探究斜面的机械效率的实验研究.doc

探究“斜面的机械效率”的实验研究探究“斜面的机械效率”的实验研究工作单位：广州市第二十一中学 物理科 杨斌 （）地址：广州市环市东路天胜村16号之一；邮政编码：510095 电话：（020）835006502056【摘要】探究斜面的机械效率是课程标准对初中物理实验探究能力的具体要求，体现了科学探究的精神。但这个实验教学中，往往存在一些误区，教材中也存在一些不明确的指导，这对实验探究的教学带来不利的因素。本文从实验分析的角度和受力分析理论计算的角度，对斜面的机械效率进行分析，提高实验教学的有效性和针对性，挖掘科学探究的本质。【关键词】 斜面 机械效率【正文】一、问题的提出在义务教育物理课程标准2011版（简称课程标准）中的二级主题“机械能”下有四个三级主题，其中3.2.3要求：“知道机械效率，了解提高机械效率的途径和意义” ，定位在于“了解”水平，也就是要通过使用机械做功的案例分析，了解有用功和额外功，知道机械效率的物理意义、定义式；了解实际的机械效率不可能是100。并通过测得某种简单机械的机械效率，在实验中了解提高机械效率的方法，通过学生经历测得某种简单机械的机械效率，知道提高机械效率的实际意义和途径，并能合理改进机械提高效率；培养科学探究的精神和能力。在义务教育课程标准物理实验教材（九年级）（简称物理教材）中关于“探究斜面的机械效率”的实验研究：光滑程度一样的斜面，当它的倾斜程度不同时，斜面的效率是否相同。学生在实验探究中，就产生这样的问题，：斜面的机械效率除了与斜面的光滑程度（粗糙程度）、倾斜程度有关以外，是否与物体的重量有关？斜面的省力情况与机械的效率是否有关？教材中的图示是用斜面把“木块”拉上去，而供参考的数据记录表格中却是“小车重量”，那么物体在斜面上滚动时机械效率与滑动时的机械效率是否相同？等等。对于这些问题的分析和研究，有助于搞清影响斜面的机械效率的因素到底有哪些，如何避免实验探究的误区。二、对“探究斜面的机械效率”的实验方法和分析研究 （如图） 探究的因素设定为：斜面的粗糙程度、斜面的倾斜程度和物体的重量。 探究的对象是一块重量为G的木块，用弹簧测力计测得其重量为4.0N。使用斜面的做功的目的是：把木块抬高到高度为h的位置，但不是竖直提升，而是沿着长为s的斜面把木块拉上去，这样做是为了省力，但木块在斜面运动时存在摩擦力，物体克服摩擦力要做额外功，因此省力但不省功。沿斜面拉物体运动时，如何计算斜面的机械效率？克服物体重力所做的功是有用功，拉力所做的功是总功。计算斜面的机械效率为：取一条长木板放在水平桌面上，为了解长木板表面的粗糙程度，首先用弹簧测力计沿水平方向匀速拉动木块运动，记录拉力大小为1.40N。在长木板一端用小木块垫高，构建成一个斜面，记录斜面的高度h、斜面的长度s。用弹簧测力计把这个重量为G的木块，从斜面底端沿斜面方向匀速拉到斜面顶端，测量沿斜面方向的拉力F。为提高测量的准确性，选择精确度高的弹簧测力计，实验中使用量程为5N、分度值为0.1N的弹簧测力计。实验采取控制变量法：1，在控制斜面的粗糙程度和物体重力一定时，移动垫着长木板的小木块的位置，使之向右移动，改变斜面的倾斜程度（较缓、较陡、最陡），探究斜面机械效率与斜面倾斜程度的关系。（附表格一）实验次数斜面坡度斜面材料木块重量/N斜面高度/m有用功/J拉力/N斜面长度/m总功/J机械效率1较缓木板4.00.200.802.201.002.2036.36%2较陡木板4.00.200.802.400.801.9241.67%3最陡木板4.00.200.803.500.401.4057.14%2，在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（在毛巾、木板、玻璃斜面上），探究斜面机械效率与斜面粗糙程度的关系。