第十一章第2节《滑轮》：基于力传感器对滑轮特点的探究-2023-2024学年教科版物理八年级下册

教科版初中八年级物理下册第十一章第二节《滑轮》：基于力传感器对滑轮特点的探究 1、 使用教材 教育科学出版社初中八年级物理下册第十一章第二节《滑轮》。 2、 实验器材 自制多功能简单机械演示仪、滑轮、铁架台、重物、细线等。 3、 实验创新要点/改进要点 （1） 演示仪器设计的创新 （1）采用三棱柱形状减少了空间占用，方便易携，同时增加了可利用面板数量，实现分区域展示多个不同实验，提升了空间利用率； （2）器材上部为等边三角形面板，且可转动，固定于其上的电机、传感器和显示屏通过旋转从而可实现在每一个面板工作，提高了实验器材的利用率。 （2） 实验内容的改进与创新 （1）器材安装的改进与创新； 传统实验器材安装不便且需要多次拆装耗费时间，本实验将滑轮等器材固定在特制板上，板上对相关区域作了功能性说明，部分滑轮专项设置了特殊轨道，使其能够按照实验目的发生定向移动，实现了操作方便，安装过程简单，大大缩短安装时间。 （2）移动距离测量的改进与创新； 传统实验器材不便说明自由端与重物端移动距离关系，本实验中通过标记点相对于刻度线的移动能够直观看到自由端与重物端移动距离关系。 （3）传动设备的改进与创新； 1）滑轮提升重物时速度难以控制匀速，导致测量结果可能有较大误差，本实验采用电动机带动滑轮转动，能够较好的获得匀速运动进而提升实验数据准确性； 2）学生在学习过程中常常会有运动速度越大，所需要用力越大的错误认知，本实验采取电机可十分便捷的控制物体以不同速度做匀速运动，从而能够有效的帮助学生形成正确的认知。 （4）测力工具的改进与创新 传统实验中采用的测力工具是弹簧测力计，实际操作中存在读数不便且有较大的误差，本实验采用了力学传感器与数字显示屏配套，能将力的大小科学显示出来，大大提高了数据的精确性。 （5）探究模型的改进与创新 1）传统实验仅在竖直方向上使用滑轮，实验结果普遍性缺乏论证，且学生在学习中往往仅根据在滑轮竖直方向的使用就加以总结得出绳子末端力的大小仅与物体重力和绳子绕法有关的错误结论，本实验结合滑轮组竖直和水平使用的情境进行了对比实验，能够加深学生理解到实际为绳子末端力的大小与所需克服的力和绳子绕法有关，竖直状态克服的力恰为重力； 2）本实验所用演示仪中对定滑轮和动滑轮的本质做了简单的模型演示，更利于学生对于滑轮实质的理解。 4、 实验原理 （1）定滑轮的实质就是等臂杠杆。 （2）动滑轮的实质就是动力臂是阻力臂2倍的杠杆。 5、 实验教学目标 （一）物理观念 能识别定滑轮和动滑轮；知道定、动滑轮的特点；会安装使用滑轮组并知道施加的拉力和所需克服力之间的关系。 （二）科学思维 通过定滑轮、动滑轮的工作特点，分析滑轮的实质，推想滑轮组的作用，从而培养学生的科学推理能力。 （三）科学探究 通过组装及探究定滑轮、动滑轮、滑轮组的工作特点培养学生的实验探究能力。 （四）科学态度与责任 学生养成对待实验实事求是的科学态度；通过学习定、动滑轮的特点，根据需要解决实际问题。 6、 实验教学内容 （1）组装并探究定滑轮、动滑轮的工作特点，理解滑轮实质。 （2）探究滑轮组的工作特点并学会根据要求组装使用滑轮组。 7、 实验教学过程 （1） 情景导入 （1）引导学生通过图片观察认识生活中的滑轮，总结滑轮的特点，及其基本作用——提升重物。 （2）学生活动1：利用已给出铁架台、细线、滑轮等器材将钩码提到一定高度，并与直接用手来提升重物的感受相比较；小组间交流滑轮的使用方法及不同方法的使用感受。 （2） 实验设计 （1）学生根据活动感受交流教师总结得出滑轮两种使用方式：定滑轮和动滑轮。 （2）根据使用感受结合刚学过的简单机械杠杆提出问题：使用定滑轮是否能够省力？是否能省距离？使用动滑轮是否能够省力？是否能省距离？ （3）设计实验：学生根据提出问题思考如何设计实验进行探究相关问题，构建定滑轮、动滑轮模型使用并测量相关物理量：力与移动距离。 （3） 实验探究 （1） 探究1：根据设计实验组装定滑轮探究定滑轮的工作特点和实质，并完成表格（见表1）。 表1 定滑轮的工作特点与实质 装置图 是否改变 用力方向 物体重力G/N 绳自由端的力F/N 装置图 钩码上升 距离h/cm 绳自由端移动距离s/cm 定滑轮 G FF h s 结论 实质 1）测量物重（见图1）； 2）竖直向下拉动绳子末端的拉力测量（见图2）和距离比较（见图3）； 图1 测量物重 图3 竖直距离比较 图2 竖直拉力 3）斜向下拉动绳子末端的拉力测量（见图4）和距离比较（见图5）； 4）定滑轮的工作特点总结归纳； 5）定滑轮的实质演示（见图6），总结定滑轮实质。 图6 定滑轮实质 图4 斜下拉力 图5 斜下距离比较 （2） 探究2：组装动滑轮探究动滑轮工作特点及其实质,并完成表格（见表2）。 表2 动滑轮的工作特点与实质 装置图 是否改变 用力方向 物体重力G/N 绳自由端的力F/N 装置图 钩码上升 距离h/cm 绳自由端移动距离s/cm 动滑轮F h s 结论 实质 1） 动滑轮的工作拉力及距离关系测量（见图7）； 2） 改变运动速度大小，再次测量拉力大小； 3） 动滑轮的工作特点总结； 4） 动滑轮的实质演示（见图8），总结动滑轮实质。 图8 动滑轮实质 图7 动滑轮 （3） 进一步提出问题思考，既想改变用力方向，又想省力该如何使用滑轮？猜想可组合使用，即滑轮组。 （4） 学生活动2：练习组装滑轮组，清楚滑轮组的绕线方式，同时思考滑轮组的工作特点，设计实验。 （5） 探究3：探究竖直方向上滑轮组的组装与使用特点，完成表格（见表3）。 表3 滑轮组（竖直方向）的工作特点 连接动滑轮绳子的绳子段数/n 物体重力G/N 绳自由端的力F/N 钩码上升 距离h/cm 绳自由端移动距离s/cm 滑轮组 （竖直方向） 结论 1） 练习组装竖直方向滑轮组并认识滑轮组的不同绕绳方式； 2） 竖直方向滑轮组绳端拉力和移动距离的探究（见图9）。 图11 图9 滑轮组（竖直方向） 图10 滑轮组（水平方向） （6） 探究4：探究水平方向滑轮组的组装与使用特点，完成表格（见表4）。 表4 滑轮组（水平方向）的工作特点 连接动滑轮绳子的绳子段数/n 物体所受摩擦力f/N 绳自由端的力F/N 物体移动距离L/cm 绳自由端移动距离s/cm 滑轮组 （水平方向） 结论 1） 水平方向滑轮组的绕线方式练习； 2）测量水平拉动物块的的摩擦力； 3）使用滑轮组水平拉动物块测量拉力并比较移动距离关系（见图10）。 （4） 交流总结 （1） 总结定滑轮、动滑轮的特点和实质； （2） 滑轮组相对于定滑轮和动滑轮的优点及其组装方法； （3） 使用定滑轮时，实际由一段绳子承担所需要克服的力，所以不省力； （4） 使用动滑轮和滑轮组时，实际由几段绳承担所需要克服的力，所以拉力就是所需要克服的力的几分之一。 （5） 课后拓展探究 1）使用动滑轮一定省力，费距离吗？演示模型（见图11）。 2）使用定滑轮、动滑轮、滑轮组时，动力和阻力移动的速度关系？ 8、 实验效果评价 本实验教学中利用自制教具展示教学，实验器材改进创新；实验过程简捷高效；实验现象和数据直观准确，为归纳总结滑轮的工作特点、实质和使用方法提供了强有力的实验论据；实验内容进一步拓展，学生对于滑轮和滑轮组工作特点和使用方法有了较为直观深入的认识。 1 学科网（北京）股份有限公司 $$