机械效率物理教案设计及教学实录

　　【教学目标】
　　一、知识与技能
　　1知道利用斜面拉物体时，有用功与总功的计算方法，会计算斜面的机械效率。
　　2会测定斜面的机械效率，并会运用控制变量法的实验方法进行探究实验。
　　3知道提高机械效率的意义和主要方法。
　　二、过程与方法
　　1从生活实际出发，培养探究物理学的有关知识的兴趣以及深入认识事物的能力。
　　2亲身经历测量斜面机械效率的过程，通过参与探究影响斜面的机械效率因素的活动，学习拟定简单的科学探究计划和实验方案，并培养自主合作探究的能力。
　　三、情感、态度与价值观
　　1让学生学会关注生产、生活中各种机械的机械效率，具有用机械效率来评价机械的意识。
　　2通过探究活动，进行充分的交流与合作，培养学生严谨求实的科学态度和团结协作的科学精神。
　　【实验教具】
　　学生用实验器材：弹簧测力计、刻度尺、木板斜面、毛巾、玻璃、带钩的方木块、长方体铁块、砝码。
　　老师用实验器材：器材同上。
　　软件：Flash课件。
　　【教学过程】
　　一、创设情景，导入新课
　　师：工人往高处搬重物时，一般会用什么方法？
　　生：用木板搭成一个斜面，把重的东西推上去或拉上去。
　　师：为什么这么做呢？
　　生：因为斜面可以省力。
　　师：斜面这种省力的机械，在生活中有许多运用，同学们都见过哪些斜面？
　　生：盘山公路就是一个大斜面。（大屏幕）
　　师：还有吗？
　　生：我们骑自行车上坡时，走S形路线会更容易一些。也是利用了斜面可以省力。
　　师：这盘山公路像不像S形？
　　师：桥梁的引桥也是一个斜面，而且桥面越高，引桥也越长。（大屏幕）
　　师：既然使用斜面可以省力，那能不能省功呢？
　　生：不能。因为使用任何机械都不能省功。
　　师：说得很好。实际上使用任何机械都会不可避免的做一些额外功，这样使得有用功总是小于总功，有用功占总功的百分比就是机械效率，我们用它来描述利用机械做功的效率，那么斜面的机械效率到底与哪些因素有关呢？它的省力情况与它的机械效率有什么关系吗？
　　二、合作交流，解读探究
　　1提出问题：
　　师：这节课我们就一起来探究斜面的机械效率。
　　师：我们利用斜面做功时，目的是把物体抬到一定高度处。我们不把它竖起提升，而是沿着斜面把它拉上去，这是为了省力。演示：请看这里，沿斜面拉物体时，什么是有用功？什么是总功？如何计算斜面的机械效率？
　　生：克服物体重力所做的功是有用功，拉力所做的功是总功。
　　师：我们需要哪些测量仪器？需要测量哪些物理量呢？
　　生：需要弹簧测力计和刻度尺。要测出物体重力，斜面高度，拉力，斜面长度。
　　斜面的机械效率：（大屏幕）
　　师：你们准备怎样测量拉力的大小？
　　生：用弹簧测力计钩住物体，沿斜面匀速向上拉，读出测力计的示数即为拉力的大小。
　　师：知道了如何测量斜面的机械效率了，同学们猜想一下，斜面的机械效率可能与哪些因素有关呢？
　　2进行猜想：
　　生：斜面的机械效率可能与斜面的高度、斜面长度、倾斜程度、斜面坡度、斜面粗糙程度、所拉物体重力有关。（大屏幕）
　　师：能说说你们的猜想依据吗？
　　生：我觉得可能与斜面的粗糙程度有关，斜面越粗糙，克服摩擦力所做的额外功就越多，机械效率越低。
　　师：有道理。摩擦是影响机械效率的一个重要因素，摩擦力越大，做的额外功就越多，机械效率就越低。
　　生：我觉得可能与斜面的倾斜程度有关，斜面的倾斜程度越大，把物体提升得也越高，机械效率就越高。
　　生：我认为可能与斜面的坡度有关。坡度越大，斜面的机械效率越高。
　　生：我觉得可能与物体的重力有关，物体越重，所以机械效率高（或越低）。
　　生：我认为可能与斜面的长度有关，斜面越长，克服摩擦力所做的额外功也越多，机械效率就越低。
