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《機(jī)械效率》案例

一、背景
蘇科版教材《九上》第十一第五節(jié)為《機(jī)械效率》，本節(jié)的授對(duì)象是省示范初三實(shí)驗(yàn)班學(xué)生。考慮到內(nèi)容及授對(duì)象的特征，筆者設(shè)計(jì)并實(shí)施了本節(jié)的教學(xué)現(xiàn)將其展示如下：
二、教學(xué)過程
1．引入
師：生活中處處能聽到“效率”一詞，父母工作時(shí)要講究效率，早點(diǎn)下班給同學(xué)們燒飯、做菜；同學(xué)們學(xué)習(xí)過程中也要講究學(xué)習(xí)效率，如果班上某同學(xué)在校的總時(shí)間10小時(shí)，扣除自習(xí)時(shí)間，真正學(xué)習(xí)的時(shí)間只有8小時(shí)，玩2小時(shí)，怎樣計(jì)算該同學(xué)的學(xué)習(xí)效率？
生A：0.8
生B：80%
師：用小數(shù)表示效率不符合人們用法習(xí)慣，將學(xué)習(xí)時(shí)間除以總時(shí)間再乘以100%就可以計(jì)算出學(xué)習(xí)效率。既然學(xué)習(xí)上有效率，那么使用機(jī)械時(shí)也應(yīng)該有效率，我們將其稱為機(jī)械效率。下面一起學(xué)習(xí)11-5節(jié)內(nèi)容。
（板書題：11-5 機(jī)械效率）
2．有用功、額外功及總功概念的建立
師：小明想一次性將家中散落在地面上的大米搬到桌面上，但苦于雙手太小，無法將米一次性搬起，這時(shí)他找一個(gè)空盒子，將米裝入盒子中，很快完成了任務(wù)。如果小明直接用手搬大米需克服什么力做功？

生：克服大米重力做功。
師：米裝入盒中，又需克服什么力做功？
生：克服盒子的重力做功。
師：此過程中小明的目的是搬大米而不是搬盒子，所以我們將克服大米的重力做功定義為有用功，用W有用表示。搬運(yùn)大米時(shí)克服盒子重力做功并不需要但又不得不做，故將其稱之為額外功，用W額外表示。對(duì)于剛才假設(shè)桶的重力為10N、大米重力為100N，裝米的盒子升高1m，則有用功為多少焦?額外功為多少焦?
生：有用功為100J、額外功為10J。
師：小明克服大米和盒子的總重力做功為多少焦耳？
生：110J
師：110J即為有用功和額外功之和，我們將其稱為總功，用 表示。
（板書：一、有用功—人們使用機(jī)械時(shí)為了達(dá)到某種目的需要做得功；額外功—達(dá)到目的的過程中不需要但又不得不做的功；總功—有用功和額外功之和。）
師：下面我們?cè)倏磶赘眻D片，圖2(a)中展示了從井中打水的情況，請(qǐng)問拉力對(duì)水做的

