“机械效率”教学研究(王颖).ppt

机械效率教学研究,北京市东城区教育研修学院 物理教研室 王颖,机械效率教学研究,“机械效率”教学策略与实施,“机械效率”教学问题与解决,（二） “机械效率”及相关知识的联系,（三） “机械效率”在生活中的应用,（一） “机械效率”在力学知识中的地位,一、 “机械效率”相关知识与拓展,（一） “机械效率”在力学知识中的地位,机械效率是初中力学的重要内容，学生在学习功的概念以及功的原理的基础上建立了有用功、额外功和总功的概念，并将此用于描述机械性能得出“机械效率”这一重要参量。本节的教学总目标是在学生对各种简单机械已获得具体的感性认识之后，通过科学探究活动和推理分析，从而建立起“机械效率”的概念。并且能应用“机械效率”知识解决相关问题。,机械效率是衡量机械性能的重要指标之一。引导学生思考如何从功出发研究机械的性能。通过对物理情境和实验的探讨，明确有用功、额外功、总功的含义。通过观察和实验测量，让学生理解机械效率的概念。进一步分析机械的做功问题，使学生深入理解“功”是反映力的作用“成效”的物理量。为本章最后机械能守恒定律的学习奠定基础。,（一） “机械效率”在力学知识中的地位,初中物理课程标准对本部分的要求是“探究并知道凸透镜成像的规律。了解凸透镜成像的应用”。根据课程标准要求和全面提高学生素质的需要，本节教学目标可参考以下内容： 1知识与技能 知道有用功、额外功和总功概念。 理解机械效率概念和物理意义。,（一） “机械效率”在力学知识中的地位,2过程与方法 通过参与探究斜面和动滑轮的机械效率的活动，学习拟定简单的科学探究计划和实验方案 通过分析研究动滑轮机械效率实验，培养学生科学思维方法和动手操作的能力。 3情感、态度和价值观 具有对科学的求知欲，乐于探索日常生活中的物理学道理，有将科学技术应用于日常生活、社会实践的意识 在实验中培养合作精神，养成实事求是、尊重实验结果的科学态度,涉及的概念：功、有用功、额外功和总功等； 涉及的规律：斜面、定滑轮、动滑轮、滑轮的力学特征； 两大特点： 综合性、实用性比较强，紧密联系日常生活实际； 学习探究方法， 培养科学探究的能力。,（一） “机械效率”在力学知识中的地位,,Company Logo,（一） “机械效率”在力学知识中的地位,1.有用功和额外功 有用功是人们为了完成工作目的所必须做的功，无论采用何种机械哪种方式都必须做的功，例如要想提水上楼，水所受的重力G乘以提升高度h就是有用功，即W有=Gh，不论提着水沿楼梯走上去，还是用滑轮把水拉上去，都要对水做这么多的功，这个功就是有用功。为了完成这个有用功，人将水提上楼的同时，人还得克服自身所受重力功做，使用机械还需要摩擦力或克服滑轮重做功，这些并非人们需要但又不得不做的功就是额外功.,（二） “机械效率”及相关知识的联系,想一想,用水桶从井中提水的时候，所做的功哪部分是有用功，哪部分是额外功？如果桶掉到井里，从井里捞桶的时候，捞上的桶里带了一些水，这种情况下哪部分是有用功，哪部分是额外功？,有用功和额外功是根据完成某项工作的目的来辩别的。用桶从水井中提水时，对水做的是有用功，而对桶做的是额外功。但是，如果是打捞落入水中的水桶，对桶做的就是有用功，对桶内外残存的水所做的功则是额外功。可见,具体问题,具体分析。,（二） “机械效率”及相关知识的联系,2.总功 人们在达到一定目的过程中，实际做的功等于有用功和额外功的总和，这个功叫总功，W总=W有+W额。 斜面： W总=Gh + 滑轮组： W总= =G物h + G实h,（二） “机械效率”及相关知识的联系,FL=Gh,即：,3.简单机械 斜面的原理： （理想：不计摩擦） 斜面长是斜面高的几倍，推力就是物重的几分之一。,3.简单机械 滑轮组： （理想：不计摩擦） 与动滑轮相联有几段绳子，则绳自由端的拉力为物体与动滑轮总重的几分之一。,（二） “机械效率”及相关知识的联系,4. 效率 社会学-指最有效地使用社会资源以满足人类的愿望和需要。 (1)从时间角度：指的单位时间里实际 完成的工作量。