　　生：我认为可能与物体对斜面的压力有关，压力越大，机械效率越低（或越高）。
　　生：我认为可能与斜面的高度有关，斜面越高，做的有用功就越多，机械效率越高。
　　师：很不错，同学们猜想了这么多因素，而且说得有理有据。我们能不能把这些因素中相类似的因素合并合并，把问题简化一下呢？谁来说？
　　生：我觉得斜面的坡度与斜面的倾斜程度可以合并。
　　师：坡度与倾斜程度是不是一个意思呀？
　　生：我觉得物体对斜面的压力与物体的重力可以合并。
　　师：物体越重，对斜面的压力也越大，那我们把它们合并为重力，因为压力不太好测量。
　　生：我认为斜面的高度与斜面的长度也都可以合并为斜面的倾斜程度，因为固定高度，只改变长度或固定长度只改变高度都相当于改变了斜面的倾斜程度，效果是一样的。
　　师：说得有道理，你能来演示给我们看看吗？
　　生：演示并解说。把斜面长度固定，只改变斜面高度，斜面的倾斜程度变了；把斜面高度固定，只改变斜面的长度，斜面的倾斜程度也变了。这两种方法达到的效果是一样的。
　　师：这两种方法都改变了斜面的倾斜程度。但哪一种方法更简便？
　　生：固定高度，改变斜面的长度更简便。
　　师：按照同学们的讨论结果，进行合并后，影响斜面的机械效率的因素有几个？
　　生：斜面的倾斜程度、斜面的粗糙程度、物体重力。（大屏幕）
　　3设计方案：
　　师：要证明同学们的猜想是否正确，最好的办法就是做实验，因为实验是检验真理的唯一标准。但是在做实验之前，我们必须先设计好实验方案，因为只有这样，才能让实验有条不紊的进行。
　　师：当一个物理量与几个因素有关，我们用什么方法来进行探究呢？
　　生：控制变量法。
　　师：当一个量与多个因素有关，在探究其中一个因素时，我们要控制其它的因素一定，这就是控制变量法。由于探究的因素较多，我们的时间也有限，所以各小组的同学只能就其中一个你比较感兴趣的问题来进行探究，各小组讨论一下，我来分分组，同时请各小组组长来领取实验报告单。把你们的设计方案写下来，画出实验的图例和实验表格。
　　生设计实验，师巡视。发现问题及时给与帮助。
　　4展示交流结果：
　　生1：在探究斜面机械效率与斜面倾斜程度的关系时，控制斜面的粗糙程度和物体重力一定，改变斜面的倾斜程度。分别就较缓、较陡、最陡做三次。这是我们的设计方案图和表格。
　　师：大屏幕展示方案一。（强调材料任意选择其中一种）（动画及表格）
　　附表格一：
　　实验次数
　　斜面坡度
　　斜面材料
　　斜面高
　　m
　　小车重
　　N
　　有用功
　　J
　　斜面长度m
　　拉力
　　N
　　总功
　　J
　　机械效率
　　1hr较缓
　　木板
　　2hr较陡
　　木板
　　3hr最陡
　　木板
　　生2：在探究斜面机械效率与斜面粗糙程度的关系时，控制斜面的倾斜程度和物体重力一定，改变斜面的粗糙程度。分别在毛巾、木板、玻璃斜面上做三次。这是我们的方案图和表格。
　　师：大屏幕展示方案二。（动画及表格）
　　附表格二：
　　实验次数
　　斜面坡度
　　斜面材料
　　斜面高m
　　小车重N
　　有用功J
　　斜面长度m
　　拉力
　　N
　　总功
　　J
　　机械效率
　　1hr较陡
　　毛巾
　　2hr较陡
　　木板
　　3hr较陡
　　玻璃
　　生3：在探究斜面机械效率与物体重力的关系时，控制斜面的。倾斜程度和斜面粗糙程度一定，改变物体的重力，分别用较轻、较重、最重的物体做三次。这是我们的方案图和表格。
　　师：展示方案三。（也强调材料可以任意选择）（动画及表格）
　　附表格三：
　　实验次数
　　斜面坡度
　　斜面材料
　　斜面高
　　m
　　小车重
　　N
　　有用功J
　　斜面长度m
　　拉力
　　N
