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机械效率教案

shiwaishuzidu2025年07月10日 04:07:17学习资源4

教学目标

知识与技能目标
- 理解机械效率的概念,知道机械效率是描述机械性能的重要物理量。
- 能正确计算简单机械的机械效率,包括滑轮组、杠杆等常见机械。
- 理解提高机械效率的途径和方法。
过程与方法目标
- 通过实验探究和理论分析,培养学生观察、实验、分析和归纳的能力。
- 经历探究机械效率的过程,体会控制变量法在科学研究中的应用。
情感态度与价值观目标
- 通过对机械效率的学习,培养学生实事求是的科学态度和勇于探索的精神。
- 使学生认识到提高机械效率对节约能源和提高生产效率的重要意义,增强节能环保意识。

教学重难点

教学重点
- 机械效率的概念和计算公式。
- 探究滑轮组的机械效率及其影响因素。
教学难点
- 理解机械效率的概念,特别是对额外功的理解。
- 探究影响滑轮组机械效率因素的实验设计和数据分析。

教学方法

讲授法、实验探究法、讨论法、多媒体辅助教学法

教学过程

（一）引入新课（3分钟）

情景导入
- 展示一些生活中使用机械工作的场景,如起重机吊起重物、工人使用滑轮组提升货物等，引导学生思考：使用机械做功时，是否将所有的功都用于对我们有用的方面？有没有额外的功产生？
- 举例说明：用动滑轮提升重物时，我们的目的是将重物提升到一定高度，这是有用功，但在实际过程中，我们还需要对动滑轮本身做功（克服动滑轮的重力做功），这部分功就是额外功，如何衡量机械对总功的利用情况呢？从而引出本节课的主题——机械效率。

（二）新课讲授（30分钟）

机械效率的概念（10分钟）

有用功和额外功的定义
    有用功：为了达到我们的目的而必须做的功，用滑轮提升重物时，对重物做的功就是有用功；用挖掘机挖土时，克服泥土重力做的功是有用功。
    额外功：并非我们需要但又不得不做的功，克服机械自身的重力、摩擦力等所做的功就是额外功，以滑轮组为例，克服动滑轮和绳子之间的摩擦力所做的功也是额外功。
总功的定义
    总功：有用功与额外功的总和，即\(W_{总}=W_{有用}+W_{额外}\)。
机械效率的定义和公式
    机械效率：有用功跟总功的比值，用\(\eta\)表示，其公式为\(\eta=\frac{W_{有用}}{W_{总}}\times100\%\)。
    强调机械效率是一个百分比，且由于额外功的存在，任何机械的机械效率都小于1（或100%）。
举例说明
    例1：用一动滑轮将重为\(G\)的物体匀速提升\(h\)的高度，动滑轮的重力为\(G_{动}\)，求该滑轮组的机械效率。
        分析：有用功是对物体做的功，\(W_{有用}=Gh\)；总功是人对绳子做的功，因为动滑轮可以省一半的力，所以拉力\(F=\frac{1}{2}(G + G_{动})\)，绳子自由端移动的距离\(s = 2h\)，则总功\(W_{总}=Fs=\frac{1}{2}(G + G_{动})\times2h=(G + G_{动})h\)，根据机械效率公式可得\(\eta=\frac{Gh}{(G + G_{动})h}\times100\%=\frac{G}{G + G_{动}}\times100\%\)。