效率高， 就是在单位时间里实际 完成的工作量多，节约 了时间成本。,（二） “机械效率”及相关知识的联系,（2）从技术角度-功率是输出与输入功率之比，若此数越接近 1 ，则显示其效率越好，如某设置的效率在 70%80% 之间，即输入 1000W ，输出700W800W 之间， 设置本身消耗 200W300W 的功率。 （3）从资源角度-效率是指对于有限资源(如原材料、人力、资金等)的最佳分配方法，是所达到结果与使用的资源之间的关系。,（二） “机械效率”及相关知识的联系,（二） “机械效率”及相关知识的联系,（4）从管理学角度-效率是指在特定时间内，组织的各种投入与产出之间的比率关系。效率与投入成反比，与产出成正比。公共部门的效率包括两方面：一是生产效率，它指生产或者提供服务的平均成本；二是配置效率它指所提供的产品或服务是否能够满足人的不同需求。,5.热机效率 热机工作时转变为有用功的热量跟燃料燃烧时放出的热量的比值叫做热机的效率，如果用表示热机的效率， Q1表示燃料提供的热量，Q2表示耗散的热量，W表示所做的机械功，则有=W/ Q1=( Q1-Q2) / Q1=1- Q2/ Q1。 由此可知Q1越大，Q2越小，热机效率越高，它表明了热机中热量的利用程度。,（二） “机械效率”及相关知识的联系,6.电源效率 电源效率是指电源的电能利用率，也就是电源从外部吸收功率与向负载输出功率两者之的比值。高效率的电源可以提高电能的使用效率，在一定程度上降低电源自身功耗和发热量。,（二） “机械效率”及相关知识的联系,热机的效率是热机问世以来科学家、发明家和工程师们一直研究的重要问题。现在的内燃机和喷气机跟最初的蒸汽机相比，效率虽然提高了很多，但从节约能源的要求来看，热机的效率还远远不能满意。现在最好的空气喷气发动机，在比较理想的情况下其效率也只有60。用途最广的内燃机，其效率最多只达到40。大部分能量被浪费掉了。,（三） “机械效率”在生活中的应用,在热机里，燃料燃烧不充分所损失的能量很少，可以忽略不计。能量损失主要有下面几个方面： 一、废气带走的热量 二、机械散热带走的热量 三、机械之间摩擦损失的能量 蒸气机的效率：6%15% 汽油机的效率：25%35%,（三） “机械效率”在生活中的应用,早期蒸汽机1% 蒸汽机6%15%,汽油机 22%27% 柴油机28%37% 起重机：40%50% 空气喷气发动机： 50%60%,初中物理课程标准理念： 生活走向物理，从物理走向社会； 重科学探究，提倡学习方式多样化； 注意学科渗透，关心科技发展；,二、 “机械效率”的教学策略,教学综述：机械效率是一个抽象的概念，要理解机械效率必须先理解有用功、额外功和总功的概念。概念嵌套，逻辑关系比较复杂。解决方法：通过学生观察现象，以及动手实验探究创设物理情境，在观察实验的基础上充分探讨，明确有用功、额外功、总功的意义，通过对数据分析、比较，得出机械效率的定义，并根据测量数据计算各组装置的机械效率。分析简单机械的机械效率与哪些因素有关，研究提高机械效率的方法，从而更加深入的理解机械效率。,二、 “机械效率”的教学策略,教学原则：提高学生的学习能力和动手能力，培养学生的观察能力、分析能力和归纳能力，让学生在学习知识的过程也熟练掌握一些基本的科研态度、科研方法和科研步骤。 教学方法：观察现象， 发现特征； 启发引导、 科学探究； 归纳总结、 形成规律。,二、 “机械效率”的教学策略,1.重点难点分析 重点：建立机械效率及相关概念，理解机械效率的意义，会分析和测定动滑轮和斜面的机械效率。通过引用学生认知中已有的概念如正确率、点击率进行类比，来帮助建立机械效率的概念。 难点：利用分析比较和实验探究方法，将抽象的物理概念具体化。在掌握知识的同时，学习科学思维方法。,二、 “机械效率”的教学策略,教学设计示例一,2.创设物理情境的策略,联系实际：生活中经常需要将物体举高，如工人抬饭箱；将书包背起来的过程，都需要对物体功。,二、 “机械效率”的教学策略,教学设计示例二,2.创设物理情境的策略,起重机将建筑构件吊起。 物体沿斜面坡道上升。 