第十一章_简单机械和功教案

1 第十一章第十一章 简单机械和功简单机械和功 课程标准 1 通过实验探究 学会使用简单机械改变力的大小和方向 2 结合实例认识功的概念 知道做功的过程就是能量转化或转移的过程 3 结合实例理解功率的概念 了解功率在实际中的应用 4 知道机械功的概念 能用生产 生活中的实例解释机械功的含义 5 理解机械效率 6 了解机械使用的历史发展过程 认识机械的使用对社会发展的作用 第一节 杠 杆 一 教材分析 重点 难点剖析 1 认识杠杆 杠杆是最基本的简单机械 细心一点 在各种机械装置中都能找到杠杆的影子 所谓杠杆 就是一根在力的作用下可绕一固定点转动的硬棒 这里 硬是指受力时形状的变化很小 棒也不 一定是直的 它可以是各种形状 如马路边上垃圾桶的盖子 我们倒垃圾时掀开垃圾桶的盖子 它就是一杠杆 杠杆的特征在于转动 因此 辨别杠杆时 关键判断它能否在力的作用下 绕固 定点转动 如果转动 则该装置一定是杠杆 面对实物 面对固定的图形 如何判断它是否绕轴 转动 这就要求我们有丰富的想象力 我们平时骑的自行车 很多部件都是杠杆 你能识别出来 吗 1 支点 杠杆绕着它转动的点 也叫做转轴 2 动力 推动杠杆转动的力 动力可以是人力 也可以是畜力 风力 电力 水力 蒸 汽压力等 3 阻力 阻碍杠杆转动的力 4 动力臂 从支点到动力作用线的垂直距离 5 阻力臂 从支点到阻力作用线的垂直距离 正确辨认杠杆的标准是 把实物抽象成 硬棒 找出一点 支点 二力 动力和阻力 二臂 动力臂和阻力臂 2 怎样画杠杆示意图 画杠杆示意图是研究杠杆的重要方法 是实物杠杆的科学抽象 是物 理学的书面语言 只有正确画出杠杆示意图 才能进一步研究杠杆问 题 如图 11 1 所示 用撬棒撬石头的时候 撬棒就是一根杠杆 如何画出 撬棒的杠杆示意图呢 作图步骤如下 1 画出杠杆 用粗线条把杠杆主要形态画出来 不要画实物外形 2 2 找出支点 设想杠杆转动 在杠杆转动时找出支点 可用 表示 也可用 表示 并标出字母 O 3 标出两力 根据杠杆的转动方向 判断动力 阻力的方向 并用 力的示意图 表示动力 F1 阻力 F2 动力和阻力的作用点均应画在杠杆上 4 作出两臂 用三角板的一条直角边与力的作用线重合 让另外一条边通过支点 从支点向 力的作用线 必要时可正向延长或反向延长 画垂线 力的延长线画虚线 作出动力臂和阻力 臂 并用大括号括出动力臂和阻力臂 分别用字母 l1 l2表示 要求学生认真 工整地画出杠杆示意图 除要标明支点 动力和动力臂 阻力和阻力臂外 还要 按比例画出力和力臂 点要清 线要明 撬棒的示意图如图 11 2 所示 3 杠杆的平衡条件 同学们在实验室用天平测质量时 总是在天平的横梁水平后 才读 出被测物体的质量 人们用扁担挑货物时 肩膀一定要在扁担的适 中位置 货物才会平衡 人走起路来也才方便 类似天平的横梁水平和扁担的水平的现象就是杠杆平衡 物理上 把杠杆保持静止或匀速转动叫做杠杆平衡 杠杆平衡 说明杠杆的 运动状态不发生变化 初中阶段只研究杠杆处于静止状态的平衡 杠杆平衡时必须满足一定的条件 这一条件叫做杠杆的平衡条件 实验研究得到的杠杆的平衡条件是 动力 动力臂 阻力 阻力臂 写成公式为 F1l1 F2l2 杠杆 的平衡条件也可以改成比例的形式 它表示动力臂 L1是阻力臂 L2的几倍 则动力 F1 1 2 2 1 l l F F 就是阻力 F2的几分之一 杠杆转动是力和力臂共同作用的结果 因此 杠杆平衡也是力和力臂共同的平衡 也即是力和力 臂乘积的平衡 4 杠杆的应用 杠杆的分类有不同的标准 例如用是否省力作标准 根据杠杆的平衡条件 F1l1 F2l2 也以把杠杆 的应用分为省力 费力 等力三类 1 省力杠杆 如图 11 3 所示 其动力臂大于阻力臂 平衡时动力小于阻力 即 l1 l2 F1 F2 特点是用较小的动力可以克服较大的阻力 使用时动力作用点移动的距离就要相应增加 即省力 的代价是费距离 撬棒 拔钉榔头 脚刹车的踏板装置 起瓶盖用的起子都属于这类杠杆 2 费力杠杆 如图 11 4 所示 其动力臂小于阻力臂 平衡时动力大于阻力 即 l1F2 3 特点是用较大的动力去克服较小的阻力 但作用时可使动力作用点移动较小的距离 