《機(jī)械效率》物理教案設(shè)計(jì)及教學(xué)實(shí)錄
【教學(xué)目標(biāo)】
一、知識(shí)與技能
1．知道利用斜面拉物體時(shí)，有用功與總功的計(jì)算方法，會(huì)計(jì)算斜面的機(jī)械效率。
2．會(huì)測(cè)定斜面的機(jī)械效率，并會(huì)運(yùn)用控制變量法的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)。
3．知道提高機(jī)械效率的意義和主要方法。
二、過程與方法
1．從生活實(shí)際出發(fā)，培養(yǎng)探究物理學(xué)的有關(guān)知識(shí)的興趣以及深入認(rèn)識(shí)事物的能力。
2．親身經(jīng)歷測(cè)量斜面機(jī)械效率的過程，通過參與探究影響斜面的機(jī)械效率因素的活動(dòng)，學(xué)習(xí)擬定簡(jiǎn)單的科學(xué)探究計(jì)劃和實(shí)驗(yàn)方案，并培養(yǎng)自主合作探究的能力。
三、情感、態(tài)度與價(jià)值觀
1．讓學(xué)生學(xué)會(huì)關(guān)注生產(chǎn)、生活中各種機(jī)械的機(jī)械效率，具有用機(jī)械效率來(lái)評(píng)價(jià)機(jī)械的意識(shí)。
2．通過探究活動(dòng)，進(jìn)行充分的交流與合作，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度和團(tuán)結(jié)協(xié)作的科學(xué)精神。
【實(shí)驗(yàn)教具】
學(xué)生用實(shí)驗(yàn)器材：彈簧測(cè)力計(jì)、刻度尺、木板斜面、毛巾、玻璃、帶鉤的方木塊、長(zhǎng)方體鐵塊、砝碼。
老師用實(shí)驗(yàn)器材：器材同上。
軟件：Flash課件。
【教學(xué)過程】
一、創(chuàng)設(shè)情景，導(dǎo)入新課
師：工人往高處搬重物時(shí)，一般會(huì)用什么方法？
生：用木板搭成一個(gè)斜面，把重的東西推上去或拉上去。
師：為什么這么做呢？
生：因?yàn)樾泵婵梢允×Α?/p>
師：斜面這種省力的機(jī)械，在生活中有許多運(yùn)用，同學(xué)們都見過哪些斜面？
生：盤山公路就是一個(gè)大斜面。（大屏幕）
師：還有嗎？
生：我們騎自行車上坡時(shí)，走S形路線會(huì)更容易一些。也是利用了斜面可以省力。
師：這盤山公路像不像S形？
師：橋梁的引橋也是一個(gè)斜面，而且橋面越高，引橋也越長(zhǎng)。（大屏幕）
師：既然使用斜面可以省力，那能不能省功呢？
生：不能。因?yàn)槭褂萌魏螜C(jī)械都不能省功。
師：說(shuō)得很好。實(shí)際上使用任何機(jī)械都會(huì)不可避免的做一些額外功，這樣使得有用功總是小于總功，有用功占總功的百分比就是機(jī)械效率，我們用它來(lái)描述利用機(jī)械做功的效率，那么斜面的機(jī)械效率到底與哪些因素有關(guān)呢？它的省力情況與它的機(jī)械效率有什么關(guān)系嗎？
二、合作交流，解讀探究
1．提出問題：
師：這節(jié)課我們就一起來(lái)探究斜面的機(jī)械效率。
師：我們利用斜面做功時(shí)，目的是把物體抬到一定高度處。我們不把它豎起提升，而是沿著斜面把它拉上去，這是為了省力。演示：請(qǐng)看這里，沿斜面拉物體時(shí)，什么是有用功？什么是總功？如何計(jì)算斜面的機(jī)械效率？
生：克服物體重力所做的功是有用功，拉力所做的功是總功。
師：我們需要哪些測(cè)量?jī)x器？需要測(cè)量哪些物理量呢？
生：需要彈簧測(cè)力計(jì)和刻度尺。要測(cè)出物體重力，斜面高度，拉力，斜面長(zhǎng)度。
斜面的機(jī)械效率：（大屏幕）
師：你們準(zhǔn)備怎樣測(cè)量拉力的大�。�
生：用彈簧測(cè)力計(jì)鉤住物體，沿斜面勻速向上拉，讀出測(cè)力計(jì)的示數(shù)即為拉力的大小。
師：知道了如何測(cè)量斜面的機(jī)械效率了，同學(xué)們猜想一下，斜面的機(jī)械效率可能與哪些因素有關(guān)呢？