　　总功
　　J
　　机械效率
　　1hr较陡
　　木板
　　较小
　　2hr较陡
　　木板
　　一般
　　3hr较陡
　　木板
　　最大
　　5进行实验：
　　师：方案已经制定出来了。下面就开始实验吧。同学们边做实验边记录数据。
　　生：做实验。师巡视。发现问题及时帮助。
　　6分析论证，得出结论
　　师：同学们的实验做完了吗？做完了。把你们的数据及结论拿到前面来展示一下，让大家来分享你们的实验成果吧。哪个小组先来？你们小组先来吧。
　　生：展示实验。先把实验报告拿到展示台下展示，然后一个同学做演示，一个同学解说。
　　生1：我们探究的是斜面的机械效率与倾斜程度的关系。我们首先测出了物体重力，记入了表格。实验时，我们选择的是斜面。先让斜面的倾斜程度较小，把物体沿斜面匀速拉上斜面，读出拉力的大小，记入表格，再用刻度尺测出斜面的长度和高度也分别记入表格。然后逐渐增大斜面的倾斜程度，按同样的方法重做两次实验。最后算出较缓时为，较陡时为，最陡时为。所以我们得出的结论是：斜面的倾斜程度越大，机械效率越高。
　　师：真不错，说得这么详细。为他们鼓掌。
　　师：其它探究机械效率与斜面倾斜程度关系的小组得出的结论与他们的相同吗？
　　生：我们选择的是毛巾斜面，也得到了同样的结论。
　　师：下面哪个小组上来展示？
　　生2：我们小组探究的是斜面的机械效率与斜面粗糙程度的关系。控制斜面的倾斜程度和物体重力一定，也是先测出了物体重力，记入了表格中，实验时，先在木板表面铺上毛巾，把物体沿毛巾斜面匀速拉上斜面，记下拉力大小，记入表格，用刻度尺测出斜面长度和斜面高度分别记入表格中。然后再在木板斜面和玻璃斜面重复上面的实验。最后分别算出在毛巾表面上时为，木板表面上时为，玻璃表面上时为，我们得出的结论是：斜面越粗糙，斜面的机械效率越低。
　　师：其它探究这个因素的小组得到的结论是一致的吗？
　　生3：我们探究的是斜面的机械效率与物体重力的关系。控制斜面的倾斜程度和斜面的粗糙程度均相同，先测出木块重力，记入表格中，把它沿斜面匀速拉上斜面，测出拉力的大小记入表格中，同时测出斜面长度和斜面高度，也分别记入表格中，然后逐渐在木块上加砝码，改变物体重力，重复上面的实验。最后算出较轻时的为，较重时为，最重时为。这三次的近似相等，所以在误差范围内，我们得出的结论是：斜面的机械效率与物体重力无关。
　　师；同学们都说得非常好。综合一下同学们的实验结论。我们可以得出影响斜面的机械效率的因素只有两个，即斜面的倾斜程度和斜面的粗糙程度。具体的关系怎样说才算是严密的呢？
　　生：在斜面的粗糙程度一定时，斜面的倾斜程度越大，斜面的机械效率越高。
　　生：在斜面的倾斜程度一定时，斜面越粗糙，斜面的机械效率越高。
　　生：斜面的倾斜程度与物体的重力无关。
　　师：说得非常好。（大屏幕展示结论）
　　7评估与交流
　　师：我们回到刚才第一个表格中，同学们有没有什么新的发现？
　　生：我还发现，倾斜程度越小，拉力越小，也就是越省力。
　　师：那综合分析一下省力情况与机械效率大小，你可以得到什么结论？
　　生：斜面越省力，机械效率越低；斜面越费力，机械效率越高。
　　师：既然斜面的倾斜程度越小，机械效率越低，那盘山公路为什么还要把斜面修得那么长呢？
　　生：为了更省力。
　　师：特别是对于较重的物体做功考虑更多的应该是省力的问题，因为如果你不能搬不动动物体，你做的功就等于0，你的机械效率也将为零。这样看来，我们应该在力所能及的范围内，尽量的让斜面更陡一些，更光滑一些，这样就能提高斜面的机械效率了。
　　师：通过刚才的探究，你最感兴趣的是什么？你还想知道有关斜面的哪些方面问题？（大屏幕）
　　生：我还想知道斜面在生活中还有哪些应用。
