高中物理二年级《基于核心素养的滑轮组效能优化与工程思维培养实验探究》教学设计

高中物理二年级《基于核心素养的滑轮组效能优化与工程思维培养实验探究》教学设计

一、教学内容与学情分析

（一）【基础·核心概念】本课题位于高中物理必修二“机械能守恒定律”章节之后，是功能关系在简单机械中的具体应用与深化。其核心概念为“机械效率”，定义为有用功与总功的比值，公式η=W有/W总×100%。在滑轮组系统中，有用功W有=G物h（提升重物克服重力所做的功），总功W总=Fs（动力对机械所做的功），额外功W额则主要来源于克服动滑轮自重、绳重以及各种摩擦阻力所做的功。本设计的创新之处在于将传统验证性实验升华为“功能优化设计”的探究性项目，引导学生不仅“测”效率，更要“思”影响、“优”设计。

（二）【重要·学情定位】授课对象为高中二年级学生。学生已掌握力的平衡、功的计算、简单滑轮组的特点，具备初步的实验操作能力。然而，【难点】在于：学生往往将机械效率视为静态的、待测的数值，而未能建立“效率是系统设计与工况共同作用的结果”这一动态工程观；对于额外功的来源缺乏定量分析的意识；在实验设计中，对“控制变量法”的应用往往流于形式，难以精准识别和控制隐藏变量（如摩擦力的不稳定性、绳重、滑轮轮轴的润滑程度等）。

（三）【非常重要·设计理念】本设计严格遵循《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》中关于“核心素养”的要求。以“物理观念”为基础（功和能的观念），以“科学思维”为核心（模型建构、科学推理、论证），以“科学探究”为载体（问题、证据、解释、交流），以“科学态度与责任”为归宿（严谨细致、合作交流、精益求精的工匠精神）。通过创设真实的“起重设备效能优化”工程情境，将学习任务由浅入深地设置为递进式的探究关卡，使学生在解决真实问题的过程中，实现知识的迁移与素养的达成。

二、教学目标设计

（一）物理观念建构：学生能准确阐述机械效率的物理意义，能从能量转化的角度解释滑轮组工作中额外功的产生机制，树立能量利用效率的观念。

（二）科学思维发展：能够基于理论推导（理想机械）与实验数据（实际机械），分析影响滑轮组机械效率的多种因素（物重、动滑轮重、绳重、摩擦、缠绕方式），并运用控制变量法设计实验方案。【高频考点】

（三）科学探究能力：能够规范操作滑轮组实验，准确测量力与距离；能对实验数据进行误差分析，提出改进实验的具体措施；能根据探究结论，针对特定任务（如提升特定重物）设计出最优化的滑轮组绕制方案。【热点】

（四）科学态度与责任：在小组合作中培养严谨求真的科学态度和团队协作精神；通过效能优化的探索，体会物理学与技术、工程、社会的紧密联系，初步形成精益求精的工程师思维。

三、教学重难点与创新点

（一）【重点】通过实验探究，定性乃至定量地分析影响滑轮组机械效率的主要因素，特别是G物与G动的关系对效率的决定性影响。

（二）【难点】设计并实施严谨的控制变量实验，精确测量并分离出摩擦力、绳重等非线性因素对总功的贡献。

（三）【创新点】引入“逆向设计”思维。不是先给公式再验证，而是给定提升目标（例如：用最省力方式、用效率最高方式提升一个200g的钩码），让学生像工程师一样去设计、测试、优化方案。同时，【进阶设计】引入数字化实验设备（力传感器、位移传感器），实时采集数据并拟合图像，直观呈现F-s、v-t关系，使“看不见”的额外功及其变化过程变得可视、可分析。

四、教学准备

（一）器材准备：【基础】铁架台、细线（不同材质可选：棉线、尼龙线）、钩码（若干）、弹簧测力计（精度0.1N）、刻度尺、单个定滑轮、单个动滑轮、由两个定滑轮和两个动滑轮组成的滑轮组。

（二）【进阶·数字化】计算机、数据采集器、力传感器、位移传感器、朗威或同类物理数字化实验系统。

（三）资源准备：导学案（含实验记录表格、问题链）、多媒体课件（包含起重机、电梯等实际应用图片及视频）。

五、教学实施过程（核心环节）

（一）【创设情境，引出项目】（预计5分钟）

教师播放一段“大国工匠”节目中调试大型起重设备的视频片段，聚焦工程师在监控屏幕上分析负载、功率、效率等数据的情景。随后提出问题：“同学们，如果你是一位起重设备工程师，你的老板要求你将一个200吨的重物吊到高空，现有甲、乙两种不同规格的滑轮组，甲轻便但可能不够坚固，乙坚固但自身很重。你会选择哪一套？为什么？你决定选择的依据仅仅是能否拉动，还是需要考虑更多？比如耗电量、提升速度？”从而引出本课的核心驱动问题：我们不仅要让机械“动起来”，更要让它“高效地动起来”。今天，我们就要化身为工程师团队，以滑轮组为原型，探究如何优化其功能，即提升机械效率。