即费力的收 获是距离 节约时间 钓鱼竿 铁锹 缝纫机脚踏板 镊子都属于这类杠杆 3 等臂杠杆 如图 11 5 所示 其动力臂等于阻力臂 平衡时动力等于阻力 即 l1 l2 F1 F2 特点是既不省力也不费力 但使用方便 常用的托盘天平是等臂杠杆 所以用天平测物体质量时 砝码的读数就是物体质量 普通剪刀也近似是等臂杠杆 各类杠杆各有利弊 在选用时应从有利于生产 生活出发 根 据实际需要来选定杠杆的形状和类型 这也是设计和使用更复 杂的机械的基本思想 要注意有的杠杆可以省力 有的杠杆可 以省距离 这下你感受到杠杆的魅力了吧 但是省力又同时省 距离的杠杆是没有的 即熊掌和鱼不可兼得 二 教学目标 1 知识与技能 认识杠杆 会画杠杆示意图 知道杠杆平衡的条件 能根据实际需要正确选择和使用杠杆 2 过程与方法 通过观察 了解杠杆的结构 通过实验 经历 探究杠杆的平衡条件 的过程 通过分类 把握分类的基本原则 3 情感 态度与价值观 通过独立探究 讨论交流 培养科学态度和实事求是的精神 通过了解杠杆的各种用途 进一步认识物理是有用的 从而提高学习物理的兴趣 三 活动帮助 1 课前准备 1 准备筷子 汽水瓶 各种起子 2 准备罐头 螺丝刀 钉有钉子的木块 羊角锤 3 准备杆秤 水果 4 准备支架 杠杆 钩码 弹簧测力计 刻度尺 5 准备各种剪刀 钳子 镊子 钓鱼竿 托盘天平 2 活动目的 1 探究杠杆的共同特征 2 探究动力作用的效果跟哪些因素有关 3 探究杠杆的平衡条件 4 探究杠杆的特点 3 方法点拨 1 认识杠杆 活动一 使用筷子吃饭这是中国人发明的特殊的生活方式 同学们从小就会使用筷子 为什么筷 子能把食物从碗中取出送入口中呢 请你仔细观察 分析筷子的使用 是否会发现在使用过程中 筷子的两端总是以你的中指为轴在转动 当你夹起食物时大拇指是否在向下用力 4 活动二 同学们利用自带的工具分别打开汽水瓶盖和罐头盖 请仔细观察这些工具是如何工作的 如要打开一瓶罐头 是不是要把螺丝刀靠在罐子的边缘作为支撑 并把螺丝刀的顶端戳进盖子的 下端 然后在柄端施加一个向下的压力 这时螺丝刀的顶端在支点的支撑下往上翘起 于是盖子 就被掀起 活动三 用羊角锤去拔木块上的钉子 仔细观察羊角锤是怎样拔出钉子的 并说明羊角锤在拔钉 子的过程中是怎样运动的 通过上述活动 注重分析杠杆的基本条件 都受力的作用 都是 硬棒 不能用铁丝 绳 子代替 都有固定转动轴 在此基础上 认识杠杆的几个概念 支点 O 动力 F2 阻力 F2 动力臂 l1 阻力臂 l2 2 研究动力效果与哪些因素有关 将杠杆装到支架上 在杠杆支点左边两格处挂两个钩码 作为阻力 活动一 在杠杆支点右边一格处 二格处 三格处分别用弹簧测力计竖直向下拉 使杠杆在水平 位置平衡 比较三次拉力的大小 活动二 在杠杆支点右边两格处用弹簧测力计拉 改变拉力方向多次 观察每次杠杆水平平衡时 比较动力大小 活动三 在杠杆支点右边不同位置 用弹簧测力计沿不同方向拉 利用三角板 确保每次拉时 从支点到力的作用线的垂直距离相等 比较动力大小 分析三次活动结果 动力作用的效果与力的大小 方向 作用点有关吗 力的作用点和力的方向 对力的作用效果的影响 可以用支点到力的作用线的垂直距离来替代吗 研究杠杆时 为什么要 引入力臂概念 你现在明白了吗 3 研究杠杆的平衡条件 活动一 观察杆秤称水果的过程 你认为杆秤是杠杆吗 它的固定点在哪里 杆秤是怎样平衡的 猜猜看 杠杆的平衡与哪些因素有关 活动二 将杠杆装到支架上 观察杠杆是否静止在水平位置 若不在水平位置平衡 可调节杠杆两边的 螺母 使杠杆在水平默默平衡 这样做的原因 读取力臂方便 用弹簧测力计测出一只钩码的重力大小 在杠杆支点的左边挂一定数量的钩码 在杠杆支点的右边也挂上钩码 直至杠杆平衡 改变钩码的数量或改变钩码挂在杠杆上的位置 让杠杆重新在水平位置平衡 重复多做几次平 衡实验 得到不同数据 让杠杆械端受到的力作为阻力 杠杆右端受到的力作为动力 每一次实验 都要把数据记录在 下的表格中 实验次数动力 F1 N动力臂 l1 m阻力 F2 N阻力臂 l2 m 1 2 3 5 4 用弹簧测力计继续研究 请同学们仔细观察 分析实验数据 