功是什么功？拉力對(duì)桶做的功又是什么功？
生A：拉力對(duì)水做的功是有用功，對(duì)桶做的功是額外功。
師：如果從井中撈桶，桶在打撈過程中不小心灌了一些水，請(qǐng)問哪些是有用功，哪些是額外功？
生B：拉力對(duì)桶做的功是額外功，對(duì)桶做的功是有用功。
師：如果老師用手拉著動(dòng)滑輪兩端的繩子將鉤碼提升高度h,動(dòng)滑輪被提升高度為多少？
（教師演示用兩只手同時(shí)拉著繩頭提升動(dòng)滑輪和重物。）
生：動(dòng)滑輪和物體一起上升高度h。
師：在上升過程中，克服什么力做功是有用功，什么又是額外功？
生：克服鉤碼重力做功為有用功，克服動(dòng)滑輪重力做功為額外功。
師：但是在使用動(dòng)滑輪時(shí)并不是拽著兩根繩頭往上拉，而是按照如圖3所示：一端固定，另一端繩頭受拉力作用，繩子與輪之間發(fā)生相互摩擦，還需要克服什么力做功？
生：克服摩擦力做功。
師：只有克服摩擦力么？如果這根繩子是粗麻繩，什么力會(huì)明顯顯現(xiàn)出？
生：重力。
師：也就是說還要克服什么力做功。
生：克服繩重做功。
師：很好，由于這兩個(gè)功都與繩子有著密切的關(guān)系，我們就統(tǒng)稱為克服繩重和摩擦力做功，它們是有用功么？
生：不是，是額外功。
3．機(jī)械效率概念的建立
師：看動(dòng)滑輪提升物體的額外功有兩項(xiàng)，一是克服動(dòng)滑輪重力做功，二是克服繩重和摩擦力做功，我們不妨簡(jiǎn)記為 和 。假如動(dòng)滑輪重力為0.2N、兩個(gè)鉤碼總重力為1.0N、鉤碼被提升的高度為1m以及克服繩重和摩擦力做功為0.3J，有用功、克服動(dòng)滑輪重力做的功以及總功分別是多少？請(qǐng)三位同學(xué)分別回答。
生A：有用功是1J。
生B：克服動(dòng)滑輪重力做功是0.2J。
生C：總功為1.5J。
（教師板演計(jì)算過程。）
師：類比于學(xué)習(xí)效率，總功類比于總時(shí)間，有用功類比于學(xué)習(xí)時(shí)間，額外功類比于玩的時(shí)間，則動(dòng)滑輪也有效率，我們將其稱為機(jī)械效率，用 表示。計(jì)算方法是用有用功除以總功乘以100%。由于有用功和總功的單位都為焦耳，所有 無單位，我們用百分?jǐn)?shù)表示。 表示有用功與總功的比值，比如某機(jī)械的機(jī)械效率為80%時(shí)，表示有用功占總功的80%。結(jié)合剛才的數(shù)據(jù)和機(jī)械效率公式，動(dòng)滑輪的機(jī)械效率如何計(jì)算？
（板書二、公式： ， =80%表示有用功占總功80%）
生：用1J除以1.5J，計(jì)算結(jié)果為67%。
師：對(duì)于除不盡時(shí)，一般情況下，小數(shù)點(diǎn)后保留三位小數(shù)化為百分?jǐn)?shù)時(shí)就是66.7%。剛才情況中，如果忽略繩重和摩擦，又該怎樣計(jì)算機(jī)械效率？
生：用1J除以1.2，計(jì)算結(jié)果為83.3%。
師：看在有用功一定時(shí)，額外功越小，動(dòng)滑輪的機(jī)械效率越高。額外功由原先的兩項(xiàng)變?yōu)橐豁?xiàng)，我們也不妨試著推導(dǎo)忽略繩重和摩擦情況下動(dòng)滑輪機(jī)械效率公式：
（板書三、忽略繩重和摩擦： ）
通過這個(gè)公式，我們很容易計(jì)算出機(jī)械效率的高低，然而使用時(shí)還需克服摩擦力做功，這個(gè)功并未涉及，看還需尋找一個(gè)量，它的數(shù)值要比Gh+G動(dòng)h大，這樣就能反映出實(shí)際情況下總功的大小，讓我們一起再探動(dòng)滑輪！實(shí)驗(yàn)中除了要測(cè)出G、G動(dòng)、h之外，利用彈簧測(cè)力計(jì)以及刻度尺又可以測(cè)哪些物理量？
生：可以測(cè)出拉力F及繩頭自由端移動(dòng)的距離s。
師：F和s的乘積是哪一個(gè)力做的功？
生：拉力做的功。
師：實(shí)驗(yàn)中拉力F、鉤碼重力G用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量，鉤碼上升的高度h及繩頭移動(dòng)距離s用刻度尺測(cè)量，大家聽好了么？各小組一起動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，完成后將數(shù)據(jù)填入表格中，比比看， Fs是否大于Gh+G動(dòng)h。
（學(xué)生實(shí)驗(yàn)，教師巡視， 指點(diǎn)釋疑，實(shí)驗(yàn)完畢后利用實(shí)物投影展示學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)）
鉤碼的重力G/N1.5
鉤碼上升的高度h/m0.1
有用功 /J
0.15
動(dòng)滑輪重力 /N
0.3
動(dòng)滑輪上升高度h/m0.1
克服動(dòng)滑輪重力做功 h/J
0.03
拉力F/N1.0
繩頭自由端移動(dòng)距離s/m0.2
+ h/J
0.18
( )Fs/J0.2