（二）【理论奠基，厘清要素】（预计8分钟）【基础·重要】

1.回顾旧知：引导学生回顾有用功、额外功、总功的定义。教师强调：我们的目的是提升钩码，所以克服钩码重力做的功G物h是有用功。动力F做的功Fs是总功。

2.小组讨论：请学生以小组为单位，讨论并列举出在使用滑轮组提升重物时，额外功的来源有哪些？教师引导学生从机械结构本身和运动过程两个维度思考。学生经过讨论后，教师归纳总结出三大类来源：【重要】①必须做的额外功：克服动滑轮自身重力所做的功（若计绳重，则克服绳重）；②尽量避免的额外功：克服滑轮轮轴间的摩擦所做的功；③动态变化的额外功：克服绳子与滑轮槽之间的摩擦所做的功（与绕绳方式、绳子材质、润滑情况有关）。

3.理论模型初建：引导学生思考，对于一个由n段绳子承担总重的滑轮组，在忽略绳重和摩擦的理想情况下，拉力F理=(G物+G动)/n，此时机械效率为100%。但在实际中，摩擦f存在，所以F实>F理。由此引出本课探究的切入点：G动和f是如何具体影响机械效率的？效率与物重G物之间又存在怎样的关系？

（三）【任务驱动，分层探究】（预计25分钟，此为整堂课的核心，将用较长篇幅详尽阐述）

本环节设计为三个层层递进的探究任务，由学生分组合作完成。每组6人，设组长、操作员、数据记录员、分析员等角色。

1.探究任务一：探究滑轮组效率与动滑轮自重的关系（G物恒定，改变G动）【重要·基础】

1.2.设计思路：控制被提升的钩码重G物不变（例如保持4个钩码，共200g），通过增加或减少动滑轮的个数（即改变G动）来观察机械效率的变化。为排除摩擦和绕绳方式的影响，需固定使用同一根细线，并采用相同的绕法（例如，使用“一定一动”滑轮组，绳子起始端固定在动滑轮上，n=3）。

2.3.实验操作：

a.组装“一定一动”滑轮组，测量并记录一个动滑轮的重力G动1。

b.在动滑轮下挂钩码G物，匀速竖直向上拉动弹簧测力计（或使用力传感器），记录拉力F实，并用刻度尺（或位移传感器）同时测量钩码上升高度h和绳端移动距离s。

c.计算有用功W有=G物h，总功W总=F实s，机械效率η1=W有/W总×100%。

d.保持G物和绕法不变，增加一个动滑轮（变为“两定两动”中的部分组合，确保仍是n=3的绕法，但G动增加为G动2），重复步骤b和c，计算η2。

e.【数字化实验进阶】：若有力位移传感器，可在软件界面上同时采集F-s图像，图像与坐标轴围成的面积即为功，可直接读取并比较W总和W有，非常直观。图像上拉力的波动也能反映拉动过程中摩擦力的不稳定性。

3.4.数据与分析：学生将发现η1>η2。【结论】在提升同样重物时，动滑轮自重越大，额外功（克服动滑轮重力做的功）越多，机械效率越低。这解释了为什么现代起重机大量采用高强度轻质材料（如合金钢、碳纤维）来制造动滑轮组。

5.探究任务二：探究滑轮组效率与被提升物重的关係（G动恒定，改变G物）【非常重要·高频考点·难点】

1.6.设计思路：固定滑轮组的组合方式和绕绳（例如，仍使用“一定一动”，n=3），保持同一个动滑轮（G动不变）。通过改变所挂钩码的数量（即改变G物）来测量对应的机械效率。这是学生最难理解、考试中最常考的点。

2.7.实验操作：

a.组装好“一定一动”滑轮组。

b.分别挂上1个、2个、3个、4个钩码（记录G物），依次进行实验，每次都必须匀速竖直向上拉动，准确记录对应的F实、h、s，并计算每次的机械效率η。

c.特别提醒学生注意：在改变物重的过程中，绳重、动滑轮重、以及大致的摩擦情况是基本不变的（即额外功近似不变）。

3.8.数据挖掘与思维提升：

a.绘制图像：引导学生在坐标纸上绘制“机械效率η-物重G物”的关系图。他们会发现图像是一条上升的曲线，且增长速度逐渐变缓。

b.深度分析：教师引导学生从公式角度突破这一【难点】。

η=W有/W总=G物h/(G物h+G动h+W额摩擦)=G物/(G物+G动+W额摩擦/h)