能否发现杠杆平衡时所遵循的规律 你可以把动力 动力臂 作为一组 阻力 阻力臂作为一组 将每组数据分别加一加 减一减 乘一乘 除一除 看看杠 杆平衡时它们之间有什么关系 若在记录数据时 使用两个想象中的单位 一是把 一只钩码重 作为力的单位 二是把杠杆上 一格长 作为力臂单位 表格中的数据将如何变化 本实验中 你是如何控制变量的 为什么还要用弹簧测力计继续研究 若某次数据符合 动力 动力臂 阻力 阻力臂 你能否得出杠杆的平衡条件是 F1 l1 F2 l2 4 探索杠杆的类型 活动一 请一位力气大的男生直接用手把汽水瓶盖打开 能成功吗 再请一位力气小的女生用起 瓶器打开瓶盖 想一想 使用起瓶器有什么好处 活动二 同学们分组交流 如图 11 6 所示 使用图中各种杠杆 分析 比较用力大小 移动距离 多少 这些杠杆有什么特点 当我们想用一个较小力克服一个较大的力时 我们需要选用哪种杠 杆 当我们想通过一个较小距离就可以得到一个较大距离时 我们需要选用哪种杠杆 四 教学过程 1 在演示开瓶扳手开瓶时 可提醒学生有两种开法 并可在授完杠杆平衡条件后 放手让学生 讨论哪种开法更省力 2 在介绍杠杠的应用时 可适当拓宽 可以根据杠杆的平衡条件让学生讨论 动力臂大于阻力臂 省力 如手推车 老虎钳 铁皮剪刀等 动力臂小于阻力臂 费力 如 裁衣剪刀 筷子 扫帚等 关于信息库中内容的处理 1 中国古人对杠杆的应用和研究 这部分内容主要是介绍我国古人应用杠杆的悠久的历史 旨 在介绍中华民族的文明史 培养学生的爱国主义情感 教学中可让学生看书 并作简单介绍 6 2 航天飞机上的机械臂 介绍机械臂的作用 培养学生热爱科学 献身科学的精神 五 作业设计 能正确画出杠杆示意图是本节的基本要求 因此课外练习中要设计各种类型的杠杆让学生练习 第二节 滑 轮 一 教材分析 重点 难点剖析 1 定滑轮的实质 滑轮是一种简单机械 它通常是由一个带凹槽的轮子绕上绳索 缆绳或链条 组成的 在旗杆顶上就有一个滑轮 如图 11 7 所示 这个滑轮是固定在旗 杆顶上的 所以叫定滑轮 定滑轮是一个什么样的简单机械呢 如图 11 8 所示 甲图是一个等臂杠杆的示意图 现在把等臂杠杆进行如下 的等效变换 先把直棒加宽变形成一个圆轮 支点 动力 阻力 动力臂 阻力臂均保持不变 图乙 再把圆轮的边缘挖一个槽 这就变成了一个滑 轮 最后把它固定使用就成了定滑轮 图丙 使用定滑轮时 把重物系在绳 的一端 将绳绕过滑轮的槽 在槽的另一端 用力拽绳子 如图丁所示 无论你横着 斜着或竖直向下拉绳子 通过凹槽 里绳子的作用 都可将你的拉力转变成向上的拉力 从而把重物提起来 从图丙可知 定滑轮是绕轴转动的 轴是定滑轮的支点 动力臂与阻力臂等长 均等于滑轮半径 由杠杆平衡条件 F1l1 F2l2可知 动力等于阻力 由此可见 定滑轮的实质是一个等臂杠杆 使用它既不省力也不省距离 但改变了用力方向 使 工作更方便 定滑轮在实际生活中有着广泛的应用 如船员向下用力 可以升起船帆 向下拉动 窗帘的引线 可以使窗帘闭合或拉开 建筑工人站在地面上从不同角度用力 都可以将不太重的 建筑材料提升到高处 2 动滑轮的实质在生产和生活中 人们发现将滑轮的使用方法改变一下 就可以起到省力的作 用 如图 11 9 所示 甲图是将滑轮连在想移动的物体上 用手拉绳时 滑轮和重物一起上升 这 样使用的滑轮叫动滑轮 甲图中将要移动的物体现在由绕在滑轮上的左 右两段绳子牵拉着 可 见 使用动滑轮可以小一半力 动滑轮的这一特点可以根据杠杆平衡条件证明 7 从图乙可知 动滑轮随时绕悬绳 与滑轮的接触点转动 此点即为动 滑轮的支点 再将动滑轮加工压缩 变形成一根直棒 支点 动力 阻 力 动力臂 阻力臂均保持不变 图丙 这样动滑轮就成了变形 的杠杆 图丁 若拉线都是平行 的时候 动力臂为轮的直径 阻力 的二分之一 即使用动滑轮可省一半力 由此可见 动滑轮的实质是动力臂为阻力臂二倍的杠杆 使用时可省一半力 但要多移动一倍距 离 即把重物提升 1m 你就得拉绳子 2m 且不能改变力的方向 3 滑轮组的特点 定滑轮虽然不省力 但可以改变用力的方向 给人们带来方便 动滑轮不能改变用力方向 但可 以省力 省力情况是人们最为关心的 