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1、機械效率教學研究機械效率教學研究物理教研室機械效率教學研究機械效率教學研究 機械效率是初中力學的重要內(nèi)容，學生在學習功的概念以及功的原理的基礎上建立了有用功、額外功和總功的概念，并將此用于描述機械性能得出“機械效率”這一重要參量。本節(jié)的教學總目標是在學生對各種簡單機械已獲得具體的感性認識之后，通過科學探究活動和推理分析，從而建立起“機械效率”的概念。并且能應用“機械效率”知識解決相關問題。 機械效率是衡量機械性能的重要指標之一。引導學生思考如何從功出發(fā)研究機械的性能。通過對物理情境和實驗的探討，明確有用功、額外功、總功的含義。通過觀察和實驗測量，讓學生理解機械效率的概念。進一步分析機械的做功問
2、題，使學生深入理解“功”是反映力的作用“成效”的物理量。為本章最后機械能守恒定律的學習奠定基礎。初中物理課程標準對本部分的要求是“探究并知道凸透鏡成像的規(guī)律。了解凸透鏡成像的應用”。根據(jù)課程標準要求和全面提高學生素質(zhì)的需要，本節(jié)教學目標可參考以下內(nèi)容： 1知識與技能 知道有用功、額外功和總功概念。 理解機械效率概念和物理意義。 2過程與方法 通過參與探究斜面和動滑輪的機械效率的活動，學習擬定簡單的科學探究計劃和實驗方案 通過分析研究動滑輪機械效率實驗，培養(yǎng)學生科學思維方法和動手操作的能力。 3情感、態(tài)度和價值觀 具有對科學的求知欲，樂于探索日常生活中的物理學道理，有將科學技術應用于日常生活、社
3、會實踐的意識 在實驗中培養(yǎng)合作精神，養(yǎng)成實事求是、尊重實驗結果的科學態(tài)度 涉及的概念：功、有用功、額外功和總功等； 涉及的規(guī)律：斜面、定滑輪、動滑輪、滑輪的力學特征； 兩大特點： 綜合性、實用性比較強，緊密聯(lián)系日常生活實際； 學習探究方法， 培養(yǎng)科學探究的能力。m1.有用功和額外功 有用功是人們?yōu)榱送瓿晒ぷ髂康乃仨氉龅墓?，無論采用何種機械哪種方式都必須做的功，例如要想提水上樓，水所受的重力G乘以提升高度h就是有用功，即W有=Gh，不論提著水沿樓梯走上去，還是用滑輪把水拉上去，都要對水做這么多的功，這個功就是有用功。為了完成這個有用功，人將水提上樓的同時，人還得克服自身所受重力功做，使用機械還
4、需要摩擦力或克服滑輪重做功，這些并非人們需要但又不得不做的功就是額外功.想一想想一想 有用功和額外功是根據(jù)完成某項工作的目的來辯別的。用桶從水井中提水時，對水做的是有用功，而對桶做的是額外功。但是，如果是打撈落入水中的水桶，對桶做的就是有用功，對桶內(nèi)外殘存的水所做的功則是額外功?？梢?具體問題,具體分析。 人們在達到一定目的過程中，實際做的功等于有用功和額外功的總和，這個功叫總功，W總=W有+W額。 斜面： W總=Gh + 滑輪組： W總= =G物h + G實h LhGF 4. 效率效率 社會學社會學-指最有效地使用指最有效地使用社會資源社會資源以滿足以滿足人類的愿望和需要。人類的愿望和需要。
5、 (1)從時間角度：指的單位時間里實際從時間角度：指的單位時間里實際 完成的工作量。效率高，完成的工作量。效率高， 就是在單位時間里實際就是在單位時間里實際 完成的工作量多，節(jié)約完成的工作量多，節(jié)約 了時間成本。了時間成本。（2）從技術角度）從技術角度-功率是輸出與輸入功率功率是輸出與輸入功率之比，若此數(shù)越接近之比，若此數(shù)越接近 1 ，則顯示其效率越，則顯示其效率越好，如某設置的效率在好，如某設置的效率在 70%80% 之間，之間，即輸入即輸入 1000W ，輸出，輸出700W800W 之間之間， 設置本身消耗設置本身消耗 200W300W 的功率。的功率。（3）從資源角度）從資源角度-效率是