2．進(jìn)行猜想：
生：斜面的機(jī)械效率可能與斜面的高度、斜面長(zhǎng)度、傾斜程度、斜面坡度、斜面粗糙程度、所拉物體重力有關(guān)。（大屏幕）
師：能說(shuō)說(shuō)你們的猜想依據(jù)嗎？
生：我覺得可能與斜面的粗糙程度有關(guān)，斜面越粗糙，克服摩擦力所做的額外功就越多，機(jī)械效率越低。
師：有道理。摩擦是影響機(jī)械效率的一個(gè)重要因素，摩擦力越大，做的額外功就越多，機(jī)械效率就越低。
生：我覺得可能與斜面的'傾斜程度有關(guān)，斜面的傾斜程度越大，把物體提升得也越高，機(jī)械效率就越高。
生：我認(rèn)為可能與斜面的坡度有關(guān)。坡度越大，斜面的機(jī)械效率越高。
生：我覺得可能與物體的重力有關(guān)，物體越重，所以機(jī)械效率高（或越低）。
生：我認(rèn)為可能與斜面的長(zhǎng)度有關(guān)，斜面越長(zhǎng)，克服摩擦力所做的額外功也越多，機(jī)械效率就越低。
生：我認(rèn)為可能與物體對(duì)斜面的壓力有關(guān)，壓力越大，機(jī)械效率越低（或越高）。
生：我認(rèn)為可能與斜面的高度有關(guān)，斜面越高，做的有用功就越多，機(jī)械效率越高。
師：很不錯(cuò)，同學(xué)們猜想了這么多因素，而且說(shuō)得有理有據(jù)。我們能不能把這些因素中相類似的因素合并合并，把問題簡(jiǎn)化一下呢？誰(shuí)來(lái)說(shuō)？
生：我覺得斜面的坡度與斜面的傾斜程度可以合并。
師：坡度與傾斜程度是不是一個(gè)意思呀？
生：我覺得物體對(duì)斜面的壓力與物體的重力可以合并。
師：物體越重，對(duì)斜面的壓力也越大，那我們把它們合并為重力，因?yàn)閴毫Σ惶脺y(cè)量。
生：我認(rèn)為斜面的高度與斜面的長(zhǎng)度也都可以合并為斜面的傾斜程度，因?yàn)楣潭ǜ叨龋桓淖冮L(zhǎng)度或固定長(zhǎng)度只改變高度都相當(dāng)于改變了斜面的傾斜程度，效果是一樣的。
師：說(shuō)得有道理，你能來(lái)演示給我們看看嗎？
生：演示并解說(shuō)。把斜面長(zhǎng)度固定，只改變斜面高度，斜面的傾斜程度變了；把斜面高度固定，只改變斜面的長(zhǎng)度，斜面的傾斜程度也變了。這兩種方法達(dá)到的效果是一樣的。
師：這兩種方法都改變了斜面的傾斜程度。但哪一種方法更簡(jiǎn)便？
生：固定高度，改變斜面的長(zhǎng)度更簡(jiǎn)便。
師：按照同學(xué)們的討論結(jié)果，進(jìn)行合并后，影響斜面的機(jī)械效率的因素有幾個(gè)？
生：斜面的傾斜程度、斜面的粗糙程度、物體重力。（大屏幕）
3．設(shè)計(jì)方案：
師：要證明同學(xué)們的猜想是否正確，最好的辦法就是做實(shí)驗(yàn)，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。但是在做實(shí)驗(yàn)之前，我們必須先設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)方案，因?yàn)橹挥羞@樣，才能讓實(shí)驗(yàn)有條不紊的進(jìn)行。
師：當(dāng)一個(gè)物理量與幾個(gè)因素有關(guān)，我們用什么方法來(lái)進(jìn)行探究呢？
生：控制變量法。
師：當(dāng)一個(gè)量與多個(gè)因素有關(guān)，在探究其中一個(gè)因素時(shí)，我們要控制其它的因素一定，這就是控制變量法。由于探究的因素較多，我們的時(shí)間也有限，所以各小組的同學(xué)只能就其中一個(gè)你比較感興趣的問題來(lái)進(jìn)行探究，各小組討論一下，我來(lái)分分組，同時(shí)請(qǐng)各小組組長(zhǎng)來(lái)領(lǐng)取實(shí)驗(yàn)報(bào)告單。把你們的設(shè)計(jì)方案寫下來(lái)，畫出實(shí)驗(yàn)的圖例和實(shí)驗(yàn)表格。
生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，師巡視。發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)給與幫助。