有没有办法使两者的优势都得以充分地发挥呢 我们可以 把定滑轮和动滑轮连在一起 组成滑轮系统 也就是滑轮组 用滑轮组拉物体会更省力 使用滑轮组可以省多少力呢 使用滑轮组时 由于环绕滑轮组的绳 子不仅很长 而且被动 定 滑轮分为好几段 多圈绕合的几段绳子共同承担吊物重 重物和动滑轮的总重由几段绳子承担 提起重物所用的力就是总重量的几分之一 如图 11 10 所示 也就是 拉动一段绳子 就可以节 省数倍的力量 使人们的起重 运输等工作更加轻松 在分析滑轮组省力情况时 若只要数出有几段绳子吊着动滑轮就能算出省力到几分之一 同学们 在实际使用时 往往不会判断物重由几段绳子承担 可用下列两种方法判断 1 一条绳子串 绕在滑轮组上以后 被定滑轮 动滑轮分成几段 除了手拉的一段需要判断是否承受物重以外 其余各段都承担物重 手拉的一段如果由定滑轮引出 不承担物重 手拉的一段由动滑轮直接引 出 就承担物重 2 在动滑轮与定滑轮之间画一条虚线将它们隔离开 数出绕在动滑轮上的绳 子段数即可 使用滑轮组可以省力 却是费了距离的结果 对滑轮组来说 省力到几分之一 费距离到原来的 几倍 二 教学目标 8 1 知识与技能 认识定滑轮和动滑轮 知道定滑轮 动滑轮 滑轮组的作用 能识别生活和生产中常见的滑轮 会根据要求使用和组装滑轮组 2 过程与方法 通过观察 了解定滑轮和动滑轮的结构 通过探究 了解定滑轮和动滑轮的特点 3 情感 态度与价值观 通过探索性实验 提高观察能力 实验操作能力和比较 分析 概括的能力 培养严肃认真 实 事求是的科学态度 三 活动帮助 1 课前准备 探究小组准备如下器材 杠杆 两只单滑轮 两只双滑轮 弹簧测力计 铁架台 细绳 钩码若 干 2 实验目的 探究为什么要使用滑轮 探究定滑轮和动滑轮的特点 探究滑轮组的特点 3 方法点拨 研究为什么要使用滑轮 活动 用杠杆提升两只钩码 观察 钩码被提升的高度 比较 钩码两次被提升的高度 分析 钩码被提升的高度取决于什么因素 思考 从 重物被提升的高度 来看 使用滑轮有什么优势 综合以上情况 利用杠杆提升物体的高度有限 不超过臂长 滑轮巧妙地运用了杠杆原理 把 杠杆演化为可以连续转动的轮子 从而将重物提升到很高的地方 探究滑轮的特点 活动一 用弹簧测力计直接测出钩码的重力和各种滑轮的重力 将钩码和提升滑轮的总重作为各 个滑轮的阻力 把这个数据记录在数据表中 活动二 按图 11 11 安装一个定滑轮 通过向下拉弹簧测力计来提升钩码 观察弹簧测力计的示 数 把这个数据记录在数据表中 改变拉力的方向 弹簧测力计的示数会变吗 活动三 按 11 12 安装一个动滑轮 通过向上拉弹簧测力计来提升钩码 观察弹簧测力计的示数 9 把这个数据记录在数据表中 活动四 按图 11 13 甲 乙 丙安装滑轮组 观察每次弹簧测力计的示数 分别把这些数据记录 在数据表中 实验数据记录表 滑轮组成动力 F1 N 阻力 F2 N 承担物重的绳子 段数 n F1和 F2 的关系 一个定滑轮 一个动滑轮 一个定滑轮和一个动滑轮组 成的滑轮组 两个定滑轮和一个动滑化组 成的滑轮组 两个定滑轮和两个动滑化组 成的滑轮组 讨论交流 使用定滑轮时 拉力的方向和物体移动的方向有什么关系 弹簧测力计的示数与钩码重有什么 关系 使用动滑轮时 拉力的方向和物体移动的方向有什么关系 弹簧测力计的示数与总重有什么关 系 使用滑轮组时 拉力的大小与总重及承担总重的绳子段数有什么关系 归纳 定滑轮的使用特点 动滑轮的使用特点 滑轮组的使用特点 思考 若要使拉力等于总重的五分之一 应怎样使用滑轮组 并画出滑轮组 按图 11 13 丙的方式组成滑轮组有一个弱点 就是当滑轮数增加时 在空间占据的长度较长 操作时有时不太方便 你能否将图中滑轮的连接方式改变一下 减少它的空间长度 把你的想法 与同学或老师交流一下 也可以到实验室里观察各种各样的滑轮组 10 四 教学过程 在做图 11 7 所示的实验时 可改变拉力 F 的方向 即向各个方向拉绳 比较 F 的大小 关于生活 物理 社会 这里介绍的轮轴和斜面在生产生活中的应用很广 要作介绍 其中轮轴是杠杆类的简单机械 可 根据杠杆的平衡条件作较为详细的介绍 并设计一些相应的简单的习题 而斜面应在学习了功以 后 作详细的介绍 