6、指對于有限資源效率是指對于有限資源(如原材料、人力、資金等如原材料、人力、資金等)的最佳分配方的最佳分配方法，是所達到結果與使用的資源之間的關法，是所達到結果與使用的資源之間的關系。系。（4）從管理學角度）從管理學角度-效率是指在特定時間效率是指在特定時間內(nèi)，組織的各種投入與產(chǎn)出之間的比率關內(nèi)，組織的各種投入與產(chǎn)出之間的比率關系。效率與投入成反比，與產(chǎn)出成正比。系。效率與投入成反比，與產(chǎn)出成正比。公共部門的效率包括兩方面：一是生產(chǎn)效公共部門的效率包括兩方面：一是生產(chǎn)效率，它指生產(chǎn)或者提供服務的平均成本；率，它指生產(chǎn)或者提供服務的平均成本；二是配置效率它指所提供的產(chǎn)品或服務是二是配置效率它指所提
7、供的產(chǎn)品或服務是否能夠滿足人的不同需求否能夠滿足人的不同需求。5.熱機效率熱機效率 熱機工作時轉變?yōu)橛杏霉Φ臒崃扛鸁釞C工作時轉變?yōu)橛杏霉Φ臒崃扛剂先紵龝r放出的熱量的比值叫做熱機燃料燃燒時放出的熱量的比值叫做熱機的效率，如果用的效率，如果用表示表示熱機的效率熱機的效率， Q Q1 1表示燃料提供的熱量，表示燃料提供的熱量，Q Q2 2表示耗散的表示耗散的熱量，熱量，W W表示所做的機械功，則有表示所做的機械功，則有=W/ =W/ Q Q1 1=( Q=( Q1 1-Q-Q2 2) / Q) / Q1 1=1- Q=1- Q2 2/ Q/ Q1 1。 由此可由此可知知Q Q1 1越大，越大，Q
8、Q2 2越小，熱機效率越高，它越小，熱機效率越高，它表明了熱機中熱量的利用程度。表明了熱機中熱量的利用程度。 6.電源效率 電源效率是指電源的電能利用率，也電源效率是指電源的電能利用率，也就是電源從外部吸收功率與向負載輸就是電源從外部吸收功率與向負載輸出功率兩者之的比值。高效率的電源出功率兩者之的比值。高效率的電源可以提高電能的使用效率，在一定程可以提高電能的使用效率，在一定程度上降低電源自身功耗和發(fā)熱量。度上降低電源自身功耗和發(fā)熱量。 熱機的效率是熱機問世以來科學家、發(fā)明家和工程師們一直研究的重要問題?，F(xiàn)在的內(nèi)燃機和噴氣機跟最初的蒸汽機相比，效率雖然提高了很多，但從節(jié)約能源的要求來看，熱機的
9、效率還遠遠不能滿意。現(xiàn)在最好的空氣噴氣發(fā)動機，在比較理想的情況下其效率也只有60。用途最廣的內(nèi)燃機，其效率最多只達到40。大部分能量被浪費掉了。 在熱機里，燃料燃燒不充分所損失的能量很少，可以忽略不計。能量損失主要有下面幾個方面： 一、廢氣帶走的熱量 二、機械散熱帶走的熱量 三、機械之間摩擦損失的能量 蒸氣機的效率：6%15% 汽油機的效率：25%35%早期蒸汽機早期蒸汽機1% 蒸汽機蒸汽機6%15%汽油機汽油機 22%27% 柴油機柴油機28%37%起重機：起重機：40%50%空氣噴氣發(fā)動機：空氣噴氣發(fā)動機：50%60% 初中物理課程標準理念：初中物理課程標準理念： 生活走向物理，從物理走向
10、社會；生活走向物理，從物理走向社會； 重科學探究，提倡學習方式多樣化；重科學探究，提倡學習方式多樣化； 注意學科滲透，關心科技發(fā)展；注意學科滲透，關心科技發(fā)展；二、二、 策略策略 教學綜述：教學綜述：機械效率是一個抽象的概念，要理解機械效率必須先理解有用功、額外功和總功的概念。概念嵌套，邏輯關系比較復雜。解決方法：通過學生觀察現(xiàn)象，以及動手實驗探究創(chuàng)設物理情境，在觀察實驗的基礎上充分探討，明確有用功、額外功、總功的意義，通過對數(shù)據(jù)分析、比較，得出機械效率的定義，并根據(jù)測量數(shù)據(jù)計算各組裝置的機械效率。分析簡單機械的機械效率與哪些因素有關，研究提高機械效率的方法，從而更加深入的理解機械效率。二、二
11、、 策略策略 教學原則：提高學生的學習能力和動手能力，培養(yǎng)學生的觀察能力、分析能力和歸納能力，讓學生在學習知識的過程也熟練掌握一些基本的科研態(tài)度、科研方法和科研步驟。 教學方法：觀察現(xiàn)象， 發(fā)現(xiàn)特征； 啟發(fā)引導、 科學探究； 歸納總結、 形成規(guī)律。二、二、 策略策略建立機械效率及相關概念，理解機械效率的意義，會分析和測定動滑輪和斜面的機械效率。通過引用學生認知中已有的概念如正確率、點擊率進行類比，來幫助建立機械效率的概念。利用分析比較和實驗探究方法，將抽象的物理概念具體化。在掌握知識的同時，學習科學思維方法。 二、二、 策略策略 新奇的實驗現(xiàn)象新奇的實驗現(xiàn)象新鮮的實踐體驗新鮮的實踐體驗新穎的認
