第4节 机械效率（表格式教学设计）物理新教材人教版八年级下册

第4节 机械效率（教学设计） 年级 八年级 学科 物理 课时数 1课时 教师 课题 第4节 机械效率 教学 目标 物理观念 能结合实例区分有用功、额外功和总功，理解机械效率的物理意义和计算公式（η=W有/W总），知道机械效率总小于1。 科学思维 通过分析使用机械做功的过程，发展比较、分析、综合的科学思维能力。能基于实验数据，推理得出影响滑轮组机械效率的主要因素。 科学探究 能完成“测量滑轮组机械效率”的学生实验。会设计实验方案，正确测量和记录数据，计算并分析机械效率，得出初步结论。 科学态度与责任 通过了解提高机械效率的意义和途径，形成节能减排、爱护机械设备的意识，认识科学技术对社会发展和环境保护的重要性。 教材 分析 本节内容选自人教版八年级下册第十二章《简单机械》的第4节，是本章的落脚点和高潮。在学生学习了杠杆、滑轮等简单机械，并掌握了功、功率概念的基础上，本节从“功”的角度深化对机械的认识。教材通过“使用动滑轮是否省功”的演示实验，引入“有用功”、“额外功”、“总功”三个核心概念，进而定义“机械效率”。随后安排了“测量滑轮组的机械效率”学生实验，让学生亲历探究过程，理解影响机械效率的因素及提高效率的意义。本节内容将“能量”观念初步引入对机械的分析，是连接“功”与“能”、并为后续学习热机效率等奠定基础的关键节点。课程标准（2022年版）明确要求“知道机械效率。了解提高机械效率的意义和途径”。 学情分析 知识基础：学生已经掌握了功（W=Fs）的计算，并学习了杠杆、滑轮（组）等简单机械，知道它们有的可以省力，有的可以省距离。 认知特点与可能困难： 1. 概念抽象：“有用功”、“额外功”、“总功”概念比较抽象，学生难以从具体情境中准确区分。 2. 前概念干扰：学生容易将“机械效率”与“省力多少”或“功率大小”混淆，误认为越省力的机械效率越高。 3. 实验理解：在“测量滑轮组的机械效率”实验中，对需要测量哪些物理量、为何要匀速拉动、如何分析影响效率的因素存在困惑。 4. 价值观塑造：对“提高机械效率”在节能减排、社会发展方面的深远意义认识不足。 教学重点 1、 有用功、额外功、总功的概念； 2、 机械效率的概念及测量实验。 教学难点 · 1、正确判断有用功和额外功； · 2、分析影响机械效率的因素。 教学器材 · 教师演示：多媒体课件、动滑轮、钩码、弹簧测力计、细绳、铁架台、刻度尺。 · 学生分组（每4人一组）：铁架台、滑轮组（至少1个动滑轮和1个定滑轮）、弹簧测力计（1个）、刻度尺、钩码（若干，质量不等）、细线。 教学过程 教师活动 学生活动 设计意图 一、问题导入，引发冲突(5分钟) 1. 回顾设疑： 提问1：我们学习过杠杆、滑轮，使用它们可以省力或省距离。那么，使用机械能不能省功呢？ 2. 演示实验（教材P117图12.4-1）： ① 直接用弹簧测力计将钩码匀速提升高度h，记录拉力F₁，计算功W₁= F₁h。 ② 借助一个动滑轮将同一钩码匀速提升相同高度h，记录拉力F₂及绳端移动距离s=2h，计算功W₂= F₂s。 提问2：W₁和W₂相等吗？哪次做功更多？这说明了什么？ 回忆机械的好处，思考并猜想：可能省功？ 观察演示实验，比较数据。 计算并发现：W₂ > W₁。 回答：使用动滑轮反而要多做功，说明使用任何机械都不能省功。 制造认知冲突，打破学生“机械一定省功”的潜在错误观念，激发探究“多做的功去哪了”的强烈兴趣，为引入新概念做铺垫。 二、概念建构，区分三种功 (10分钟) 1. 分析演示实验（基于新教材定义）： 提问3：在第二次实验中，我们的工作目的是什么？（提升钩码）那么，动滑轮对钩码的拉力所做的功，是不是达到目的必须做的功？这部分功叫什么？（有用功W有） 提问4：弹簧测力计做的总功(W₂)，除了包含有用功，还包含了哪些多余的功？（提升动滑轮本身、克服摩擦、绳重等）这部分对我们无用但又不得不做的功叫额外功(W额)。 