第三节 功 一 教材分析 重点 难点剖析 1 功 的概念是怎样建立的 机械使我们能够做到我们原本做不到的事情 例如 有的机械可以增大我们工作上所用的力 即 省力 有的机械可使我们工作得更快 即省距离 那么 能不能设计出一种更好的简单机械 它既省力 又能省移动距离 这是科学技术史上一个很重要的问题 经过长期的实践和研究 人们发现既省力又省距离的机械是没有的 下面就讨论这一问题 现在要把重力为 G 的物体提升一个高度 h 如果我们直接用手把它匀速提升 手用力为 G 手移 动的距离为 h 则力和距离的乘积为 Gh 如果我们用轻质动滑轮匀速提升重物 由于动滑轮能省一半力 手用的力变为 而绳子是对G 2 1 折使用的 手移动的距离为 2h 则力和距离的乘积为 GhhG 2 2 1 如果我们用阻力臂为动力臂 2 倍的杠杆来匀速提升重物 则手移动的距离是物体升高高度的二分 之一 即 根据杠杆平衡条件 手用力是物重的 2 倍 即 F 2G 则力和距离的乘积为hs 2 1 GhhG 2 1 2 综合以上情况 无论是用省力的机械 还是用省距离的机械 由于两种情况的力和距离的乘积不 变 因此 省力的机械必定费距离 省距离的机械必定费力 既省力又省距离的机械是没有的 由此可见 力与物体在力的方向上通过的距离的乘积 是一个物理意义的量 为了反映这一特性 物理学中引入了功的概念 把力与物体在力的方向上通过的距离的乘积叫做机械功 简称功 2 如何理解做功 物理学中的做功描述的是力的作用效果 即物体在力的作用下通过一段距离 力有了这种效果 就说力对物体做了功 例如起重机吊起重物 机车牵引列车前进 在这些现象中 起重机的拉力 对重物做功 机车牵引力对列车做功 由此可见 把物体受力发生移动的过程叫做做功过程 功包括两个必要条件 一是物体要受力的 作用 二是物体要在力的方向上通过一定的距离 这两个条件 缺一不可 如果你推一辆陷在泥中的汽车 尽管你已使出了全身的力气 车子还是纹丝不动 几分钟后 你 11 已筋疲力尽 而车子还是陷在泥中 在这一过程中 虽然你用力推车 但车子没有移动距离 所 以你没有对汽车做功 要对一个物体做功 该物体必须在所施加的力的方向上移动距离 当你从家门口把一箱苹果搬到房间里时 也许你认为做了功 但事实上并非如此 要对一个物体 做功 施加的力必须与物体运动的方向一致 当你搬运苹果时 你施加一个向上的力来抬起箱子 这样箱子才不会掉到地面 但箱子运动的方向是水平向前的 当你搬运这箱苹果时 由于施加的 力是竖直的 在竖直方向上这箱苹果的高度 速度都没有变化 所以你在搬运这箱苹果时没有做 功 3 功的计算和单位 功的决定因素 提醒学生讨论 体会得出结论 常识会告诉我们 把不同物体从地面抬到同一高度 抬较重的物 体需要花费更大的力 因而需要做更多的功 把同一物体抬到不同高度 移动距离远的比移动近 的需要做更多的功 功的计算公式 物理学中 把力与物体在力的方向上通过的距离的乘积叫做功 也就是功 力 力的方向上通过 的距离 用公式表示就是 W Fs 式中的 W 表示功 F 表示力 s 表示物体在力的方向上通过的 距离 提醒同学们注意 不能仅从字面上记住功的计算公式 必须跟进一步的文字语言说明和实 际做功图景结合在一起 才能真正理解公式 具体到功的计算公式 要注意 F 与 s 之间的关系 同体 同时 同向 即 F 和 s 必须对应同一个物体 对应同一段时间 对应同一个方向 而 不是随意的一个力和一个距离相乘都是功 例如 给甲物体一个作用力 甲乙物体向某个方向移 动了一段距离 两者不相干 算它们的乘积没有意义 功的国际单位 根据功的计算公式 W Fs 功的单位是力的单位和距离的单位的组合 在国际单位单位制中 力 的单位是牛 N 距离的单位是米 m 功的单位就是这两个单位相乘 也就是牛 米 N m 为了纪念英国物理学家焦耳做出的巨大成就 用他的名字命名为功的单位 简称焦 J 1J 1N m 1 焦的物理意义是 物体在 1N 的力的作用下 沿力的方向通过 1m 的距离 则此力做功是 1J 同学们在前面已经了解 1N 的作用力大约是托着两只鸡蛋的力 那么 1J 的功就 大约是手托着两只鸡蛋向上移动 1m 所做的功 功的计算原则 应用公式 W Fs 