12、知沖突新穎的認知沖突聯(lián)系實際：生活中經(jīng)常聯(lián)系實際：生活中經(jīng)常需要將物體舉高，如工需要將物體舉高，如工人抬飯箱；將書包背起人抬飯箱；將書包背起來的過程，都需要對物來的過程，都需要對物體功。體功。二、二、 策略策略。二、二、 策略策略二、二、 策略策略 提出猜想和假設提出猜想和假設（以斜面為例）（以斜面為例） 教師引導：斜面的機械效率大小教師引導：斜面的機械效率大小, ,與什么因素有關？與什么因素有關？ 1.1.斜面的機械效率與斜面傾斜程度有什么關系斜面的機械效率與斜面傾斜程度有什么關系? ? 猜想：斜面的傾斜程度越大，機械效率越高猜想：斜面的傾斜程度越大，機械效率越高 2.2.研究斜面的機械效率
13、與物體斜面之間接觸面大小研究斜面的機械效率與物體斜面之間接觸面大小有什么關系？有什么關系？ 猜想：機械效率與物體斜面之間接觸面大小無關猜想：機械效率與物體斜面之間接觸面大小無關 3.3.研究斜面的機械效率與它的粗糙程度有什么關系研究斜面的機械效率與它的粗糙程度有什么關系？ 猜想：表面越光滑，機械效率越高猜想：表面越光滑，機械效率越高二、二、 策略策略 4.4.研究斜面的機械效率與物重有什么關系？研究斜面的機械效率與物重有什么關系？ 猜想：研究斜面的機械效率與物體的重力無關猜想：研究斜面的機械效率與物體的重力無關 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、物
14、體重力有關。 師：能說說的猜想依據(jù)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。二、二、 策略策略師：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。二、二、 策略策略 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
15、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。二、二、 策略策略 師：很不錯，同學們猜想了這么多因素，而且說得有理有據(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。二、二、 策略策略 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
16、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，能演示一下嗎？ 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。二、二、 策略策略 師：這兩種方法都改變了斜面的傾斜程度。但哪一種方法更好？ 生：固定高度，改變斜面的長度更實用。 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。二、二、 策略策略 當一個物理量與幾個因素有關，用什么方法來當一個物理量與幾個因素有關，用什么方法來進行探究呢？進行探究呢
17、？控制變量法控制變量法。 當一個量與多個因素有關，在探究其中一個因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，這就是控制素時，我們要控制其它的因素一定，這就是控制變量法。由于本課題探究的因素較多，課堂教學變量法。由于本課題探究的因素較多，課堂教學時間有限，可以讓各小組的同學只就其中一個比時間有限，可以讓各小組的同學只就其中一個比較感興趣的問題來進行探究，各小組討論確定具較感興趣的問題來進行探究，各小組討論確定具體探究問題，作出實驗設計方案，畫出實驗的圖體探究問題，作出實驗設計方案，畫出實驗的圖例和實驗記錄表格。例和實驗記錄表格。二、二、 策略策略實驗：測量斜面的機械
