《機械效率》物理教案設計及教學實錄
【教學目標】
一、知識與技能
1．知道利用斜面拉物體時，有用功與總功的計算方法，會計算斜面的機械效率。
2．會測定斜面的機械效率，并會運用控制變量法的實驗方法進行探究實驗。
3．知道提高機械效率的意義和主要方法。
二、過程與方法
1．從生活實際出發，培養探究物理學的有關知識的興趣以及深入認識事物的能力。
2．親身經歷測量斜面機械效率的過程，通過參與探究影響斜面的機械效率因素的活動，學習擬定簡單的科學探究計劃和實驗方案，并培養自主合作探究的能力。
三、情感、態度與價值觀
1．讓學生學會關注生產、生活中各種機械的機械效率，具有用機械效率來評價機械的意識。
2．通過探究活動，進行充分的交流與合作，培養學生嚴謹求實的科學態度和團結協作的科學精神。
【實驗教具】
學生用實驗器材：彈簧測力計、刻度尺、木板斜面、毛巾、玻璃、帶鉤的方木塊、長方體鐵塊、砝碼。
老師用實驗器材：器材同上。
軟件：Flash課件。
【教學過程】
一、創設情景，導入新課
師：工人往高處搬重物時，一般會用什么方法？
生：用木板搭成一個斜面，把重的東西推上去或拉上去。
師：為什么這么做呢？
生：因為斜面可以省力。
師：斜面這種省力的機械，在生活中有許多運用，同學們都見過哪些斜面？
生：盤山公路就是一個大斜面。（大屏幕）
師：還有嗎？
生：我們騎自行車上坡時，走S形路線會更容易一些。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斜面，而且橋面越高，引橋也越長。（大屏幕）
師：既然使用斜面可以省力，那能不能省功呢？
生：不能。因為使用任何機械都不能省功。
師：說得很好。實際上使用任何機械都會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械效率，我們用它來描述利用機械做功的效率，那么斜面的機械效率到底與哪些因素有關呢？它的省力情況與它的機械效率有什么關系嗎？
二、合作交流，解讀探究
1．提出問題：
師：這節課我們就一起來探究斜面的機械效率。
師：我們利用斜面做功時，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：請看這里，沿斜面拉物體時，什么是有用功？什么是總功？如何計算斜面的機械效率？
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：我們需要哪些測量儀器？需要測量哪些物理量呢？
生：需要彈簧測力計和刻度尺。要測出物體重力，斜面高度，拉力，斜面長度。
斜面的機械效率：（大屏幕）
師：你們準備怎樣測量拉力的大小？
生：用彈簧測力計鉤住物體，沿斜面勻速向上拉，讀出測力計的示數即為拉力的大小。
師：知道了如何測量斜面的機械效率了，同學們猜想一下，斜面的機械效率可能與哪些因素有關呢？
2．進行猜想：
生：斜面的機械效率可能與斜面的高度、斜面長度、傾斜程度、斜面坡度、斜面粗糙程度、所拉物體重力有關。（大屏幕）
師：能說說你們的猜想依據嗎？
生：我覺得可能與斜面的粗糙程度有關，斜面越粗糙，克服摩擦力所做的額外功就越多，機械效率越低。
師：有道理。摩擦是影響機械效率的一個重要因素，摩擦力越大，做的額外功就越多，機械效率就越低。
生：我覺得可能與斜面的'傾斜程度有關，斜面的傾斜程度越大，把物體提升得也越高，機械效率就越高。
生：我認為可能與斜面的坡度有關。坡度越大，斜面的機械效率越高。
生：我覺得可能與物體的重力有關，物體越重，所以機械效率高（或越低）。
生：我認為可能與斜面的長度有關，斜面越長，克服摩擦力所做的額外功也越多，機械效率就越低。
生：我認為可能與物體對斜面的壓力有關，壓力越大，機械效率越低（或越高）。
生：我認為可能與斜面的高度有關，斜面越高，做的有用功就越多，機械效率越高。
師：很不錯，同學們猜想了這么多因素，而且說得有理有據。我們能不能把這些因素中相類似的因素合并合并，把問題簡化一下呢？誰來說？
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意思呀？
生：我覺得物體對斜面的壓力與物體的重力可以合并。
師：物體越重，對斜面的壓力也越大，那我們把它們合并為重力，因為壓力不太好測量。
生：我認為斜面的高度與斜面的長度也都可以合并為斜面的傾斜程度，因為固定高度，只改變長度或固定長度只改變高度都相當于改變了斜面的傾斜程度，效果是一樣的。
師：說得有道理，你能來演示給我們看看嗎？
生：演示并解說。把斜面長度固定，只改變斜面高度，斜面的傾斜程度變了；把斜面高度固定，只改變斜面的長度，斜面的傾斜程度也變了。這兩種方法達到的效果是一樣的。
師：這兩種方法都改變了斜面的傾斜程度。但哪一種方法更簡便？
生：固定高度，改變斜面的長度更簡便。