解题时要遵循以下原则 首先对物体进行受力分析 画出物体的受力示意图 当有几个力同时作用在一个物体上时 要根据题意的要求确定哪几个力做功和对谁做功 根据做功的两个必要因素 找出做功的力和物体在力的方向上通过的距离 功是只有大小 没有方向的物理量 做功多少跟物体的运动形式无关 不论物体是做匀速运动还是变速运动 不管物体是在光滑平 面上还是粗糙平面上 做功的多少只能由 W Fs 决定 二 教学目标 1 知识与技能 12 知道机械功的概念 明确做功有两个必要条件 会用功的公式进行简单计算 2 过程与方法 通过生活 生产中的实例解释功的物理意义 认识做功是一个过程 3 情感 态度与价值观 学习从物理现象中归纳简单的规律 树立将科学技术应用于日常生活 社会实践的意义 三 活动帮助 1 课前准备 探究小组准备以下器材 滑轮 杠杆 玻璃板 重物 砝码 小车 弹簧测力计 刻度尺 三合 板 白纸 铁架台 细绳等 2 实验目的 探究有没有既省力又省距离的机械 3 方法点拨 活动一 在三合板上贴一张白纸 在纸面上每隔 10cm 画一条横线 画蓐平行线 用弹簧测力计测出重物 砝码 小车受到的重力 在铁架台上装上动滑轮 通过弹簧测力计匀速向上拉动绕过滑轮的细绳 以三合板为背景 当重 物提升一格时 记下细绳头抬高的距离 几格 并测出抬高细绳头的拉力 活动二 在铁架台上装上杠杆 支点在离杠杆一端三分之一处 长端挂上重物 弹簧测力计在短 端用力向下拉 以三合板为背景 当重物提升二格时 记下测力计的拉钩移动的距离 几格 并测出向下的拉力 要在测力计的测量范围内 活动三 玻璃板由铁架台支成一个斜面 用弹簧测力计将小车从斜面底端平行斜面匀速拉到上端 测出拉力 用刻度尺测出底端到上端的距离以及上端的高度 本活动共做三次 每次在小车上放 不同数量的砝码 实验时应注意 1 杠杆 滑轮要尽量轻一些 2 摩擦要尽量小一些 3 重物质量要适 当大一些 归纳上述活动 比较以下两个乘积 动力 F 和动力作用点移动的距离 s 的乘积 Fs 阻力 G 和阻力作用点移动的距离 h 的乘积 Gh 在测量误差范围内 这两个乘积 Fs 和 Gh 存在什么关系 由此关系你能得出什么结论 四 教学过程 在讲授 做功了吗 这段内容时 建议让学生看图 讨论 指出哪种情况下做功了 哪种情况 没有做功 并进一步放后让学生讨论 举出日常生活人的活动中做功和不做功的例子各一个 并 作简单的分析 以强化学生对 做工和做功 有本质区别的印象 第四节 功 率 一 教材分析 重点 难点剖析 1 为什么要引入功率概念 13 人类创造了无数种机械 然而这些机械的做功本领彼此差别很大 例如 建筑工地上要把几百块 砖送到楼顶 如果用起重机 几分钟就行了 显然 运送相同数量的砖到相同的高度 起重机和 定滑轮做的功相同 用定滑轮做这些功用几小时 起重机用几分钟 那它们做功有什么不同呢 机械做功不但有做功多少问题 还有做功快慢问题 如图 11 14 所示 如果挖土机半小时挖土 10 吨 一个工人 4 小时挖土 1 吨 假设把土提高的高度相同 那么 挖土机和工人做的功不同 所用时间也不同 怎样比较他们做功的快慢呢 我们可以回顾如何比较两个人运动的快慢 一般用两种方法 一种是相同路程比时间 一般赛跑 都是用这种方法 裁判员的方法 还可用另一种方法 是相同时间比路程 观众的方法 物理学上采取后种方 法 引入了速度的知识迁移到比较做功快慢上来 引入 功率概念来表示做功的快慢 单位时间 譬如 1 秒钟 内做的功叫功率 凡是功率大的物体 每秒钟做功多 就说明它做功快 例如我们爬楼梯 无论是走上去还是 跑上去 所做的功是一样的 但经验告诉我们 跑上去 要比慢慢走上去累得多 这就是因为跑上去时做功的功率比走上去时的功率大的缘故 同样 两 部等质量的汽车向山上开 功率大的车会先到达山顶 2 功率的计算 物理学中 做功的快慢用功率来表示 单位时间内完成的功叫功率 即功率 如果用 W 时间 功 表示功 t 表示时间 P 表示功率 则功率的定义公式为 在国际单位制中 功的单位是 t W P 焦 时间的单位是秒 功率的单位就焦 秒 专门称之为瓦特 简称瓦 这是为了纪念英国发明家 瓦特改进蒸汽机所做的巨大贡献 1 秒时间内完成 1 焦的功 