教师设问：当物重G物很小时，分母中的（G动+W额摩擦/h）相对较大，所以效率很低。当G物逐渐增大时，G物占分母的比例迅速增大，因此效率也迅速提高。当G物变得非常大时，（G动+W额摩擦/h）这一项与G物相比可以忽略，效率就趋近于100%。但这在现实中不可能，因为机械本身强度和电机功率是有限的。

c.【重要结论】：对于同一个滑轮组，提升的物体越重（但不能超过机械安全负荷），机械效率越高。反之，如果“大马拉小车”，用重型滑轮组吊一个很轻的物体，效率会极低。这一点在工程优化中至关重要。

9.探究任务三：挑战性任务——设计最优滑轮组方案（给定目标，自主设计）【热点·高阶思维】

1.10.任务情境：现在车间需要你设计一个滑轮组，用于将一个G物=2N的精密仪器提升一定高度。材料库里有“一定一动”和“两定两动”两套滑轮组（动滑轮自重分别为0.5N和1N），还有粗、细两种绳子（摩擦力不同）。要求：设计的方案既要省力（拉力小于1N），又要尽量提高机械效率。请你们小组提出设计方案，并通过实验验证你的方案。

2.11.学生探究过程：这是最开放、最能体现综合素养的环节。

a.方案构思：学生需考虑多种因素。要省力，可能需要更多的承担重物的绳子段数n，比如用“两定两动”绕出n=4或n=5。但n增加意味着动滑轮个数增加（G动增大），且绳子与滑轮的接触摩擦点也增多（摩擦增大），这反而可能降低效率。学生面临“省力”与“高效”的矛盾权衡。

b.实验验证：各小组根据自己的设计，组装不同的滑轮组（例如：方案A：一定一动，n=3；方案B：两定两动，n=4，用细绳；方案C：两定两动，n=4，用粗绳），分别测量在G物=2N时的拉力F和机械效率η。

c.汇报与辩论：哪个方案的效率最高？哪个最省力？是否存在一个方案既省力又效率高？为什么？教师组织学生汇报实验结果，并引导他们分析背后的原因。例如，可能方案A虽然不够省力（F可能略大于1N），但因为动滑轮轻、摩擦小，其效率ηA反而高于方案B和C。这就深刻揭示了：工程优化往往是多目标权衡的过程，没有绝对的最好，只有针对特定任务的最优解。

3.12.教师总结升华：真正的工程师，就是在权衡中寻找最佳平衡点。今天我们面对的是2N的轻物，所以轻量化的简单机械更高效。如果是吊起20吨的集装箱，那就必须用重型、多滑轮的复杂系统，此时动滑轮自重虽然大，但相对巨大的物重而言，效率依然可以很高。

（四）【成果展示，交流评价】（预计5分钟）

每组选派代表，结合实验记录和数据分析，简要汇报本组在三个探究任务，特别是挑战性任务中的发现与结论。教师组织学生进行互评，重点评价其方案的逻辑性、数据的可靠性以及分析的深度。

（五）【课堂总结，拓展延伸】（预计2分钟）

教师引导学生共同总结本课的核心收获：

1.物理规律：滑轮组的机械效率不是固定的，它取决于物重、动滑轮重、摩擦等多种因素。在安全范围内，适当增加物重、减小动滑轮自重、保持良好的润滑是提高效率的主要途径。【高频考点】

2.工程思维：优化设计需要权衡。省力与高效之间、简单与多功能之间，都需要工程师根据具体需求做出科学决策。

3.拓展思考：今天我们探究的是滑轮组，那么斜面的效率受什么影响？杠杆的效率呢？这些原理在起重机、电梯、自动扶梯的设计中是如何体现的？这些思考将为学生后续学习乃至未来的职业发展埋下种子。

六、板书设计

（一）核心概念：机械效率η=W有/W总×100%

（二）滑轮组分析：

W有=G物h

W总=Fs

W额=G动h+W摩擦（绳重可并入G动或摩擦分析）

（三）实验探究结论：【重要】

1.η与G动成反比（G物一定时）。

2.η与G物成正比（G动一定时，在安全范围内）。

3.η与摩擦成反比。

4.【难点·权衡】省力与高效有时不可兼得，需针对工况优化设计。

七、教学评价设计

（一）过程性评价：观察学生在小组实验中的参与度、操作的规范性（如是否匀速拉动弹簧秤、读数时视线是否水平）、数据记录的原始性与真实性、以及讨论的深度。

（二）终结性评价：通过导学案上的思考题和拓展题进行评价。例如：

1.（基础题）用一个动滑轮和一个定滑轮组成的滑轮组提升重物，若不计绳重和摩擦，当物重为400N时，拉力为250N，求动滑轮重和机械效率。【基础】

2.（高频考题）对于同一个滑轮组，提的物体越重，其机械效率越____。请简述理由。【重要】

3.（拓展题·体现工程思维）某工地需要将一批总重约50吨的建筑材料运到楼顶。现有两种方案：方案A是使用一个非常轻便、摩擦力很小的简易滑轮组，但需要非常大的卷扬机；方案B是使用一套包含多个动滑轮的复杂重型滑轮组，但可以