18、效率實驗：測量斜面的機械效率 步驟：步驟：1 1、每一組給、每一組給1 1塊長方體的木塊、一塊長塊長方體的木塊、一塊長木板、一輛小車、一把刻度尺、一只彈簧測力木板、一輛小車、一把刻度尺、一只彈簧測力計。木塊和木板可以構成一個斜面。計。木塊和木板可以構成一個斜面。 2 2、設計實驗方案。在實驗中需要進行哪些操作、設計實驗方案。在實驗中需要進行哪些操作？要測量哪些量？并設計實驗數(shù)據(jù)記錄表。？要測量哪些量？并設計實驗數(shù)據(jù)記錄表。 3 3、與其他小組進行交流，看看誰的設計方案更、與其他小組進行交流，看看誰的設計方案更好。借助如下的方框完成實驗數(shù)據(jù)記錄表。好。借助如下的方框完成實驗數(shù)據(jù)記錄表。二、二、
19、策略策略 4 4、選擇設計科學、易于操作的實驗方案進行實驗、選擇設計科學、易于操作的實驗方案進行實驗，并把實驗數(shù)據(jù)記錄在表內(nèi)，并把實驗數(shù)據(jù)記錄在表內(nèi) 5 5、由實驗測出的數(shù)據(jù)算出斜面的機械效率、由實驗測出的數(shù)據(jù)算出斜面的機械效率 6 6、你認為斜面的機械效率可能跟哪些因素有關？、你認為斜面的機械效率可能跟哪些因素有關？提出你的猜測提出你的猜測 7 7、設計實驗方案，檢驗你的猜測是否正確。、設計實驗方案，檢驗你的猜測是否正確。 討論：討論：1 1、機械效率總是小于、機械效率總是小于1 1，為什么？，為什么？ 2 2、你認為可以從哪些方面提高機械效率？、你認為可以從哪些方面提高機械效率？二、二、
20、策略策略 結合實例通過多媒體展示四種運沙子上樓的方法,組織學生討論選擇哪種方法最好?為什么?分析有用功，額外功和總功。 設問置疑:二、二、 策略策略 任何機械本身都受到重力作用，相對運動的任何機械本身都受到重力作用，相對運動的零件之間又存在摩擦。所以使用任何機械，除了零件之間又存在摩擦。所以使用任何機械，除了有用功之外都不可避免地要做額外功。有用功之外都不可避免地要做額外功。5.建立物理概念的策略建立物理概念的策略機械效率概念的建立機械效率公式：機械效率公式：總有用WW動力動力物SFhG額外有用有用WWW總額外總WWW 動力動力物SFhGnhs對于滑輪組而言：動力動力物nFG額外有用有用WWW
21、GGG動滑輪物物 測量杠桿的機械效率 用如圖所示的實驗裝置測量杠桿的機械效率。實驗時，豎直向上勻速拉動彈簧測力計，使掛在較長 杠桿下面的鉤碼 緩緩上升。 二、二、 策略策略 （1 1）實驗中，將杠桿拉至圖中虛線位置，測力計的示數(shù)）實驗中，將杠桿拉至圖中虛線位置，測力計的示數(shù)F F為為N N，鉤碼總重，鉤碼總重G G為為1.0N1.0N，鉤碼上升高度，鉤碼上升高度h h為為0.1m0.1m，測力計移動距離，測力計移動距離s s為為0.3m0.3m，則杠桿的機械效率為，則杠桿的機械效率為% %。請寫出使用該杠桿做額外功的一個原因：。請寫出使用該杠桿做額外功的一個原因：。 （2 2）為了進一步研究杠
22、桿的機械效率與哪些因素有關，）為了進一步研究杠桿的機械效率與哪些因素有關，一位同學用該實驗裝置，先后將鉤碼掛在一位同學用該實驗裝置，先后將鉤碼掛在A A、B B兩點，測兩點，測量并計算得到下表所示的兩組數(shù)據(jù)：量并計算得到下表所示的兩組數(shù)據(jù)：鉤碼鉤碼懸掛點懸掛點鉤碼總重鉤碼總重G/N鉤碼移動鉤碼移動距離距離h/m拉力拉力F/N測力計移動測力計移動距離距離s/m機械效率機械效率/%A點點1.50.100.70.3071.4B點點2.00.151.20.3083.3二、二、 策略策略 根據(jù)表中數(shù)據(jù)，能否得出根據(jù)表中數(shù)據(jù)，能否得出“杠桿的機械效率與所杠桿的機械效率與所掛鉤碼的重有關，鉤碼越重其效率越高
23、掛鉤碼的重有關，鉤碼越重其效率越高”的結論的結論？答；？答； 請簡要說明兩條理由：請簡要說明兩條理由： ； . .二、二、 策略策略 1.1.正確理解有用功、額外功、總功概念正確理解有用功、額外功、總功概念 2 2. .能能分析分析歸納建立機械效率概念歸納建立機械效率概念 3 3. .會會設計并完成設計并完成實驗實驗, ,探究影響機械效率因探究影響機械效率因素素 主要從以上主要從以上三個方面三個方面對對學習效果進行學習效果進行“自自評評”、“互評互評”與與“教師評教師評” ” 。 設計簡潔、實用的設計簡潔、實用的評價量規(guī)評價量規(guī)二、二、 策略策略姓名 評價分析與概括能力研究意識合作精神與能力總
