“機械效率”教學研究(王穎).ppt

機械效率教學研究,北京市東城區(qū)教育研修學院 物理教研室 王穎,機械效率教學研究,“機械效率”教學策略與實施,“機械效率”教學問題與解決,（二） “機械效率”及相關知識的聯(lián)系,（三） “機械效率”在生活中的應用,（一） “機械效率”在力學知識中的地位,一、 “機械效率”相關知識與拓展,（一） “機械效率”在力學知識中的地位,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。,（一） “機械效率”在力學知識中的地位,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。,（一） “機械效率”在力學知識中的地位,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(shù)應用于日常生活、社會實踐的意識 在實驗中培養(yǎng)合作精神，養(yǎng)成實事求是、尊重實驗結(jié)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。,（一） “機械效率”在力學知識中的地位,,Company Logo,（一） “機械效率”在力學知識中的地位,1.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Γ瑹o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.,（二） “機械效率”及相關知識的聯(lián)系,想一想,用水桶從井中提水的時候，所做的功哪部分是有用功，哪部分是額外功？如果桶掉到井里，從井里撈桶的時候，撈上的桶里帶了一些水，這種情況下哪部分是有用功，哪部分是額外功？,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。,（二） “機械效率”及相關知識的聯(lián)系,2.總功 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,（二） “機械效率”及相關知識的聯(lián)系,FL=Gh,即：,3.簡單機械 斜面的原理： （理想：不計摩擦） 斜面長是斜面高的幾倍，推力就是物重的幾分之一。,3.簡單機械 滑輪組： （理想：不計摩擦） 與動滑輪相聯(lián)有幾段繩子，則繩自由端的拉力為物體與動滑輪總重的幾分之一。,（二） “機械效率”及相關知識的聯(lián)系,4. 效率 社會學-指最有效地使用社會資源以滿足人類的愿望和需要。 (1)從時間角度：指的單位時間里實際 完成的工作量。效率高， 就是在單位時間里實際 完成的工作量多，節(jié)約 了時間成本。,（二） “機械效率”及相關知識的聯(lián)系,（2）從技術(shù)角度-功率是輸出與輸入功率之比，若此數(shù)越接近 1 ，則顯示其效率越好，如某設置的效率在 70%80% 之間，即輸入 1000W ，輸出700W800W 之間， 設置本身消耗 200W300W 的功率。 （3）從資源角度-效率是指對于有限資源(如原材料、人力、資金等)的最佳分配方法，是所達到結(jié)果與使用的資源之間的關系。,（二） “機械效率”及相關知識的聯(lián)系,（二） “機械效率”及相關知識的聯(lián)系,（4）從管理學角度-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)品或服務是否能夠滿足人的不同需求。,5.熱機效率 熱機工作時轉(zhuǎn)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的效率，如果用表示熱機的效率， Q1表示燃料提供的熱量，Q2表示耗散的熱量，W表示所做的機械功，則有=W/ Q1=( Q1-Q2) / Q1=1- Q2/ Q1。 由此可知Q1越大，Q2越小，熱機效率越高，它表明了熱機中熱量的利用程度。,（二） “機械效率”及相關知識的聯(lián)系,6.電源效率 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，在一定程度上降低電源自身功耗和發(fā)熱量。,（二） “機械效率”及相關知識的聯(lián)系,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。,（三） “機械效率”在生活中的應用,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%,（三） “機械效率”在生活中的應用,早期蒸汽機1% 蒸汽機6%15%,汽油機 22%27% 柴油機28%37% 起重機：40%50% 空氣噴氣發(fā)動機： 50%60%,初中物理課程標準理念： 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； 注意學科滲透，關心科技發(fā)展；,二、 “機械效率”的教學策略,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、 “機械效率”的教學策略,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(jié)、 形成規(guī)律。,二、 “機械效率”的教學策略,1.重點難點分析 重點：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。 難點：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、 “機械效率”的教學策略,教學設計示例一,2.創(chuàng)設物理情境的策略,聯(lián)系實際：生活中經(jīng)常需要將物體舉高，如工人抬飯箱；將書包背起來的過程，都需要對物體功。,二、 “機械效率”的教學策略,教學設計示例二,2.創(chuàng)設物理情境的策略,起重機將建筑構(gòu)件吊起。 物體沿斜面坡道上升。 汽車在盤山公路上行駛。,3.實施探究活動的策略（以斜面為例） 組裝器材,教學設計示例三,二、 “機械效率”的教學策略,分析：在斜面上拉動物體和沿豎直方向提升物體,二、 “機械效率”的教學策略,h,F,s,G,分析斜面,W有用=Gh,W總=Fs,提出猜想和假設（以斜面為例） 教師引導：斜面的機械效率大小,與什么因素有關？ 1.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 2.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？ 猜想：機械效率與物體斜面之間接觸面大小無關 3.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,3.實施探究活動的策略,課堂教學片段一,二、 “機械效率”的教學策略,4.