⑴ 如何提高滑輪組的機械效率教學設計
如何提高機械效率
1．教學目標
知識與技能
⑴知道有用功、額外功和總功的含義，以及它們之間的關系。
⑵理解機械效率，會用機械效率的公式進行簡單的計算，會測算滑輪組的機械效率。
⑶知道機械效率總小於1，知道提高機械效率的方法和意義。
過程與方法
⑷經歷測算滑輪組機械效率的過程，學習測算簡單機械效率的方法。
情感態度與價值觀
⑸通過學習"效率"的概念，增強節約意識，提高對科學發展觀的認識。
2．教材說明
本節主要內容有：有用功、額外功、總功的概念，機械效率的概念和測算，提高機械效率的方法和意義。
機械效率是在簡單機械、功和功率等基礎知識上構建起來的新概念，既是前面這些知識的延伸，又是後面學習熱機效率等概念的基礎。它和功率一樣，也是反映機械做功性能的重要物理量，在生活和生產中有著非常實際的價值和意義。建設高效率、低消耗的節約型社會，是科學發展觀的重要理念，是學生必備的科學素質。
本節教材的編寫思路：首先通過"活動1"，分析兩個實際做功的場景：用滑輪組提起重物和利用挖掘機挖掘、搬運泥土，哪些功是我們需要的？哪些功是不得不額外做的？從中自然地引出有用功、額外功和總功三個概念，以及總功與有用功和額外功的關系。由此順理成章地導出機械效率的定義，以及機械效率的公式，再引導學生討論："機械效率的數值會等於或大於1嗎"，加深學生對機械效率的認識。"活動2"通過實驗操作，學習實際測算滑輪組的機械效率，感受"同一機械其效率也不是恆定不變的"，最後討論如何提高機械效率的方法。傳統的教材都是在說明的基礎上，直接給出"有用功"和"額外功"的定義，由於初中學生往往需要藉助具體事物來幫助思維，這種方式並不利於學生接受。現行教材考慮到學生在生活中對"有用功"和"額外功"已經有了一些感性認識，但與物理學的嚴格定義尚有距離，所以設計了"活動1"，讓學生在分析具體做功實例過程中，感受"有用功"和"額外功"的含義。
本節教學重點：有用功、額外功和總功是建立機械效率的基礎，而機械效率是衡量機械優劣的重要指標，因此，有用功、額外功、總功及機械效率是本節課教學的重點。
本節教學難點：同一機械的效率是可變的，是本節課教學的難點。
組織學生參與"活動1"，通過具體做功實例的分析，使學生清楚地知道使用機械要做額外功，這是本節課教學的關鍵。
3．教學建議
本節課可以開門見山直接引入：現代社會是講求效率的節約型社會，時時處處都要講究提高效率。我們使用機械也要講效率。那麼，什麼是機械效率呢？下面我們就來研究這個問題。
什麼是有用功與額外功
"活動1"的目的是：通過具體做功實例的分析，讓學生知道"有用功"和"額外功"的含義。這是本節課教學的重點和關鍵，要組織全體學生積極參與。
在具體教學過程中，為了增加學生的感性認識，便於學生分析，可用多媒體展示滑輪組提升重物和挖掘機挖掘泥土的場景，讓學生如同身臨其境。並引導學生回答下列問題：
⑴在這兩個情景中，力對哪些物體做了功？
⑵哪些功是我們為了達到特定目的必須要做的功？
⑶哪些功是我們不需要但又不得不做的功？
學生經過思考、討論，可以答出：
⑴對於教材圖13-16a，拉力對滑輪組做功時，拉力對重物、動滑輪、繩子以及克服各部分之間的摩擦力都做了功；其中，提升重物做的功是我們需要的功，對動滑輪、繩子以及克服摩擦所做的功是我們不需要但又不得不做的功。
⑵對於教材圖13-16b：挖掘機對泥土、挖斗以及克服各部件之間的摩擦力都做了功；其中，提升泥土所做的功是我們需要的功，對挖斗以及克服摩擦所做的功是我們不需要但又不得不做的功。
在學生回答的基礎上，教師給出提升物體時，"有用功"、"額外功"及"總功"的含義：
有用功（W有用）：克服物體的重力所做的功。
額外功（W額外）：克服機械自身的重力和摩擦力所做的功。
總功（W總）：有用功和額外功的總和，即W總=W有用+W額外。
然後向學生指出：在實際用機械做功時，總功也等於動力對機械做的功。
為了檢驗學習效果，可讓學生分析下列情況中的有用功、額外功、總功，並說明這樣分析的理由：
⑴用桶從井中提水。（答：目的是把水提上來，所以提升水做的功是有用功，對水桶做的功是額外功，對水和水桶做的功是總功。）
⑵桶掉到井裡，把桶從井中撈起。（答：目的是把水桶撈上來，所以對水桶做的功是有用功，對水做的功是額外功，對水桶和水做的功是總功。）
⑶用水桶把水提到樓上去。（答：目的是把水提到樓上，所以對水做的功是有用功，對水桶和人所做的功是額外功，對水、水桶和人做的功是總功。）
什麼是機械效率
可用下面的問題引出機械效率的定義：
（1）當你用水桶提水時，有兩只大小相同的水桶可供選擇，一隻是輕質塑料桶，另一隻是厚鐵皮桶，你選擇哪一隻水桶？為什麼？（答：選擇輕質塑料水桶，因為提同樣多的水，用塑料桶需要做的額外功較少。）