4．展示交流結(jié)果：
生1：在探究斜面機(jī)械效率與斜面傾斜程度的關(guān)系時(shí)，控制斜面的粗糙程度和物體重力一定，改變斜面的傾斜程度。分別就較緩、較陡、最陡做三次。這是我們的設(shè)計(jì)方案圖和表格。
師：大屏幕展示方案一。（強(qiáng)調(diào)材料任意選擇其中一種）（動(dòng)畫及表格）
附表格一：
實(shí)驗(yàn)次數(shù)
斜面坡度
斜面材料
斜面高
/m
小車重
/N
有用功
/J
斜面長(zhǎng)度/m
拉力
/N
總功
/J
機(jī)械效率
1
較緩
木板
2
較陡
木板
3
最陡
木板
生2：在探究斜面機(jī)械效率與斜面粗糙程度的關(guān)系時(shí)，控制斜面的傾斜程度和物體重力一定，改變斜面的粗糙程度。分別在毛巾、木板、玻璃斜面上做三次。這是我們的方案圖和表格。
師：大屏幕展示方案二。（動(dòng)畫及表格）
附表格二：
實(shí)驗(yàn)次數(shù)
斜面坡度
斜面材料
斜面高/m
小車重/N
有用功/J
斜面長(zhǎng)度/m
拉力
/N
總功
/J
機(jī)械效率
1
較陡
毛巾
2
較陡
木板
3
較陡
玻璃
生3：在探究斜面機(jī)械效率與物體重力的關(guān)系時(shí)，控制斜面的傾斜程度和斜面粗糙程度一定，改變物體的重力，分別用較輕、較重、最重的物體做三次。這是我們的方案圖和表格。
師：展示方案三。（也強(qiáng)調(diào)材料可以任意選擇）（動(dòng)畫及表格）
附表格三：
實(shí)驗(yàn)次數(shù)
斜面坡度
斜面材料
斜面高
/m
小車重
/N
有用功/J
斜面長(zhǎng)度/m
拉力
/N
總功
/J
機(jī)械效率
1
較陡
木板
較小
2
較陡
木板
一般
3
較陡
木板
最大
5．進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：
師：方案已經(jīng)制定出來(lái)了。下面就開始實(shí)驗(yàn)吧。同學(xué)們邊做實(shí)驗(yàn)邊記錄數(shù)據(jù)。
生：做實(shí)驗(yàn)。師巡視。發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)幫助。
6．分析論證，得出結(jié)論
師：同學(xué)們的實(shí)驗(yàn)做完了嗎？做完了。把你們的數(shù)據(jù)及結(jié)論拿到前面來(lái)展示一下，讓大家來(lái)分享你們的實(shí)驗(yàn)成果吧。哪個(gè)小組先來(lái)？你們小組先來(lái)吧。
生：展示實(shí)驗(yàn)。先把實(shí)驗(yàn)報(bào)告拿到展示臺(tái)下展示，然后一個(gè)同學(xué)做演示，一個(gè)同學(xué)解說(shuō)。
生1：我們探究的是斜面的機(jī)械效率與傾斜程度的關(guān)系。我們首先測(cè)出了物體重力，記入了表格。實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們選擇的是──斜面。先讓斜面的傾斜程度較小，把物體沿斜面勻速拉上斜面，讀出拉力的大小，記入表格，再用刻度尺測(cè)出斜面的長(zhǎng)度和高度也分別記入表格。然后逐漸增大斜面的傾斜程度，按同樣的方法重做兩次實(shí)驗(yàn)。最后算出較緩時(shí)為＊＊，較陡時(shí)為＊＊，最陡時(shí)為＊＊。所以我們得出的結(jié)論是：斜面的傾斜程度越大，機(jī)械效率越高。
師：真不錯(cuò)，說(shuō)得這么詳細(xì)。為他們鼓掌。
師：其它探究機(jī)械效率與斜面傾斜程度關(guān)系的小組得出的結(jié)論與他們的相同嗎？
生：我們選擇的是毛巾斜面，也得到了同樣的結(jié)論。
師：下面哪個(gè)小組上來(lái)展示？
