机械功的原理及机械效率

（一）教材分析：

有关“机械功的原理及机械效率”这一知识点，《物理课程标准》并没有明确的要求，新教材（山东科技出版社出版）把它编入教材大概是出于这样的考虑：其一，在《物理课程标准（解读）》（由物理课程标准研制组编写，湖北教育出版社出版）中这样阐述“生活中有很多增大机械效率的例子，要求学生将机械效率的学习与生活、生产结合起来，关注生活和生产中常见机械效率的大小及意义”，要讨论机械效率必须得了解功的原理。其二是在进入新课程改革之前，机械功的原理（简称功的原理）在义务教育初中学段教材中已明确给出，而在现行的课改实验区教材中已不再明确提出功的原理，其用意是降低初中物理难度，初中物理学习仍然以定性的认识为主，要求学生认识各种简单的机械知道使用有些机械可以省力但费距离，使用有些机械费力但可以省距离，并能说出生活中哪些机械省力，哪些机械费力。高中要再进一步研究机械，就要完成从感性到理性的飞跃，能够认识到使用任何机械都不省功——功的原理，并能用功的原理解决一些实际问题。因此，不能认为这一部分知识是初中知识的重复而进行淡化处理或干脆不讲，而应在尊重学生已有知识经验的基础上，进一步加深和拓展对机械做功原理的认识和理解，从而更深刻地体会人类发明和研究利用各种机械的意义。

（二）教学目标

知识与技能目标

（1）知道机械功的原理，懂得使用任何机械可以省力但不省功。

（2）了解机械效率的含义，关注效率的实际应用。

过程与方法目标

（1）经历实验探究机械功原理的过程，尝试由几种特殊机械做功特点总结出一般规律，体会物理学研究的科学方法

（2）能认识研究机械做功效率的重要意义，并能通过合作交流等学习方式设计出研究“影响机械效率”的探究方案

情感态度与价值观目标

（1）如实记录实验数据，具有尊重客观规律、实事求是的精神。

（2）通过交流一些常见机械的使用，体会人与机械的密切关系。

（3）关注机械方向的科技成就和发展趋势，具有可持续发展的意识和社会责任感。

(三)教学重点和难点

通过实验探究得出机械功的原理并且能够理解机械功原理的两层含义是本次课的重点。难点是有关机械效率的讨论和实验探究设计。

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（四）教学过程

1.问题的提出

师：通过初中阶段的物理学习我们就已经认识到有的机械使用起来可以省力，有的机械使用起来可以省位移，同学们可以列举一些身边的实例吗？

生：带滑轮的吊车、杆秤、开瓶器、盘山公路等。

学生回顾初中所学内容并结合生活经验列举许多实例。此环节用意在于引导学生进入研究机械的情境。

师：那么，有既省力、又省位移的机械吗？即使用机械能省功吗？下面我们就通过实验来探究这个问题。

教师紧接着提出研究课题，并板书课题：机械功的原理及机械效率。

2.明确任务，制定计划探究机械做功的原理

师：（1）你们准备探究哪种机械做功的原理？

（2）实验探究过程中需要测量的物理量有哪些？你们准备用什么仪器测量？

（3）需要记录哪些数据，你们准备如何处理数据？

（4）你们的探究是在什么条件下进行的，要考虑哪些因素的影响？

（5）实验探究过程中应注意什么问题。

下面用2分钟时间进行小组讨论，讨论过后制订切实可行的实验方案。

新课程理念要求课堂教学要体现选择性，这一思想同样要渗透到实验探究教学过程中，物理实验探究绝不能是教师事先安排好的实验验证，这样久而久之，学生就对未知的事物丧失了新奇感也就泯灭了求知欲。因此，在现有的实验条件下，教师应尽量创造机会让学生自主选择器材和方法，或彭励他们自主构建课程资源。新课程重视学生自主探究能力的培养，但绝不能是漫无目的探究，在其探究思路和方法还未形成时教师应做好引导，通过环环相扣的问题引导学生制定出切实可行的实验方案，指导学生的探究朝预期的方向发展。

生：（选择不同的机械开始实验探究）

实验小组1的实验方案：

如图2所示：（1）用测力计将一件已知质量的重物竖直匀速提高1m，记下人所做的功有多大。

（2） 通过一对滑轮组将同一重物竖直匀速提高1m，记下人所用的力和绳子自由端的位移，算出这种情况下人所做的功。

实验小组2的实验方案：

如图3所示：（1）用测力计测出物块的重力，用刻度尺测出斜面高度h。

（2）用测力计拉着同一物块从斜面底端匀速上升到斜面顶端，记录测力计的读数，并测量斜面的长度。

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3.汇报交流，分析讨论

师：通过实验探究，你们是否已找到了问题的答案，下面开始分组汇报交流。

实验小组1：我们通过多次测量和计算得出的结论是，使用滑轮可以省力，但并不省功，相反，使用了滑轮要比不使用滑轮直接提升物体要费功。即总功W总总大于有用功W有。

实验小组2：虽然我们和1组采用了不同的机械，但实验结果却是一样的。即沿斜面拉动物块所做的总功总大于有用功，我们的结论也是使用机械并不省功。

师：虽然大家采用的机械不同，但得到的结论都相同，说明这一结论具有共性，它适用于任何机械。我们在物理学中把这一规律称为“机械功的原理”，大家想一想，这一原理的内容该怎样叙述呢？