（2）當你用動滑輪提升一隻箱子時，你希望選用什麼樣的滑輪？為什麼？（答：希望選擇一隻又輕巧又堅固的動滑輪，因為這樣可以減少額外功。）
通過這兩題的回答，要使學生意識到：我們在使用機械做功時，額外功是不可避免的，但我們總希望做的額外功越少越好，也就是有用功在總功中所佔的比例越大越好。至此，可以引導學生自己總結出機械效率的定義和公式。
為了加深對機械效率的理解，可以組織學生討論以下問題：
（1）機械效率的高低表示的物理意義是什麼？（答：有用功在總功中所佔比例的高低。）
（2）機械效率的單位是什麼？（答：機械效率是兩個功（W有用、W總）的比值，沒有單位。）
（3）為什麼機械效率總小於1？能不能等於1？（使用機械做功時，一般情況下，不可避免地要做一部分額外功，有用功總小於總功，所以機械效率總小於1；但理想情況下，即不考慮機械自身的重力，不考慮摩擦時，機械效率可等於1，這種機械稱為理想機械。）
此時可增加一道有關滑輪組機械效率的計算題，通過計算，一幫助學生從具體應用中理解有用功、額外功和總功，感受機械效率的意義；二熟悉機械效率的計算公式，找到解答此類問題關鍵，為下面測算滑輪組的機械效率做好知識上的准備；三可規范學生解答物理計算題的格式。
例題：如圖13-6所示，建築工人用滑輪組提升重為220N的泥桶，動滑輪重為20N，不計滑輪與軸之間的摩擦及繩重。如果工人將繩子勻速向上拉了6m，則泥桶上升了多少？滑輪組的機械效率是多少？
已知：G桶=220N，G動滑輪=20N，s=6m，n=3
求：h，η
解：泥桶上升的高度：。
工人對泥桶做的有用功：W有用=G桶h=220N×2m=440J。
工人對動滑輪做的額外功：W額外=G動滑輪h=20N×2m=40J。
所以總功：W總=W有用+W額外=440J+40J=480J。
滑輪組的機械效率：。
答：泥桶上升了2m，滑輪組的機械效率是91.7%。
活動2 測算滑輪組的機械效率
教材安排"測算滑輪組的機械效率"，目的是讓學生練習測算機械效率的方法，加深對機械效率的理解，知道同一機械的機械效率並不是不變的，從而了解提高機械效率的方法。
動手實驗前，應使學生明確：實驗的目的是測算滑輪組的機械效率，因而要求出有用功和總功，為此，可引導學生通過下列問題的討論，逐步設計實驗方案：
（1）滑輪組工作中的有用功怎樣計算？需要測量哪些物理量？（答：W有用=G桶h，要測量物重G和物體上升的高度h。）
（2）滑輪組的額外功是怎樣產生的，是否便於測量？（答：克服繩重、滑輪的摩擦、動滑輪的重力所做的功都是額外功；顯然，這些額外功很難直接測量。）
（3）因為滑輪組的額外功不便直接測量，所以，用有用功和額外功之和求總功不方便。那麼，還有其他簡便的方法測算總功嗎？需要測量哪些物理量？（答：有。測出繩端的拉力F和拉力移動的距離s，根據W總=Fs計算出總功。）
（4）為了求出滑輪組的有用功和總功，進而測出滑輪組的機械效率，除滑輪組外，實驗中還需要哪些器材？（答：彈簧測力計和刻度尺。）
學生討論回答後，教師邊演示邊講解做好實驗的注意事項：
（1）鉤碼上升的高度h，可用豎直放置在鉤碼旁的刻度尺讀出，以鉤碼的下端為標准讀數。
（2）拉力F的大小由彈簧測力計的示數讀出，要豎直向上勻速拉動彈簧測力計，彈簧不要和外殼摩擦。
（3）測量細繩自由端通過的距離s時，可事先在細繩自由端上作一標記，再拉彈簧測力計，用滑輪組提升重物。用刻度尺量出鉤碼上升的高度後，再量出細繩標記移動的距離，就是細繩自由端通過的距離s。
該實驗從組裝滑輪組到測出各個量，要進行的活動和記錄的數據都比較多，教師要加強巡迴指導，發現問題及時引導。
學生實驗完畢，匯報實驗結果，他們會發現：同一個滑輪組，在提升不同的重物時，其機械效率是不同的。這是因為在提升重物時，物體越重，所做的有用功越多，有用功在總功中所佔的比例就越大，機械效率越高。
在此基礎上，可以讓學生繼續思考：還有什麼因素會影響滑輪組的機械效率？為什麼？（答：動滑輪的重會影響滑輪組的機械效率，動滑輪越重，額外功在總功中所佔的比例就越大，機械效率越低；滑輪自身部件的摩擦也會影響滑輪組的機械效率。）
對於程度比較好的學生，還可以提出以下討論題：
（1）在以上實驗中，還有其他方法測出繩子自由端移動的距離嗎？（答：有。數出承擔重物的繩子股數n，則繩子自由端通過的距離s=nh，h為重物上升的高度。）
（2）如果不測出物體上升的高度h和繩子自由端移動的距離s，還能不能計算出滑輪組的機械效率？（答：能。因為s=nh，則機械效率。）
最後，可以讓學生閱讀教材了解一些設備的效率，知道提高機械效率的一些主要方法，培養學生合理改進機械、提高效率的意識。還可以將此問題進一步升華，談談工作和經濟建設中的效率問題，培養學生科學發展觀