汽车在盘山公路上行驶。,3.实施探究活动的策略（以斜面为例） 组装器材,教学设计示例三,二、 “机械效率”的教学策略,分析：在斜面上拉动物体和沿竖直方向提升物体,二、 “机械效率”的教学策略,h,F,s,G,分析斜面,W有用=Gh,W总=Fs,提出猜想和假设（以斜面为例） 教师引导：斜面的机械效率大小,与什么因素有关？ 1.斜面的机械效率与斜面倾斜程度有什么关系? 猜想：斜面的倾斜程度越大，机械效率越高 2.研究斜面的机械效率与物体斜面之间接触面大小有什么关系？ 猜想：机械效率与物体斜面之间接触面大小无关 3.研究斜面的机械效率与它的粗糙程度有什么关系？ 猜想：表面越光滑，机械效率越高,3.实施探究活动的策略,课堂教学片段一,二、 “机械效率”的教学策略,4.研究斜面的机械效率与物重有什么关系？ 猜想：研究斜面的机械效率与物体的重力无关 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、物体重力有关。 师：能说说的猜想依据吗？ 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。,二、 “机械效率”的教学策略,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。,二、 “机械效率”的教学策略,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。,二、 “机械效率”的教学策略,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。,二、 “机械效率”的教学策略,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，能演示一下吗？ 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。,二、 “机械效率”的教学策略,师：这两种方法都改变了斜面的倾斜程度。但哪一种方法更好？ 生：固定高度，改变斜面的长度更实用。 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。,二、 “机械效率”的教学策略,当一个物理量与几个因素有关，用什么方法来进行探究呢？控制变量法。 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。由于本课题探究的因素较多，课堂教学时间有限，可以让各小组的同学只就其中一个比较感兴趣的问题来进行探究，各小组讨论确定具体探究问题，作出实验设计方案，画出实验的图例和实验记录表格。,二、 “机械效率”的教学策略,实验：测量斜面的机械效率 步骤：1、每一组给1块长方体的木块、一块长木板、一辆小车、一把刻度尺、一只弹簧测力计。木块和木板可以构成一个斜面。 2、设计实验方案。在实验中需要进行哪些操作？要测量哪些量？并设计实验数据记录表。 3、与其他小组进行交流，看看谁的设计方案更好。借助如下的方框完成实验数据记录表。,二、 “机械效率”的教学策略,4、选择设计科学、易于操作的实验方案进行实验，并把实验数据记录在表内 5、由实验测出的数据算出斜面的机械效率 6、你认为斜面的机械效率可能跟哪些因素有关？提出你的猜测 7、设计实验方案，检验你的猜测是否正确。 讨论：1、机械效率总是小于1，为什么？ 2、你认为可以从哪些方面提高机械效率？,二、 “机械效率”的教学策略,结合实例通过多媒体展示四种运沙子上楼的方法,组织学生讨论选择哪种方法最好?为什么?分析有用功，额外功和总功。 设问置疑:,二、 “机械效率”的教学策略,4.引导分析推理的策略（以滑轮组为例）,判断依据：省力和少做额外功。,(绳重和摩擦不计),教学设计示例四,1人对砂子做功,2人对桶做功,3人克服自重做功,1人对砂子做功,2对桶做功,3对动滑轮做功,1人对砂子做功,2对口袋做功,3对动滑轮做功,方法1：人提沙子上楼,方法2：人使用定滑轮,1人对砂子做功,2人对桶做功,方法3：人使用动滑轮和桶,方法4：人使用动滑轮和口袋,不省力,可省力,可更省力,(绳重和摩擦不计),费力,任何机械本身都受到重力作用，相对运动的零件之间又存在摩擦。