第12章第4节 机械效率 创新实验——滑轮组机械效率实验-2024-2025学年人教版初中八年级物理下册

人教版初中八年级物理第12章第4节机械效率创新实验——滑轮组机械效率实验 1、 使用教材 本节实验课内容选自人教版初中八年级物理教科书第12章第4节机械效率。 2、 实验器材 （1） 自制滑轮组机械效率实验仪（拉力传感器、电子显示屏、可调减速电机、绕线装置、带刻度背板、底座等）。 （2） 铁架台、滑轮组、米尺、钩码、测力计等。 3、 实验创新要点/改进要点 （1） 用电机代替人力，能更好的保证匀速提升滑轮组。 （2）利用拉力传感器加电子屏幕显式的方式显示细线受到的拉力，能够更加精确和直观。 （3）可以通过调速电机控制物体上升速度，探究机械效率与速度之间的关系，进一步探究机械效率与功率之间的关系。 （4）利用磁铁可以吸附在动滑轮上，方便改变动滑轮的重力，从而探究滑轮组机械效率与动滑轮重力的关系。 （5）电子拉力传感器相比弹簧测力计读书更加精确，可以探究摩擦力对滑轮组机械效率的影响。 4、 实验原理/实验设计思路 在利用滑轮组提升物体的过程中，有用功是物体受到的拉力乘物体上升的距离，如果尽可能保持匀速直线运动，有用功的的大小也等于物体的重力乘上升的高度，额外功有克服绳重及摩擦还有动滑轮重力做的功，总功为绳子自由端的拉力乘绳子自由端移动的距离。额外功不方便测量，测量出有用功和总功，他们的比值就是滑轮组提升物体的机械效率。 5、 实验教学目标 （1） 通过滑轮组的组装来培养学生的实验操作能力、团队协作技能力和沟通交流能力。 （2） 通过实验操作和物理量的测量来培养学生规范的实验操作意识，同时深化物理概念的构建，加深对机械效率的理解。 （3） 引导学生探究滑轮组的机械效率与哪些因素有关，培养学生发现问题、提出猜想、设计实验探究、数据分析与处理、实验结论的归纳、反思拓展等能力。 6、 实验教学内容 （1） 了解测量原理。 （2） 学习滑轮组的组装和使用。 （3） 测量滑轮组的机械效率。 （4） 探究影响滑轮组机械效率的因素。 7、 实验教学过程 （1） 了解测量原理 通过观察演示实验用绳子直接提升物体（如图1）和用滑轮组提升物体（如图2）的异同，来了解有用功、额外功、总功的概率，从而了解本实验的测量原理。 图1 图2 图3 （2） 学习滑轮组的组装和使用 示范及引导学生以小组为单位利用铁架台组装滑轮组（如图3），在组装滑轮组的过程当中注意小组的配合，锻炼小组的合作能力。 （3） 测量滑轮组的机械效率 利用组装好的器材分别测量挂1、2、3个钩码时的机械效率，从而得到机械效率与提升物体重力的关系。 次数 G/N h/m W有/J F/N s/m W总/J η 1 0.5 0.05 0.025 0.25 0.15 0.0375 67％ 2 1 0.05 0.05 0.45 0.15 0.0675 74% 3 1.5 0.05 0.075 0.6 0.15 0.09 83% （4） 探究影响滑轮组机械效率的因素 （1） 机械效率与物体上升高度的关系：将同一个物体先后提升不同的高度，计算每次的机械效率，算出来提升不同高度的机械效率都一样，说明滑轮组的机械效率与提升物体高度没有关系。 图4 图5 图6 （2） 机械效率与动滑轮重力的关系 利用磁铁吸附在动滑轮上，从而改变动滑轮的重力，如图7、8、9所示，提升相同的物体时，动滑轮越重，绳子自由端的拉力越大，三次的拉力分别为0.26N、0.28N、0.31N，通过分析和计算可得，提升相同的物体时，动滑轮越重，滑轮组的机械效率越低。 图7 图8 图9 （3） 机械效率与速度之间的关系：利用调速电机改变电机拉动绳子的速度，发现速度快慢时，绳子拉力一样，从而得出滑轮组的机械效率与拉绳子的速度没有关系。 （4） 机械效率与功率之间的关系 根据实验（3）可知，速度越大，电机拖动绳子的功率越大，但滑轮组的机械效率依然保持不变，说明滑轮组的机械效率和功率之间没有关系。 （5） 机械效率与摩擦力的关系：当挂着钩码静止不动时，拉力为0.23N（如图10），当匀速运动时，拉力为0.26N（如图11），改变钩码个数。仍然发现匀速运动时的拉力大于静止时的拉力，这就是绳和滑轮之间的摩擦力对实验的影响。 图10 图11 （6） 机械效率与绕线方式之间的关系 当有2段绳子来分担总重时，绳子拉力为0.37，如图12所示， 图12 当有3段绳子来分担总重时，绳子拉力为0.26，如图13所示， 图13 当有4段绳子来分担总重时，绳子拉力为0.21，如图14所示， 图14 通过3次实验，计算出的滑轮组机械效率不一样，绳子段数越多时，机械效率越低，那是不是就说明滑轮组的机械效率和滑轮组的绕线方式有关？请同学们交流思考，如果忽略绳重及摩擦，把同一个物体用相同的滑轮组以不同的方式绕线提升相同的高度，那滑轮组的机械效率一样吗？通过分析可知，忽略绳重及摩擦时，有用功一样，额外功一样，都是把相同的动滑轮提升了相同的高度，那机械效率计算出来就应该一样，从计算公式的分析角度也一样。 通过理论分析，当忽略忽略绳重及摩擦时，提升相同的物体，滑轮组的机械效率和绳子的绕线方式没有关系，那是什么因素导致我们在实际实验过程中绕线方式不一样，机械效率也不一样呢？应该是被我们忽略的因素，绳重及摩擦，绳子都一样重，那应该是绳子和滑轮之间的摩擦造成的，滑轮组的绕线方式越复杂，就造成了滑轮和绳子之间的摩擦力越大，从而影响了最后的机械效率，这个实验还是说明滑轮组的机械效率与绳和滑轮之间的摩擦有关。 8、 实验效果评价 （1） 通过探究滑轮组机械效率与物体重力之间的关系开展小组实验，通过小组实验培养学生的操作能力、团队协作能力等，在小组实验中，暴露出一部分学生动手能力差、合作意识差、目标意识差、规范操作意识差等问题，在后续的实验教学中，还应继续培养同学们各项能力。 （2） 通过自制机械效率实验仪，能够较好的培养学生发现问题，解决问题的能力。 （3） 通过自制机械效率实验仪，解决了大部分实验问题，但仍然存在以下问题 ①动滑轮在上升过程中会有一定摆动，造成电子显示器示数不稳定。 ②可继续研究实验仪器，能否实现利用滑轮组在水平面和斜面来拖动物体，从而测量其机械效率。 ③在观察物体和绳子上升的距离时，能否找到更加明显和直观的办法。 学科网（北京）股份有限公司 $$