生：使用任何机械都不省功。

师：很好！他使用自己的语言描述了功的原理。那么，这里的不省功应该怎样理解呢？

生：是费功的意思。从实验数据分析可以看出W总总大于有用功W有：

师：噢，有道理。请同学们再想一想为什么我们使用机械总要费功呢？费在哪里？

生甲（思而后答）：比如采用滑轮这种机械做功，我们在把物体提升的同时把滑轮也提了起来，对滑轮做的这一部分功是额外的，是我们不愿但又无法避免的。

生乙（补充）:还有绳子自身有重力，绳子与滑轮间有摩擦也使得我们不得不做了一些额外功。

生丙（受到了启发）：在使用斜面时，同样也不可避免地要克服物块与斜面间的摩擦力做额外功。

师：同学们的分析很到位，那么，能否设法减少额外功呢？

生：能，尽可能地减轻滑轮自重，同时尽可能减小绳与滑轮间及物块与斜面间的摩擦。

师：很好，由此我们进行科学的推想，对理想机械则有总功等于有用功。大家再回答老师刚才提出的问题，“不省功”的确切含义应该是什么呢？

生：应该为两层含义：对于实际机械：W总>W有 ； 对于理想机械：W总＝W有

师：至此同学们对机械做功的原理认识已经很全面了。动力对机械所做的功（又称输入功），也就是总功；机械克服阻力所做的功，既包括克服有用阻力所做的有用功（又称输出功，如克服被提物体所受的重力做的功），也包括克服额外阻力所做的额外功（又称损失功，如克服机械自身所受重力和各种摩擦阻力做的功）

机械功的原理的表达式为：

W总=W动=W阻=W有＋W额外

也可以写成： W输入=W输出＋W损失

师：请同学们用功的原理写出图4中情景所示的关系，请分实际机械和理想机械两种情况讨论。

适时地将所学原理应用于具体的情景中，有助于学生深化对原理的理解。

生： 若为理想机械则有： Fl=mgh

若为实际机械则有 Fl=mgh+wf

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4．拓展讨论

师：使用任何实际中的机械都要费功，而人类生产、生活又离不了机械，在机械的使用中过程中尽可能提高机械效率就显得尤为重要。请同学们想一想，在你们刚才的实验探究过程中，怎样进一步提高机械的效率。请大家充分讨论并进行猜想，影响滑轮组机械效率的因素可能有哪些？

小组1：要想提高机械的效率，就要尽可能减少额外功。我们猜想滑轮组的效率可能与绕线方式（这影响着滑轮与绳子之间摩擦力做功的多少）、被提升物体的重力等因素有关。我们打算用两种绕线方式来探究这个问题。如图5中的甲和乙所示:

经过实验，他们得到了下表中的实验数据。

师：很好，请你们分析实验所得数据，综合分析一下，滑轮组的效率与哪些因素有关。

小组1：通过对实验数据的处理分析，我们可以得出的结论是：被提升物体越重，承重绳子段数越少（摩擦越小）滑轮组的效率越高。

5.评价与交流

师：相信其它组同学也有较好的实验方案，请你们对1组设计的实验方案进行评价。

生：1组同学采用控制变量法来研究滑轮组的效率，使诸多影响因素一一呈现出来，这是值得借鉴之处，但遗憾的是，他们的探究中没有体现机械效率与滑轮自重的关系。如果能再改变滑轮自重进行控制探索一下则更好。

师：这位同学的评价很切中要害，滑轮组的自重确实是影响滑轮效率的一个重要因素，我们不再用实验研究，大家能否从理论角度分析一下滑轮组自重与滑轮组效率之间的关系？

生：这一关系是很显然的，在其它条件相同的情况下，滑轮组越重，机械所做的额外功越多，其效率越低。

师：人类发明和使用各种机械的目的，就是为了用它来代替人力做功，甚至完成超越人力的工作。机械使人们的工作变得更轻松和更有效。今天，机械的发明和使用达到了前所未有的新高度。特别是应用计算机等技术后，现代机械具有了越来越高的智能化水平。代表高科技水平的高智能机器人已经越来越广泛地进入生产和生活的各个领域。请同学们课下到图书馆，或上网查询相关资料，了解我国及世界各国智能机器人的发展和利用。

2评析

（1）本次课堂教学活动中，教师以学生已有的知识经验为基础，注重学生自主获取知识能力的培养，注重实验技能的提高。如教师提出问题“使用机械能省功吗”让学生自行设计实验方案去探究这个问题，并且提倡学生自主选择实验器材和方法，拓展了学生思维的空间，变传统的验证性实验为探索性实验提高了学生积极探索的兴趣。实践结果表明，学生在这一过程中不仅获取了知识，而且大大提高了实验技能。

（2）关注学生探究的整过程，注重适时的问题发现和方法的引导，使学生对机械做功由感性的、零碎的认识上升到理性的、统一的思维。如有的小组采用滑轮组，有的小组采用斜面，还有的小组采用轮轴进行探究，从表面来看，他们的实验现象是各不相同的，但其中蕴藏的道理和方法却是共同的，比如，在实验中他们都采用了控制变量法，将各小组的结论归纳起来就是功的原理，这就是归纳法的应用。这样将物理科学研究方法的教育不知不觉地糅合到探究过程中。

（3）关注物理与社会、生活的密切联系，注重培养学生将物理知识应用于生产、生活实际的意识。如教师引导学生结合实际讨论各种机械做功的效率，并进一步设计实验方案研究影响机械效率的因素。使学生关注身边的物理，关注社会的进步和科技的发展。

（4）充分发挥评价的教育功能，每到关键时刻教师都要对学生的探究过程进行适时地评价以激励学生，同时还注重培养学生的自我评估能力，使之对问题的认识日臻完善。

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