師：按照同學們的討論結果，進行合并后，影響斜面的機械效率的因素有幾個？
生：斜面的傾斜程度、斜面的粗糙程度、物體重力。（大屏幕）
3．設計方案：
師：要證明同學們的猜想是否正確，最好的辦法就是做實驗，因為實驗是檢驗真理的唯一標準。但是在做實驗之前，我們必須先設計好實驗方案，因為只有這樣，才能讓實驗有條不紊的進行。
師：當一個物理量與幾個因素有關，我們用什么方法來進行探究呢？
生：控制變量法。
師：當一個量與多個因素有關，在探究其中一個因素時，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，我們的時間也有限，所以各小組的同學只能就其中一個你比較感興趣的問題來進行探究，各小組討論一下，我來分分組，同時請各小組組長來領取實驗報告單。把你們的設計方案寫下來，畫出實驗的圖例和實驗表格。
生設計實驗，師巡視。發現問題及時給與幫助。
4．展示交流結果：
生1：在探究斜面機械效率與斜面傾斜程度的關系時，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。這是我們的設計方案圖和表格。
師：大屏幕展示方案一。（強調材料任意選擇其中一種）（動畫及表格）
附表格一：
實驗次數
斜面坡度
斜面材料
斜面高
/m
小車重
/N
有用功
/J
斜面長度/m
拉力
/N
總功
/J
機械效率
1
較緩
木板
2
較陡
木板
3
最陡
木板
生2：在探究斜面機械效率與斜面粗糙程度的關系時，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。（動畫及表格）
附表格二：
實驗次數
斜面坡度
斜面材料
斜面高/m
小車重/N
有用功/J
斜面長度/m
拉力
/N
總功
/J
機械效率
1
較陡
毛巾
2
較陡
木板
3
較陡
玻璃
生3：在探究斜面機械效率與物體重力的關系時，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。（也強調材料可以任意選擇）（動畫及表格）
附表格三：
實驗次數
斜面坡度
斜面材料
斜面高
/m
小車重
/N
有用功/J
斜面長度/m
拉力
/N
總功
/J
機械效率
1
較陡
木板
較小
2
較陡
木板
一般
3
較陡
木板
最大
5．進行實驗：
師：方案已經制定出來了。下面就開始實驗吧。同學們邊做實驗邊記錄數據。
生：做實驗。師巡視。發現問題及時幫助。
6．分析論證，得出結論
師：同學們的實驗做完了嗎？做完了。把你們的數據及結論拿到前面來展示一下，讓大家來分享你們的實驗成果吧。哪個小組先來？你們小組先來吧。
生：展示實驗。先把實驗報告拿到展示臺下展示，然后一個同學做演示，一個同學解說。
生1：我們探究的是斜面的機械效率與傾斜程度的關系。我們首先測出了物體重力，記入了表格。實驗時，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，再用刻度尺測出斜面的長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驗。最后算出較緩時為＊＊，較陡時為＊＊，最陡時為＊＊。所以我們得出的結論是：斜面的傾斜程度越大，機械效率越高。
師：真不錯，說得這么詳細。為他們鼓掌。
師：其它探究機械效率與斜面傾斜程度關系的小組得出的結論與他們的相同嗎？
生：我們選擇的是毛巾斜面，也得到了同樣的結論。
師：下面哪個小組上來展示？
生2：我們小組探究的是斜面的機械效率與斜面粗糙程度的關系。控制斜面的傾斜程度和物體重力一定，也是先測出了物體重力，記入了表格中，實驗時，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，用刻度尺測出斜面長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上面的實驗。最后分別算出在毛巾表面上時為＊＊，木板表面上時為＊＊，玻璃表面上時為＊＊，我們得出的結論是：斜面越粗糙，斜面的機械效率越低。
師：其它探究這個因素的小組得到的結論是一致的嗎？
生3：我們探究的是斜面的機械效率與物體重力的關系。控制斜面的傾斜程度和斜面的粗糙程度均相同，先測出木塊重力，記入表格中，把它沿斜面勻速拉上斜面，測出拉力的大小記入表格中，同時測出斜面長度和斜面高度，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，重復上面的實驗。最后算出較輕時的為＊＊，較重時為＊＊，最重時為＊＊。這三次的近似相等，所以在誤差范圍內，我們得出的結論是：斜面的機械效率與物體重力無關。
師；同學們都說得非常好。綜合一下同學們的實驗結論。我們可以得出影響斜面的機械效率的因素只有兩個，即斜面的傾斜程度和斜面的粗糙程度。具體的關系怎樣說才算是嚴密的呢？