（附表格二）实验次数斜面坡度斜面材料木块重量/N斜面高度/m有用功/J拉力/N斜面长度/m总功/J机械效率1较陡毛巾4.00.200.802.800.802.2435.70%2较陡木板4.00.200.802.400.801.9241.67%3较陡玻璃4.00.200.801.400.801.1271.40%3，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（用较轻、较重、最重的物体），探究斜面机械效率与物体重力的关系。（附表格三）实验次数斜面坡度斜面材料木块重量/N斜面高度/m有用功/J拉力/N斜面长度/m总功/J机械效率1较陡木板4.00.200.803.500.401.4057.14%2较陡木板03.800.401.5257.69%3较陡木板5.00.201.004.300.401.7258.14%分析实验数据：比较表一中数据会发现：斜面的倾斜程度越倾斜，越费力，机械效率越高。比较表二中数据会发现：斜面的光滑程度越光滑，越省力，克服摩擦所做的额外功较少，机械效率越高。比较表三中数据会发现：物体越重，越费力，但在误差范围内，三次的机械效率近似相等，所以认为斜面的机械效率与物体重量的无关。综合分析总结：影响斜面的机械效率的因素是：斜面的粗糙程度和倾斜程度，而与物体重量无关。通过提高斜面的倾斜程度，减小斜面的粗糙程度，可以提高斜面的机械效率；但改变斜面上物体的重量，却不能提高斜面的机械效率。使用斜面的省力情况与机械的效率间也没有必然关系。同样，小车在斜面上滚动时的机械效率与滑动时的机械效率是不同。滚动摩擦比滑动摩擦较小，克服摩擦所做的额外功较小，故机械效率应较高。三、对斜面上的物体的受力分析及理论计算 FGFNFf 为什么斜面的机械效率与物体重量无关呢？ 如图， 当物体在拉力F作用下沿斜面匀速向上运动时， 受重力G、沿斜面拉力F、滑动摩擦力Ff、支持力FN； 根据力的合成与分解，重力G可以分解两个分力： 平行于斜面的分力F1：； 垂直于斜面的分力F2： ；当物体沿斜面运动运动时，根据牛顿运动定律，有： ； ； 其中滑动摩擦力为： ；则有拉力为： ； 因此斜面的机械效率为： ；通过分析计算，可以得出：在匀速拉着木块沿斜面运动时，斜面的机械效率大小取决于两个因素：斜面的粗糙程度（动摩擦系数）和斜面的倾斜程度（倾斜角），而与木块的重量G无关。这就是为什么教材这样选定探究的课题。 教师应积极引导学生的探究，如木块重量的选取，倾斜角度不宜太大。本实验中木板的粗糙程度、也就是动摩擦系数约是；倾斜角度控制在10度30度间，计算效率则在33%62%间，说明实验的测量结果还是有较大的偏差，如何提高测量的准确性减小误差仍是一个重要的课题。四、对实验探究教学的启示1，探究问题的选取，体现从生活走向物理，从物理走向生活，实验探究的目的要明确。斜面是学生在生活中非常熟悉的工具，但其中包含丰富的物理知识，如斜面上物体受力的分析，机械效率的高低等却不容易直观感受到，这就要根据初中学生的物理知识基础、认知水平来分析探究。2，探究过程的设计，学生是探究的主体，要让学生充分参与探究的各个环节，体验探究过程的各个环节。而教师应明确探究过程中要控制的因素，要排除的因素，避免错误的引导。学生在探究斜面的机械效率时，很容易与滑轮组的机械效率对比起来，滑轮组的机械效率与被提升物体中重量有关，在滑轮组结构一定时，被提升的物体越重，所做的有用功占总功的比例会越多，效率越大，因此学生会先入为主认为：斜面的机械效率也与物体重量有关。这就要通过实验探究，用理性的分析改变这种主观的认识。3，探究结论的得出，能使学生总结了探究的成果，并反过来解释生活中的现象、应用例子。探究没有结论就失去了探究的意义，探究的结论应是科学的、规律性的结论。通过探究斜面的机械效率，同样可以分析生活中如：传送带的应用；搬运货物的斜板；在交通设施中为轮椅提供上下出行的斜坡等，培养用所学的知识分析解决实际问题的能力。【结束语】 本文通过实验、受力分析计算深入、全面分析了斜面的机械效率与斜面的粗糙程度、倾斜程度和物体重量的关系，对探究实验中各个因素做了充分的讨论。通过实验探究，培养学生的实验能力、分析问题和解决问题的能力。【参考文献】1王力邦主编：中学物理教学论，广西民族出版社1999年7月版。2(美国)RM加涅著，皮连生等译：学习的条件和教学论，