探究滑轮组的机械效率（15分钟）

提出问题
    滑轮组的机械效率与哪些因素有关？
猜想与假设
    引导学生根据生活经验和前面所学知识进行猜想，学生可能会猜想滑轮组的机械效率与物重、动滑轮的重力、摩擦力等因素有关。
设计实验
    介绍实验器材：滑轮组、铁架台、弹簧测力计、刻度尺、钩码若干。
    讲解实验步骤：
        组装滑轮组，用弹簧测力计测出钩码的重力\(G\)和动滑轮的重力\(G_{动}\)。
        竖直向上匀速拉动弹簧测力计，使钩码升高一定的高度\(h\)，读出弹簧测力计的示数\(F\)，并测量绳子自由端移动的距离\(s\)。
        改变钩码的个数（即改变物重），重复上述步骤。
进行实验
    学生分组进行实验，教师巡回指导，提醒学生注意弹簧测力计的读数方法和刻度尺的使用，以及拉动弹簧测力计时要保持匀速。
收集数据与分析论证
    学生将实验数据记录在表格中。
    |实验次数|物重\(G/N\)|动滑轮重\(G_{动}/N\)|拉力\(F/N\)|物体升高高度\(h/m\)|绳子自由端移动距离\(s/m\)|有用功\(W_{有用}/J\)|总功\(W_{总}/J\)|机械效率\(\eta/\%\)|
    |---|---|---|---|---|---|---|---|---|
    |1| | | | | | | | |
    |2| | | | | | | | |
    |3| | | | | | | | |
    引导学生分析数据，计算每次实验的有用功、总功和机械效率，通过比较不同实验次数的数据，得出上文归纳：滑轮组的机械效率与物重有关，物重越大，机械效率越高；还与动滑轮的重力有关，动滑轮越重，机械效率越低。
交流与评估
    组织学生进行交流，讨论实验中存在的问题和不足之处，实验中如何减小摩擦力对实验结果的影响，如何准确测量绳子自由端移动的距离等，让学生评估自己的实验结果是否合理，是否与理论分析相符。

提高机械效率的途径（5分钟）

引导学生思考
    根据前面探究的滑轮组机械效率的影响因素，思考如何提高机械效率。
归纳提高机械效率的途径
    减小额外功：减轻机械自身的重力（如使用轻质材料制作滑轮等）、减小摩擦（如加润滑油、减小接触面的粗糙程度等）。
    增大有用功：在机械允许的范围内，尽可能增加所提物体的重力或工作量。

（三）课堂小结（5分钟）

知识梳理
- 请学生回顾本节课所学内容,包括机械效率的概念、有用功、额外功和总功的定义、滑轮组机械效率的计算公式以及影响滑轮组机械效率的因素和提高机械效率的途径。
- 教师对学生的回答进行补充和完善,强调重点知识和易错点，在计算机械效率时，要注意区分有用功和总功，额外功是不能遗漏的；在探究滑轮组机械效率的实验中，要掌握控制变量法的应用等。
方法归纳
回顾探究滑轮组机械效率的实验过程,归纳实验中所使用的科学方法，如控制变量法、转换法（通过测量功的大小来比较机械效率的高低）等，强调这些方法在物理学研究中的重要性，培养学生的科学思维和方法意识。

（四）课堂练习（5分钟）

基础练习
- 下列关于机械效率的说法中,正确的是（） A. 机械效率越高，所做的有用功越多 B. 机械效率越高，所做的额外功越少 C. 机械效率越高，表明机械越省力 D. 机械效率越高，表明机械在做功时，有用功在总功中所占的比例越大
- 用滑轮组提升重物,请写出有用功、额外功和总功的表达式，并推导滑轮组机械效率的公式。
拓展练习
- 小明用同一滑轮组分别将甲、乙两组质量不同的钩码匀速提升相同高度（不计绳重和摩擦），下列说法正确的是（） A. 两次实验滑轮组的机械效率相等 B. 两次实验所做的有用功相等 C. 两次实验绳端移动的距离相等 D. 两次实验所做的总功不相等
- 某建筑工地用起重机吊装一个工件,工件重(1.8\times10^{4}N)，起重机将工件以(0.2m/s)的速度匀速提升了(10m)，起重机的电动机输出的总功率为(6kW)，求该起重机的机械效率。（(g = 10N/kg)）

（五）布置作业（2分钟）

书面作业
- 完成课本上相关习题,巩固机械效率的概念、计算和影响因素等知识。
- 设计一个实验方案,探究斜面的机械效率与哪些因素有关，要求写出实验器材、实验步骤和预期的实验上文归纳。
实践作业
观察生活中常见的机械,如自行车、汽车等，分析其中存在的有用功、额外功和总功，并尝试估算它们的机械效率，写一篇简短的分析报告，阐述自己的观察结果和分析过程。