生：在斜面的粗糙程度一定時，斜面的傾斜程度越大，斜面的機械效率越高。
生：在斜面的傾斜程度一定時，斜面越粗糙，斜面的機械效率越高。
生：斜面的傾斜程度與物體的重力無關。
師：說得非常好。（大屏幕展示結論）
7．評估與交流
師：我們回到剛才第一個表格中，同學們有沒有什么新的發現？
生：我還發現，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械效率大小，你可以得到什么結論？
生：斜面越省力，機械效率越低；斜面越費力，機械效率越高。
師：既然斜面的傾斜程度越小，機械效率越低，那盤山公路為什么還要把斜面修得那么長呢？
生：為了更省力。
師：特別是對于較重的物體做功考慮更多的應該是省力的問題，因為如果你不能搬不動動物體，你做的功就等于0，你的機械效率也將為零。這樣看來，我們應該在力所能及的范圍內，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，斜面的機械效率就越大。
師；我們可以采用極端思維法來思考這個問題：如果斜面的傾斜程度為零，也就是水平，當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，不需要克服斜面摩擦力做額外功了，此時的機械效率就等于100%。所以斜面的傾斜程度越小機械效率越低；斜面傾斜程度越大機械效率越高。
生：我想知道為什么斜面的機械效率與物體的重力無關。
師：這是因為拉力與重力成正比，關于為什么成正比，同學們到高中就明白了。
生：我還想知道斜面的機械效率與物體運動速度是否有關。
師：你覺得呢？
生：我覺得有關（或無關）
師：你想一下啊，無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：那你覺得機械效率與速度有關嗎？
生：我覺得無關。
生：我還想知道物體在斜面上滾動時的機械效率與滑動時的機械效率有什么區別？
師；那你猜一下，滾動時高還是滑動時高？
生：我覺得滾動時高，因為滾動摩擦比滑動摩擦小。
師：嗯，很喜歡動腦筋，不錯啊。
師：不過，這些只是同學們的猜想，真正的驗證過程就只能留給同學們課后去探究了。
師：通過這節課的學習，同學們覺得有哪些收獲，又有哪些不足呢？（大屏幕）
生1：通過探究我知道了斜面的機械效率與哪些因素有關，而且還知道了斜面的省力情況與斜面機械效率的關系。
生2：這次探究實驗，我們先根據提出的問題，進行了猜想，然后通過小組討論設計了實驗方案，再通過實驗，根據實驗數據分析歸納出正確結論，這個探究方法對我以后的學習有很大的幫助。
師：方法上的收獲確實很重要，我們除了要學習實驗的探究方法，也要學習別人好的學習方法，你們說是不是呀？有什么不足？
生：我覺得實驗中還是有很多的不足。比如，在測量拉力的時候，不能保證勻速拉動物體，而且彈簧測力計不是固定的，而是運動的，不便于讀數，拉力的測量誤差比較大。
生：斜面長度和斜面高度的測量也存在一些誤差。
師：所以我們在測量的時候，都要非常的細心，這樣才能提高實驗的成功率。
三、應用遷移，延伸拓展：
師：效率是一個很重要的問題，提高機械效率，可以更充分地發揮機械設備的作用，因為可以減少能耗，降低生產成本。效率就是時間，效率就是金錢，效率就是生命。無論做什么都會有效率，無論什么時候，我們都要盡量的提高效率。
閱讀理解：效率
除了機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肚里，這里我們可用效率表示對米的有效利用程度。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鉛筆芯的有效利用程度。用爐子燒水的時候，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，很多熱量浪費掉了，在這里我們可用“效率”的高低來表示對煤炭和放出的熱量的有效利用率的大小。吹電風扇時，消耗的電能除了一部分轉化為電風扇的機械能之外，電動機中的線圈由于電流通過會發熱，夏天，電風扇工作久了，電機發熱就是很好的證明，但產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表示電能利用率的大小。日常生活中所說的“工作效率”、“學習效率”、“辦事效率”等等，都是從一定角度反映對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，請同學們根據生活中你使用的機械，想想，怎樣提高機械效率呢？另外，再結合自己的學習實際，想想又如何提高學習效率呢？
師：這個問題就留給大家課后去思考吧，今天這節課我們就上到這兒。
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