　　师：还有生活中不太起眼的螺丝钉，千斤顶，楼梯等等都是斜面。
　　生：我想知道为什么斜面的倾斜程度越大，斜面的机械效率就越大。
　　师；我们可以采用极端思维法来思考这个问题：如果斜面的倾斜程度为零，也就是水平，当我们沿水平方向拉物体，不可能让物体升高，在提升物体这方面做的功为0，即机械效率为0。如果斜面的倾斜程度最大，也就是竖直，沿竖直方向提升物体时，不需要克服斜面摩擦力做额外功了，此时的机械效率就等于100。所以斜面的倾斜程度越小机械效率越低；斜面倾斜程度越大机械效率越高。
　　生：我想知道为什么斜面的机械效率与物体的重力无关。
　　师：这是因为拉力与重力成正比，关于为什么成正比，同学们到高中就明白了。
　　生：我还想知道斜面的机械效率与物体运动速度是否有关。
　　师：你觉得呢？
　　生：我觉得有关（或无关）
　　师：你想一下啊，无论速度大还是速度小，只要是匀速，拉物体的力变不变？
　　生：不变。
　　师：那你觉得机械效率与速度有关吗？
　　生：我觉得无关。
　　生：我还想知道物体在斜面上滚动时的机械效率与滑动时的机械效率有什么区别？
　　师；那你猜一下，滚动时高还是滑动时高？
　　生：我觉得滚动时高，因为滚动摩擦比滑动摩擦小。
　　师：嗯，很喜欢动脑筋，不错啊。
　　师：不过，这些只是同学们的猜想，真正的验证过程就只能留给同学们课后去探究了。
　　师：通过这节课的学习，同学们觉得有哪些收获，又有哪些不足呢？（大屏幕）
　　生1：通过探究我知道了斜面的机械效率与哪些因素有关，而且还知道了斜面的省力情况与斜面机械效率的关系。
　　生2：这次探究实验，我们先根据提出的问题，进行了猜想，然后通过小组讨论设计了实验方案，再通过实验，根据实验数据分析归纳出正确结论，这个探究方法对我以后的学习有很大的帮助。
　　师：方法上的收获确实很重要，我们除了要学习实验的探究方法，也要学习别人好的学习方法，你们说是不是呀？有什么不足？
　　生：我觉得实验中还是有很多的不足。比如，在测量拉力的时候，不能保证匀速拉动物体，而且弹簧测力计不是固定的，而是运动的，不便于读数，拉力的测量误差比较大。
　　生：斜面长度和斜面高度的测量也存在一些误差。
　　师：所以我们在测量的时候，都要非常的细心，这样才能提高实验的成功率。
　　三、应用迁移，延伸拓展：
　　师：效率是一个很重要的问题，提高机械效率，可以更充分地发挥机械设备的作用，因为可以减少能耗，降低生产成本。效率就是时间，效率就是金钱，效率就是生命。无论做什么都会有效率，无论什么时候，我们都要尽量的提高效率。
　　阅读理解：效率
　　除了机械做功有效率问题外，日常生活中的很多事情都有效率问题。一家人吃饭，不可能把每粒米都吃进肚里，这里我们可用效率表示对米的有效利用程度。用铅笔写字，一支铅笔的铅芯都能完全利用吗？人们总希望这根铅笔芯被利用的程度越大越好，因而这里的效率反映了对铅笔芯的有效利用程度。用炉子烧水的时候，煤炭不可能都完全燃烧，燃烧的煤炭放出的热量只有一部分被水吸收，很多热量浪费掉了，在这里我们可用效率的高低来表示对煤炭和放出的热量的有效利用率的大小。吹电风扇时，消耗的电能除了一部分转化为电风扇的机械能之外，电动机中的线圈由于电流通过会发热，夏天，电风扇工作久了，电机发热就是很好的证明，但产生的这些热量都白白散失到空气中了。所以也可以用效率来表示电能利用率的大小。日常生活中所说的工作效率、学习效率、办事效率等等，都是从一定角度反映对某些事物的有效利用程度。（大屏幕展示文字并配音）
　　看完这段方字，请同学们根据生活中你使用的机械，想想，怎样提高机械效率呢？另外，再结合自己的学习实际，想想又如何提高学习效率呢？
　　师：这个问题就留给大家课后去思考吧，今天这节课我们就上到这儿。