生2：我們小組探究的是斜面的機(jī)械效率與斜面粗糙程度的關(guān)系�？刂菩泵娴膬A斜程度和物體重力一定，也是先測(cè)出了物體重力，記入了表格中，實(shí)驗(yàn)時(shí)，先在木板表面鋪上毛巾，把物體沿毛巾斜面勻速拉上斜面，記下拉力大小，記入表格，用刻度尺測(cè)出斜面長(zhǎng)度和斜面高度分別記入表格中。然后再在木板斜面和玻璃斜面重復(fù)上面的實(shí)驗(yàn)。最后分別算出在毛巾表面上時(shí)為＊＊，木板表面上時(shí)為＊＊，玻璃表面上時(shí)為＊＊，我們得出的結(jié)論是：斜面越粗糙，斜面的機(jī)械效率越低。
師：其它探究這個(gè)因素的小組得到的結(jié)論是一致的嗎？
生3：我們探究的是斜面的機(jī)械效率與物體重力的關(guān)系。控制斜面的傾斜程度和斜面的粗糙程度均相同，先測(cè)出木塊重力，記入表格中，把它沿斜面勻速拉上斜面，測(cè)出拉力的大小記入表格中，同時(shí)測(cè)出斜面長(zhǎng)度和斜面高度，也分別記入表格中，然后逐漸在木塊上加砝碼，改變物體重力，重復(fù)上面的實(shí)驗(yàn)。最后算出較輕時(shí)的為＊＊，較重時(shí)為＊＊，最重時(shí)為＊＊。這三次的近似相等，所以在誤差范圍內(nèi)，我們得出的結(jié)論是：斜面的機(jī)械效率與物體重力無(wú)關(guān)。
師；同學(xué)們都說(shuō)得非常好。綜合一下同學(xué)們的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。我們可以得出影響斜面的機(jī)械效率的因素只有兩個(gè)，即斜面的傾斜程度和斜面的粗糙程度。具體的關(guān)系怎樣說(shuō)才算是嚴(yán)密的呢？
生：在斜面的粗糙程度一定時(shí)，斜面的傾斜程度越大，斜面的機(jī)械效率越高。
生：在斜面的傾斜程度一定時(shí)，斜面越粗糙，斜面的機(jī)械效率越高。
生：斜面的傾斜程度與物體的重力無(wú)關(guān)。
師：說(shuō)得非常好。（大屏幕展示結(jié)論）
7．評(píng)估與交流
師：我們回到剛才第一個(gè)表格中，同學(xué)們有沒有什么新的發(fā)現(xiàn)？
生：我還發(fā)現(xiàn)，傾斜程度越小，拉力越小，也就是越省力。
師：那綜合分析一下省力情況與機(jī)械效率大小，你可以得到什么結(jié)論？
生：斜面越省力，機(jī)械效率越低；斜面越費(fèi)力，機(jī)械效率越高。
師：既然斜面的傾斜程度越小，機(jī)械效率越低，那盤山公路為什么還要把斜面修得那么長(zhǎng)呢？
生：為了更省力。
師：特別是對(duì)于較重的物體做功考慮更多的應(yīng)該是省力的問題，因?yàn)槿绻悴荒馨岵粍?dòng)動(dòng)物體，你做的功就等于0，你的機(jī)械效率也將為零。這樣看來(lái)，我們應(yīng)該在力所能及的范圍內(nèi)，盡量的讓斜面更陡一些，更光滑一些，這樣就能提高斜面的機(jī)械效率了。
師：通過剛才的探究，你最感興趣的是什么？你還想知道有關(guān)斜面的哪些方面問題？（大屏幕）
生：我還想知道斜面在生活中還有哪些應(yīng)用。
師：還有生活中不太起眼的螺絲釘，千斤頂，樓梯等等都是斜面。
生：我想知道為什么斜面的傾斜程度越大，斜面的機(jī)械效率就越大。
師；我們可以采用極端思維法來(lái)思考這個(gè)問題：如果斜面的傾斜程度為零，也就是水平，當(dāng)我們沿水平方向拉物體，不可能讓物體升高，在提升物體這方面做的功為0，即機(jī)械效率為0。如果斜面的傾斜程度最大，也就是豎直，沿豎直方向提升物體時(shí)，不需要克服斜面摩擦力做額外功了，此時(shí)的機(jī)械效率就等于100%。所以斜面的傾斜程度越小機(jī)械效率越低；斜面傾斜程度越大機(jī)械效率越高。
生：我想知道為什么斜面的機(jī)械效率與物體的重力無(wú)關(guān)。
師：這是因?yàn)槔εc重力成正比，關(guān)于為什么成正比，同學(xué)們到高中就明白了。
生：我還想知道斜面的機(jī)械效率與物體運(yùn)動(dòng)速度是否有關(guān)。
師：你覺得呢？
生：我覺得有關(guān)（或無(wú)關(guān)）
師：你想一下啊，無(wú)論速度大還是速度小，只要是勻速，拉物體的力變不變？
生：不變。
師：那你覺得機(jī)械效率與速度有關(guān)嗎？
生：我覺得無(wú)關(guān)。
生：我還想知道物體在斜面上滾動(dòng)時(shí)的機(jī)械效率與滑動(dòng)時(shí)的機(jī)械效率有什么區(qū)別？