功率就是 1 瓦 换句话说 1 瓦 1 焦 秒 比方说 你在 1 秒内把一杯水送到嘴里 你做功的功率大约是 1 瓦 工程技术上 还有千瓦 兆瓦等功率单位 1 千瓦 103瓦 1 兆瓦 106瓦 功率大小是描述机器性能的一个重要指标 选购机器时 功率是一个首要因素 只有合适的功率 才能在实际生活中发挥机器应该体现的功能 功率也可以用另一种形式表示 我们可通过以下例子来分析 一辆汽车做匀速直线运动 牵引力 F 速率 v 和功率 P 之间有什么关系 由于汽车做匀速直线运动 因此速度是单位时间内所通过 的路程 将速度乘以力 就表示单位时间内做的功 这正是功率 所以 F v P 之间满足 P Fv 显然 P Fv 是从公式 P W Fs v 推导出来 以后解题时可作为公式直接应用 t W t s 从 P Fv 来看 若功率保持一定 那么加大速度必定要相应减少力 否则就不能保持它们的乘积 即功率不变 平时我们说机器的功率多大 是指机器正常工作时的功率 在解一些有关运动的物 体 包括机器 的功率时 应用 P Fv 比较简捷 例如 拖拉机深耕土壤时 为了获得较大的牵 引力就必须降低速度 又如汽车以高速度行驶时 它的牵引力较小 适用于阻力较小的情况 当 汽车上坡或负载加重时 它需要克服较大的阻力 就应换用低速度行驶 以获得较大的牵引力 14 汽车 拖拉机上装置的变速箱就是出于这个道理 想一想 车床在切削硬的工件时 是让车床打 快转还是打慢转 3 如何比较功率的大小 一般采用下列三种方法比较 1 在相同的时间内 比较做功的多少 做功越多的物体 功率越大 2 在做功相同的条件下 比较做功的时间的长短 所用的时间越短 功率越大 3 在做功时间和做功多少都不相同的条件下 应用 P 计算后进行比较 t W 二 教学目标 1 知识与技能 知道功率的定义 单位 并对人和一些事物的功率数值有具体的概念 会计算简单的功率问题 2 过程与方法 从身边生产和生活实际中 认识做功不但有多少之分 而且有快慢之别 学会把速度的知识迁移 到比较做功快慢上来 理解功率的定义及其公式 3 情感 态度与价值观 通过实验探究 培养发散思维能力 实事求是的科学态度 体会研究物理问题的方法 三 活动帮助 1 课前准备 探究小组准备磅秤 秒表 刻度尺等 2 活动目的 1 估测人登楼的平均功率 2 探究人体的输出功率 3 方法点拨 估测人登楼的平均功率 活动 请一个同学从一楼登到四楼 第一次是慢慢走上去 第二次是很快跑上去 测一测 在上述活动中 测出这个同学的质量 m 量出楼的高度 一楼到四楼 h 记下这个同 学两次登楼所用的时间 t1和 t2 并把有关数据填在下表中 同学质量 m kg 楼的高度 h m 走上楼的 时间 t1 s 跑上楼的 时间 t2 s 走上楼的 功率 P1 W 跑上楼的功 率 P2 W 算一算 根据算出登楼时的平均功率 t mgh t Gh t W P 议一议 这个同学两次登楼所做的功是否相同 在前后两次登楼过程中 做功快慢是否相同 说一说 请做上楼实验的同学说说两次登楼有什么不同感受 想一想 利用算出的登楼的平均功率比实际值是偏大还偏小 t mgh P 探究人体的输出功率 15 提出问题 如何测出在正常情况下身体的输出功率 设计方案 到木工房准备一块木板 在平地适当距离的两端各平放一堆 4 块 砖头 然后在砖块上放木板 木板的两端与砖头齐 平 请你的同学抓稳木板 使木板保持平衡 测出你的质量 m 测出地面到木板顶端的高度 h 两脚同时离地跳上木板 再从木板上跳下来 一上一下算一个来回 请同学记下均匀的速度跳 20 个来回所花的时间 求出你跳 20 个来回的功率 再请身材较高 体重较重的同学来做上述实验 再请身材较小 体重较轻的同学来做上述实验 将数据记录在下表中 同学 重力 G N 木板高 h m 跳 20 个来回的 时间 t1 s 跳 20 个来回 所做的功 W J 功率 P W 同学 1 同学 2 同学 3 得出结论 算出上述实验中各个同学的功率 从而得出人体向上跳时的输出功率与人体的重力 人体向上跳的速度的关系 四 作业设计 三 W 中的第 3 题 是实践性作业 建议指导学生对日常生活中的家电进行认真观察后对各种 类型功率大小有大致了解 