所以使用任何机械，除了有用功之外都不可避免地要做额外功。,定义：有用功跟总功的比值叫机械效率。,5.建立物理概念的策略,机械效率概念的建立,1、有用功：无论采取哪种方法都必须做的功。即：为达到目的所必须做的功。,（1）举高重物时：,W有=G物h,W有=f摩擦S,（2）在粗糙水平面上移动物体时：,2、额外功：并非人们需要但又不得不做的功。,（1）克服机械自重做功：,W额外=G动滑轮h,使用动滑轮或滑轮组时：,（2）克服机械间的摩擦做功：,使用斜面时：,W额外=f摩擦L,3、总功：有用功和额外功的和，叫总功。,W总=W有用+ W额外,公式（1）：,公式（2） ：,W总=F动力S动力,作用在机械上的动力,动力作用点移动的距离,机械效率公式：,以滑轮组竖直向上提升物体为例,测量杠杆的机械效率 用如图所示的实验装置测量杠杆的机械效率。实验时，竖直向上匀速拉动弹簧测力计，使挂在较长 杠杆下面的钩码 缓缓上升。,二、 “机械效率”的教学策略,（1）实验中，将杠杆拉至图中虚线位置，测力计的示数F为N，钩码总重G为1.0N，钩码上升高度h为0.1m，测力计移动距离s为0.3m，则杠杆的机械效率为%。请写出使用该杠杆做额外功的一个原因：。 （2）为了进一步研究杠杆的机械效率与哪些因素有关，一位同学用该实验装置，先后将钩码挂在A、B两点，测量并计算得到下表所示的两组数据：,二、 “机械效率”的教学策略,根据表中数据，能否得出“杠杆的机械效率与所挂钩码的重有关，钩码越重其效率越高”的结论？答； 请简要说明两条理由： ； .,二、 “机械效率”的教学策略,6.进行教学评价的策略 1.正确理解有用功、额外功、总功概念 2.能分析归纳建立机械效率概念 3.会设计并完成实验,探究影响机械效率因素 主要从以上三个方面对学习效果进行“自评”、“互评”与“教师评” 。 设计简洁、实用的评价量规,二、 “机械效率”的教学策略,1 今天您学到了什么?,2 填写学习过程评价,二、 “机械效率”的教学策略,为什么说机械效率是从能的方面描述机械的性能？,三、学生常见问题分析与解决策略,机械的效率是一定的吗？,功率与机械效率的区别是什么？ 功率P=W/t 即单位时间内所做的功。功率是表示做功快慢的物理量。功率大的机械做功快，单位时间提供（或消耗）的能量多。 机械效率 是有用功占总功的比值。它是表征机械做功时其有用的成分高低。机械提供（或消耗）的总能量中有用的成分越高，机械的性能相对而言就好。 所以，它们是完全不同的两个物理量。,三、学生常见问题分析与解决策略,功率和效率是二个不同的概念。 机械的功率有输入功率和输出功率之分。输入功率是由原动机来提供（如电动机、汽油机等）。因摩擦力等原因其输出功率要小于输入功率，二者的百分比即为机械效率。故只有在输入功率不变的前提下，机械效率高，其输出功率才大。,三、学生常见问题分析与解决策略,效率高的机械就省力吗？ 用一个弹簧测力计，利用家中“案板”和茶杯做了以下实验： A. 把杯子放在塑料袋中，在杯子中加入适量的水，用弹簧测力计测得杯子和水的总重量G。 B. 用“案板”作斜面，把一只水杯通过细绳与弹簧测力计连接，拉动弹簧测力计，把盛水的杯子匀速拉上斜面。 C. 分别测出拉力F、杯子移动的距离s和升高的高度h。 D. 改变斜面的高度，重复上述实验。,比较下图可知，滑轮组省力，但机械效率低于定滑轮,三、学生常见问题分析与解决策略,怎样提高机械效率？ 滑轮组：如果你是设计者，怎样提高机械效率？如果你是使用者，怎样提高机械效率？ 减轻动滑轮重、绳重、减小轮轴间摩擦 增大物重。,三、学生常见问题分析与解决策略,1.减少机械自重. 2.减少机械的摩擦等来减小额外功. 3.在额外功一定时,增大有用功. 一般来说：提高机械效率的办法是改进结构,使它更合理、更轻巧，在使用中按照技术规程经常保养，定时润滑