng)該是什么呢？生：應(yīng)該為兩層含義：對于實(shí)際機(jī)械：W總Wr ；對于理想機(jī)械： Wm、= W有師：至此同學(xué)們對機(jī)械做功的原理認(rèn)識已經(jīng)很全面了。動力對機(jī)械所做的功（又稱輸入功），也就是總功；機(jī)械克服阻力所做的功，既包括克服有用阻力所做的有用 功（又稱輸出功，如克服被提物體所受的重力做的功），也包括克服額外阻力所做的 額外功（又稱損失

10、功，如克服機(jī)械自身所受重力和各種摩擦阻力做的功）機(jī)械功的原理的表達(dá)式為：W=W =W& =W + Ws外也可以寫成：W輸入=W俞出+ W員失師：請同學(xué)們用功的原理寫出圖 4中情景所示的關(guān)系，請分實(shí)際機(jī)械和理想機(jī)械4 拓展討論師：使用任何實(shí)際中的機(jī)械都要費(fèi)功，而人類生產(chǎn)、生活又離不了機(jī)械，在機(jī)械的使用中過程中盡可能提高機(jī)械效率就顯得尤為重要。請同學(xué)們想一想，在你們剛才的實(shí)驗(yàn)探究過程中，怎樣進(jìn)一步提高機(jī)械的效率。請大家充分討論并進(jìn)行猜想，影響滑輪組機(jī)械效率的因素可能有哪些？小組1要想提高機(jī)械的效率，就要盡可能減少額外功。我們猜想滑輪組的效率可能與繞線方式（這影響著滑輪與繩子之間摩擦力做功的多少）、

11、被提升物體的重力等因素有關(guān)。我們打算用兩種繞線方式來探究這個(gè)問題。如圖5中的甲和乙所示：經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，他們得到了下表中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)序繞線方物重升高拉力移動距離有用功W有用總功W總機(jī)械效率號式G/Nh/mF/Ns/m/J/Jn1甲50.12.50.30.50.7566.7%2甲50.22.50.611.566.7%3甲100.14.10.311.2381.3%4乙50.13.60.20.50.7269.4%5乙100.260.422.483.3%師：很好，請你們分析實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，綜合分析一下，滑輪組的效率與哪些因素 有關(guān)。小組1:通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理分析，我們可以得出的結(jié)論是：被提升物體越重, 承

12、重繩子段數(shù)越少（摩擦越?。┗喗M的效率越高5.評價(jià)與交流師：相信其它組同學(xué)也有較好的實(shí)驗(yàn)方案，請你們對1組設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行評價(jià)。生：1組同學(xué)采用控制變量法來研究滑輪組的效率，使諸多影響因素一一呈現(xiàn)出來，這是值得借鑒之處，但遺憾 的是，他們的探究中沒有體現(xiàn)機(jī)械效率與滑輪自重的關(guān)系。如果能再改變滑輪自重進(jìn)行控制探索一下則更好師：這位同學(xué)的評價(jià)很切中要害，滑輪組的自重確實(shí)是影響滑輪效率的一個(gè)重要 因素，我們不再用實(shí)驗(yàn)研究，大家能否從理論角度分析一下滑輪組自重與滑輪組效率 之間的關(guān)系？生：這一關(guān)系是很顯然的，在其它條件相同的情況下，滑輪組越重，機(jī)械所做的 額外功越多，其效率越低。師：人類發(fā)明和使用各

13、種機(jī)械的目的，就是為了用它來代替人力做功，甚至完成 超越人力的工作。機(jī)械使人們的工作變得更輕松和更有效。今天，機(jī)械的發(fā)明和使用 達(dá)到了前所未有的新高度。特別是應(yīng)用計(jì)算機(jī)等技術(shù)后，現(xiàn)代機(jī)械具有了越來越高的 智能化水平。代表高科技水平的高智能機(jī)器人已經(jīng)越來越廣泛地進(jìn)入生產(chǎn)和生活的各 個(gè)領(lǐng)域。請同學(xué)們課下到圖書館，或上網(wǎng)查詢相關(guān)資料，了解我國及世界各國智能機(jī) 器人的發(fā)展和利用。2評析（1 ）本次課堂教學(xué)活動中， 教師以學(xué)生已有的知識經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，注重學(xué)生自主獲 取知識能力的培養(yǎng)，注重實(shí)驗(yàn)技能的提高。如教師提出問題“使用機(jī)械能省功嗎”讓 學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案去探究這個(gè)問題，并且提倡學(xué)生自主選擇實(shí)驗(yàn)器材和方法，拓 展了學(xué)生思維的空間，變傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為探索性實(shí)驗(yàn)提高了學(xué)生積極探索的興趣。 實(shí)踐結(jié)果表明，學(xué)生在這一過程中不僅獲取了知識，而且大大提高了實(shí)驗(yàn)技能。（2）關(guān)注學(xué)生探究的整過程， 注重適時(shí)的問題發(fā)現(xiàn)和方法的引導(dǎo)，使學(xué)生對機(jī)械 做功由感性的、零碎的認(rèn)識上升到理性的、統(tǒng)一的思維。如有的小組采用滑輪組，有 的小組采用斜面，還有的小組采用輪軸進(jìn)行探究，從表面來看，他們的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是各 不相同的，但其中蘊(yùn)藏的道理和方法卻是共同的，比如，在實(shí)驗(yàn)中他們都采用了控制 變量法，將各小組的結(jié)論歸納起來就是功的原理，這就是歸納法的應(yīng)用。這樣將物理 科學(xué)研究方法的教育不知