師；那你猜一下，滾動(dòng)時(shí)高還是滑動(dòng)時(shí)高？
生：我覺得滾動(dòng)時(shí)高，因?yàn)闈L動(dòng)摩擦比滑動(dòng)摩擦小。
師：嗯，很喜歡動(dòng)腦筋，不錯(cuò)啊。
師：不過，這些只是同學(xué)們的猜想，真正的驗(yàn)證過程就只能留給同學(xué)們課后去探究了。
師：通過這節(jié)課的學(xué)習(xí)，同學(xué)們覺得有哪些收獲，又有哪些不足呢？（大屏幕）
生1：通過探究我知道了斜面的機(jī)械效率與哪些因素有關(guān)，而且還知道了斜面的省力情況與斜面機(jī)械效率的關(guān)系。
生2：這次探究實(shí)驗(yàn)，我們先根據(jù)提出的問題，進(jìn)行了猜想，然后通過小組討論設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)方案，再通過實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析歸納出正確結(jié)論，這個(gè)探究方法對(duì)我以后的學(xué)習(xí)有很大的幫助。
師：方法上的收獲確實(shí)很重要，我們除了要學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)的探究方法，也要學(xué)習(xí)別人好的學(xué)習(xí)方法，你們說(shuō)是不是呀？有什么不足？
生：我覺得實(shí)驗(yàn)中還是有很多的不足。比如，在測(cè)量拉力的時(shí)候，不能保證勻速拉動(dòng)物體，而且彈簧測(cè)力計(jì)不是固定的，而是運(yùn)動(dòng)的，不便于讀數(shù)，拉力的測(cè)量誤差比較大。
生：斜面長(zhǎng)度和斜面高度的測(cè)量也存在一些誤差。
師：所以我們?cè)跍y(cè)量的時(shí)候，都要非常的細(xì)心，這樣才能提高實(shí)驗(yàn)的成功率。
三、應(yīng)用遷移，延伸拓展：
師：效率是一個(gè)很重要的問題，提高機(jī)械效率，可以更充分地發(fā)揮機(jī)械設(shè)備的作用，因?yàn)榭梢詼p少能耗，降低生產(chǎn)成本。效率就是時(shí)間，效率就是金錢，效率就是生命。無(wú)論做什么都會(huì)有效率，無(wú)論什么時(shí)候，我們都要盡量的提高效率。
閱讀理解：效率
除了機(jī)械做功有效率問題外，日常生活中的很多事情都有效率問題。一家人吃飯，不可能把每粒米都吃進(jìn)肚里，這里我們可用效率表示對(duì)米的有效利用程度。用鉛筆寫字，一支鉛筆的鉛芯都能完全利用嗎？人們總希望這根鉛筆芯被利用的程度越大越好，因而這里的效率反映了對(duì)鉛筆芯的有效利用程度。用爐子燒水的時(shí)候，煤炭不可能都完全燃燒，燃燒的煤炭放出的熱量只有一部分被水吸收，很多熱量浪費(fèi)掉了，在這里我們可用“效率”的高低來(lái)表示對(duì)煤炭和放出的熱量的有效利用率的大小。吹電風(fēng)扇時(shí)，消耗的電能除了一部分轉(zhuǎn)化為電風(fēng)扇的機(jī)械能之外，電動(dòng)機(jī)中的線圈由于電流通過會(huì)發(fā)熱，夏天，電風(fēng)扇工作久了，電機(jī)發(fā)熱就是很好的證明，但產(chǎn)生的這些熱量都白白散失到空氣中了。所以也可以用效率來(lái)表示電能利用率的大小。日常生活中所說(shuō)的“工作效率”、“學(xué)習(xí)效率”、“辦事效率”等等，都是從一定角度反映對(duì)某些事物的有效利用程度。（大屏幕展示文字并配音）
看完這段方字，請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)生活中你使用的機(jī)械，想想，怎樣提高機(jī)械效率呢？另外，再結(jié)合自己的學(xué)習(xí)實(shí)際，想想又如何提高學(xué)習(xí)效率呢？
師：這個(gè)問題就留給大家課后去思考吧，今天這節(jié)課我們就上到這兒。
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