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 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、 “機械效率”的教學策略,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、 “機械效率”的教學策略,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、 “機械效率”的教學策略,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、 “機械效率”的教學策略,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、 “機械效率”的教學策略,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(jié)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、 “機械效率”的教學策略,當一個物理量與幾個因素有關，用什么方法來進行探究呢？控制變量法。 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，畫出實驗的圖例和實驗記錄表格。,二、 “機械效率”的教學策略,實驗：測量斜面的機械效率 步驟：1、每一組給1塊長方體的木塊、一塊長木板、一輛小車、一把刻度尺、一只彈簧測力計。木塊和木板可以構(gòu)成一個斜面。 2、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。 3、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。,二、 “機械效率”的教學策略,4、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) 5、由實驗測出的數(shù)據(jù)算出斜面的機械效率 6、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 7、設計實驗方案，檢驗你的猜測是否正確。 討論：1、機械效率總是小于1，為什么？ 2、你認為可以從哪些方面提高機械效率？,二、 “機械效率”的教學策略,結(jié)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、 “機械效率”的教學策略,4.引導分析推理的策略（以滑輪組為例）,判斷依據(jù)：省力和少做額外功。,(繩重和摩擦不計),教學設計示例四,1人對砂子做功,2人對桶做功,3人克服自重做功,1人對砂子做功,2對桶做功,3對動滑輪做功,1人對砂子做功,2對口袋做功,3對動滑輪做功,方法1：人提沙子上樓,方法2：人使用定滑輪,1人對砂子做功,2人對桶做功,方法3：人使用動滑輪和桶,方法4：人使用動滑輪和口袋,不省力,可省力,可更省力,(繩重和摩擦不計),費力,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，除了有用功之外都不可避免地要做額外功。,定義：有用功跟總功的比值叫機械效率。,5.建立物理概念的策略,機械效率概念的建立,1、有用功：無論采取哪種方法都必須做的功。即：為達到目的所必須做的功。,（1）舉高重物時：,W有=G物h,W有=f摩擦S,（2）在粗糙水平面上移動物體時：,2、額外功：并非人們需要但又不得不做的功。,（1）克服機械自重做功：,W額外=G動滑輪h,使用動滑輪或滑輪組時：,（2）克服機械間的摩擦做功：,使用斜面時：,W額外=f摩擦L,3、總功：有用功和額外功的和，叫總功。,W總=W有用+ W額外,公式（1）：,公式（2） ：,W總=F動力S動力,作用在機械上的動力,動力作用點移動的距離,機械效率公式：,以滑輪組豎直向上提升物體為例,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、 “機械效率”的教學策略,（1）實驗中，將杠桿拉至圖中虛線位置，測力計的示數(shù)F為N，鉤碼總重G為1.0N，鉤碼上升高度h為0.1m，測力計移動距離s為0.3m，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：。 （2）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A、B兩點，測量并計算得到下表所示的兩組數(shù)據(jù)：,二、 “機械效率”的教學策略,根據(jù)表中數(shù)據(jù)，能否得出“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”的結(jié)論？答； 請簡要說明兩條理由： ； .,二、 “機械效率”的教學策略,6.進行教學評價的策略 1.正確理解有用功、額外功、總功概念 2.能分析歸納建立機械效率概念 3.會設計并完成實驗,探究影響機械效率因素 主要從以上三個方面對學習效果進行“自評”、“互評”與“教師評” 。 設計簡潔、實用的評價量規(guī),二、 “機械效率”的教學策略,1 今天您學到了什么?,2 填寫學習過程評價,二、 “機械效率”的教學策略,為什么說機械效率是從能的方面描述機械的性能？,三、學生常見問題分析與解決策略,機械的效率是一定的嗎？,功率與機械效率的區(qū)別是什么？ 功率P=W/t 即單位時間內(nèi)所做的功。功率是表示做功快慢的物理量。功率大的機械做功快，單位時間提供（或消耗）的能量多。 機械效率 是有用功占總功的比值。它是表征機械做功時其有用的成分高低。機械提供（或消耗）的總能量中有用的成分越高，機械的性能相對而言就好。 所以，它們是完全不同的兩個物理量。,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。 機械的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，其輸出功率才大。,三、學生常見問題分析與解決策略,效率高的機械就省力嗎？ 用一個彈簧測力計，利用家中“案板”和茶杯做了以下實驗： A. 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G。 B. 用“案板”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，把盛水的杯子勻速拉上斜面。 C. 分別測出拉力F、杯子移動的距離s和升高的高度h。 D. 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,三、學生常見問題分析與解決策略,怎樣提高機械效率？ 滑輪組：如果你是設計者，怎樣提高機械效率？如果你是使用者，怎樣提高機械效率？ 減輕動滑輪重、繩重、減小輪軸間摩擦 增大物重。,三、學生常見問題分析與解決策略,1.減少機械自重. 2.減少機械的摩擦等來減小額外功. 3.在額外功一定時,增大有用功. 一般來說：提高機械效率的辦法是改進結(jié)構(gòu),使它更合理、更輕巧，在使用中按照技術(shù)規(guī)程經(jīng)常保養(yǎng)，定時潤滑