为今后进一步学好电学打好基础 第五节 机 械 效 率 一 教材分析 重点 难点剖析 1 有关机械的三种功 1 有用功 所谓有用功 就是对人们有用的那部分功 那么什么是对人们有用的功 对此并 不是所有同学都能搞清楚的 一般说有用功是使用机械过程中为了达到人们的目的 所需要做的 功 如 我们用动滑轮将货物从一楼提到二楼 把货物提上去是目的 提货物上楼的过程中 货 物重乘以楼高所做的功 W Gh 就是有用功 再如图 11 36 所示利用滑轮组将一辆汽车水平向左 移动了一段距离 s 要拉动汽车 必须克服地面与汽车间的摩擦力 f 为了实现移动汽车的目的 克服这一摩擦力做的功 W fs 就是有用的 所以判断有用功 首先要看人们使用机械来达到什么 目的 2 额外功 所谓额外功 就是人们使用机械时 为了达到目的不得不额外做的那部分功 如 上面所举例子 将货物从一楼提到二楼 把货物提上去 就得 16 将动滑轮也提上去 人对动滑轮所做的功尽管不是我们的目的 但不得不做 因此动滑轮重乘以 楼高所做功 W G动h 是额外的 使用动滑轮时不可避免地要克服滑轮内部之间的摩擦做功 克服机械的自重及摩擦 因使用机械而产生 等因素做的功都是额外功 再如图 11 15 所示的装 置中 使用滑轮组将汽车水平拉动 为了拉动汽车 我们势必也得将动滑轮水平拉动 则拉动动 滑轮时克服滑轮摩擦所做的功就是额外功 3 总功 总功是在使用机械时才会出现的概念 也就是人们为达到某种目的而实际做的功 如图 11 36 所示 我们使用滑轮组移动汽车 就要在绳端用力拉 我们用的拉力与绳端所移动的 距离的乘积 就是我们对滑轮组做的功 这个功我们总功包括有用功和额外功 也说是有用功 额外功都来自于总功 即 W总 W有 W额 2 机械效率 机械做功性能的重要指标 在使用机械时 我们需要一定量的有用功 由于不可避免地存在摩擦和机械自重等原因 额外功 是不可避免的 额外功是我们不需要的 为做有用功而白白浪费人力和物力 应尽量减少它 使 用不同的机械完成相同的有用功 做额外功越少的机械越好 或者说 有用功与总功越接近越好 为了表示总功中有多少功被有效利用 物理上引入了机械效率的概念 机械效率的定义是 有用 功与总功的比值 用公式表示为 在实际情况中 必然要做额外功 即 W 额 100 额 有 W W 0 所以 总小于 100 理解这一点 关键是把握额外功不可避免 例如 怎么把 1 吨水送到高处的水槽 简单方法是人用水桶一桶一桶提上去 水送上去了 但每 次都要把桶也提上去 我们不可能直接捧着水上去 克服水桶所受重力做的功就是额外功 虽 然这是不可避免的 但是可以设法减小的 如果用比较重的铁桶提水 做的额外功就多 若用比 较轻的塑料桶提水 做的额外功就少 同样可以达到提水的目的 还有 提水时人也要上到高处 克服人所受重力做的功 也是额外功 因为人上到高处不是目的 只是为了将水提上去 换个方 法 人可以不一趟一趟地上下跑 比如在高处安装一个定滑轮 两个人相互配合 一个人在下面 往桶里装水 另一个人在高处接住水桶重力做额外功 但还要克服因水跟水管之间的摩擦和水泵 内部的摩擦做额外功 总之 我们通过改进做功方式和改进做功的性能 可以减小额外功 人们常通过减小摩擦 减轻 自重 简化结构 选用优良材料等办法来提高机械效率 但额外功不可能减小到零 所以 任何 机械的机械效率都小于 1 或者说小于 100 二 教学目标 1 知识与技能 理解什么是有用功 额外功和总功 理解什么是机械效率 并会用有关公式进行简单的计算 2 过程与方法 通过探究动滑轮的活动 明确使用机械要做额外功 通过实例讨论 认识提高机械效率的主要方法 3 情感 态度与价值观 17 机械效率反映的是机械做功的性能 即使用机械的效益高低 能量利用率的高低 通过探究活动 对节约能源的认识有新的拓展 明确提高机械效率是现代化生产设备研究所追求的目标之一 三 活动帮助 1 课前准备 探究小组准备好以下器材 单滑轮两个 双滑轮两个 弹簧测力计 刻度尺 钩码若 干 铁架台 细绳等 2 活动目的 2 测定动滑轮的机械效率 并比较动滑轮在不同情况下的机械效率 3 测定滑轮组的机械效率 探究机械效率变化的规律 交流提高机械效率的办法 3 方法点拨 1