24、評 自評小組評二、二、 策略策略三、學生常見問題分析與解決策略三、學生常見問題分析與解決策略總有用WW三、學生常見問題分析與解決策略三、學生常見問題分析與解決策略功率和效率是二個不同的概念。功率和效率是二個不同的概念。 機械的機械的功率有輸入功率和輸出功率之分。輸入功率有輸入功率和輸出功率之分。輸入功率是由原動機來提供（如電動機、汽功率是由原動機來提供（如電動機、汽油機等）。因摩擦力等原因其輸出功率油機等）。因摩擦力等原因其輸出功率要小于輸入功率，二者的百分比即為機要小于輸入功率，二者的百分比即為機械效率。故只有在輸入功率不變的前提械效率。故只有在輸入功率不變的前提下，機械效率高，其輸出功率才
25、大。下，機械效率高，其輸出功率才大。 三、學生常見問題分析與解決策略三、學生常見問題分析與解決策略 用一個彈簧測力計，利用家中用一個彈簧測力計，利用家中“案板案板”和茶杯做和茶杯做了以下實驗：了以下實驗： A. A. 把杯子放在塑料袋中，在杯子中加入適量的水把杯子放在塑料袋中，在杯子中加入適量的水，用彈簧測力計測得杯子和水的總重量，用彈簧測力計測得杯子和水的總重量G G。 B. B. 用用“案板案板”作斜面，把一只水杯通過細繩與彈作斜面，把一只水杯通過細繩與彈簧測力計連接，拉動彈簧測力計，把盛水的杯子簧測力計連接，拉動彈簧測力計，把盛水的杯子勻速拉上斜面。勻速拉上斜面。 C. C. 分別測出拉
26、力分別測出拉力F F、杯子移動的距離、杯子移動的距離s s和升高的高和升高的高度度h h。 D. D. 改變斜面的高度，重復上述實驗。改變斜面的高度，重復上述實驗。比較下圖可知，滑輪組省力，但機械效率低于定滑輪比較下圖可知，滑輪組省力，但機械效率低于定滑輪三、學生常見問題分析與解決策略三、學生常見問題分析與解決策略三、學生常見問題分析與解決策略三、學生常見問題分析與解決策略 1.減少機械自重減少機械自重. 2.減少機械的摩擦等來減小額外功減少機械的摩擦等來減小額外功. 3.在額外功一定時在額外功一定時,增大有用功增大有用功. 三、學生常見問題分析與解決策略三、學生常見問題分析與解決策略總有用W
27、W 對于機械系統(tǒng)的效率計算初中階段不作要對于機械系統(tǒng)的效率計算初中階段不作要求，如果系統(tǒng)是由幾個機械簡單串聯(lián)而成求，如果系統(tǒng)是由幾個機械簡單串聯(lián)而成，則系統(tǒng)的總效率是各個機械的效率的連，則系統(tǒng)的總效率是各個機械的效率的連乘積，其結果仍是小于乘積，其結果仍是小于1的的(乘法原理乘法原理) 。如。如果系統(tǒng)的組成比較復雜，可應用功率流的果系統(tǒng)的組成比較復雜，可應用功率流的概念求出輸出功和輸入功的關系，從而求概念求出輸出功和輸入功的關系，從而求得機械系統(tǒng)的總效率。得機械系統(tǒng)的總效率。 一臺機器所做的有一臺機器所做的有用功與總功越接近，這臺機器的機械效率用功與總功越接近，這臺機器的機械效率就越高。就越高
28、。三、學生常見問題分析與解決策略三、學生常見問題分析與解決策略 反證的方法：如果機械效率等于1，只有不做額外功，而實際的機械不可能不做額外功（額外阻力總是存在的）。故實際機械的機械效率不可能等于1。如果機械效率大于1，則要求有用功大于總功，這當然是不可能的。三、學生常見問題分析與解決策略三、學生常見問題分析與解決策略組別機械拉力所做的功W/J123組別機械拉力所做的功W/J45組別機械機械效率/%123組別機械機械效率/%45物重G/N物體上升距離h/m有用功W有/J人手用力F/N繩端移動距離S/m總功W總/J機械效率/%結論組別上升距離 S/m拉力大小F/N機械效率/%123組別上升距離 S/m拉力大小F/N機械效率/%45三、學生常見問題分析與解決策略三、學生常見問題分析與解決策略 機械效率不是一定的。比如滑輪組的機械效率，影響它的主要因素是物重，其次是動滑輪重，還有繩子重和摩擦。 打個比方：用一個重100N的動滑輪吊起1N重的物體或10000N的物體，哪個效率高？因為不論吊輕物還是吊重物都需要把一只挺重的動滑輪吊上去，吊動滑輪做的就是額外功，額外功在總功中占的比例越多，效率就越低。三、學生常見問題分析與解決策略三、學生常見問題分析與解決策略
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