師：根據(jù)數(shù)據(jù)，F(xiàn)s是否大于 + h？
生：大于。
師：多出了多少？
生：多出了0.02J。
師：這0.02J是克服什么力做的功？
生：克服繩重和摩擦力做功。
師：很好，現(xiàn)在額外功都找齊了，加上原先的有用功就是總功，我們一起給Fs起一個(gè)好聽的名字吧，應(yīng)該叫什么？
生：總功。
師：太棒了，請(qǐng)將名稱寫在表格中括號(hào)里。Fs即為使用動(dòng)滑輪時(shí)的總功，如果在動(dòng)滑輪的基礎(chǔ)上再加一個(gè)定滑輪就變成了一定一動(dòng)的滑輪組，定滑輪只起到改變力的方向作用，F(xiàn)s仍然是此滑輪組的總功，對(duì)于其他的滑輪組我們也可用 Fs計(jì)算總功。現(xiàn)在我們將機(jī)械效率公式完善一下：
（板書四：考慮繩重和摩擦、 ）
4．堂當(dāng)堂反饋
這個(gè)公式不僅適用于有繩重和摩擦情況同時(shí)也適用于無繩重和摩擦情況，下面我們通過習(xí)題一起鞏固一下：（學(xué)案展示，學(xué)生上黑板操練，教師給予相應(yīng)點(diǎn)評(píng)）
如圖4所示，工人利用動(dòng)滑輪將沙勻速向上提升2m，已知沙重184N，桶重10N，拉力為100N，繩重和摩擦均不計(jì)，動(dòng)滑輪的重力為多大？拉力所做的總功是多少J，此時(shí)該裝置的機(jī)械效率是 多少？
解：s=2h=2×2m=4m

=Fs=100N×4m=400J = h=184N×2m=368J

答：動(dòng)滑輪的重力為6N,總功為368J，機(jī)械效率為92%。
如圖5所示，拉力F=80N，物體重G=120N，若繩子自由端勻速拉動(dòng)的距離s=4m，物體被提高的距離h=2m，求：（1）拉力所做的有用功；（2）拉力所做的總功（3）該滑輪組的機(jī)械效率 。
解：s=2h=2×2m=4m
=Gh=120N×2m=240J =Fs=80N×4m=320J

答：有用功為總功為240J，總功為320J，機(jī)械效率為75%。
5．總結(jié)
這節(jié)我們學(xué)習(xí)了機(jī)械效率，機(jī)械效率本是一個(gè)抽象難懂的概念，慶幸地是我們從實(shí)驗(yàn)中探尋突破口，逐層深入揭開了它迷人的面紗。由于任何機(jī)械的機(jī)械效率不可能為100%，所以人們需不斷改良機(jī)械以提高機(jī)械的機(jī)械效率，我相信各位長(zhǎng)大后也能積極投身于機(jī)械的生產(chǎn)、制造中去，創(chuàng)造出更多機(jī)械效率更高的機(jī)械，為我們偉大的祖國服務(wù)！

本文來自：逍遙右腦記憶 http://m.douzifanli.com/chusan/42349.html

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