提问5：动力（弹簧测力计拉力）对机械做的总共的功叫什么？（总功(W总)）三者关系是？ 板书：W总 = W有 + W额 2. 概念辨析与举例（强调“机械对外做功”）： 展示更多情境（用水桶从井中提水、用斜面推箱子）。 提问6：在这些情境中，什么是有用功？什么是额外功？ （提水：有用功是辘轳（机械）对水做的功，额外功是摩擦做的功；推斜面：有用功是斜面对物体做的功（使物体升高），额外功是克服斜面摩擦做的功） 理解“工作目的”是判断有用功的关键。 明确：有用功是机械对外做的、达到目的的功。 分析出额外功的来源（动滑轮重、摩擦等）。 理解总功是动力的总付出。 记忆三者关系式。 小组讨论，在不同情境中辨识有用功和额外功，体会其相对性。 从具体实验现象出发，层层剖析，引导学生自主建构三个抽象概念。通过多情境辨析，巩固对概念的理解，特别是明确“有用功”因“工作目的”而异，突破难点。 三、引入效率，定义与理解 (8分钟) 1. 引入必要性： 提问7：既然使用机械总会做额外功，我们当然希望额外功越少越好。怎么量化衡量一个机械性能的优劣呢？ （引导：比较有用功占总功的比例） 2. 定义机械效率： 有用功跟总功的比值叫做机械效率(η)。 公式：η = W有 / W总 （板书） 提问8：因为W有 总小于 W总，所以η的取值范围是多少？通常如何表示？ （η < 1，常用百分数表示） 3. 简单计算与理解： 利用演示实验数据，计算动滑轮的机械效率。 提问9：这个效率值（通常小于100%）反映了什么？（机械性能的好坏，能量利用率的高低） 介绍常见机械的效率范围（起重机40%-50%，抽水机60%-80%）。 思考如何科学地比较机械的“好坏”。 理解效率的定义、公式和取值范围。 动手计算演示实验的效率，体会其物理意义。 了解实际机械的效率，形成初步的量感，认识到提高效率的巨大空间。 从“减少额外功”的普遍需求自然引出“效率”概念。通过计算和实例，深化对公式和意义的理解，知道η<1是客观规律，为后续实验探究埋下伏笔。 四、实验探究：测量滑轮组机械效率 (17分钟)（核心环节） 【实验】测量滑轮组的机械效率 1. 提出问题与设计： 提问10：如果要测量一个滑轮组（如教材图12.4-2）的机械效率，我们需要测量哪些物理量？原理是什么？ （引导得出：物重G、提升高度h → W有=Gh；拉力F、绳端移动距离s → W总=Fs； η=Gh/Fs） 提问11：实验中，为什么要匀速竖直向上拉动弹簧测力计？（保证示数稳定，等于拉力大小） 明确实验步骤（参照教材）。 2. 进行实验与收集证据： 巡视指导，重点关注：滑轮组安装、匀速拉动、正确读数（F、h、s）、数据记录。 3. 分析论证与交流评估： 提问12：你们组测得的机械效率是多少？改变钩码数量（增加物重）后，效率变化了吗？怎么变？ 提问13：对比不同小组的数据（有的用重动滑轮，有的用轻动滑轮），猜想一下，滑轮组的机械效率可能与哪些因素有关？ （引导归纳：物重(G)、动滑轮重、绳重与摩擦） 提问14：根据以上结论，如何提高滑轮组的机械效率？ 分组实验： 1. 测钩码重G。 2. 安装滑轮组，记下钩码和绳端的起始位置。 3. 匀速竖直拉动弹簧测力计，使钩码升高一定高度h，记录拉力F、绳端移动距离s。 4. 计算W有、W总、η，填入表格。 5. 增加钩码数量，重复实验。 分析数据： 计算并比较不同条件下的η。 小组讨论与汇报： 发现：物重越大，η越高；动滑轮越重，η越低。 推理得出提高效率的途径：增加物重、减轻动滑轮重、减小摩擦。 让学生亲历完整的探究过程，培养实验技能和数据处理能力，落实“科学探究”素养。通过对比分析，引导学生基于证据自己发现规律，理解影响机械效率的因素，突破另一个难点。将知识与实际应用（提高效率）紧密结合。 五、课堂小结，拓展意义 (5分钟) 1. 总结回顾： 提问15：今天我们建立了哪三个功的概念？机械效率的公式和意义是什么？使用机械能省功吗？影响滑轮组效率的因素有哪些？ 2. 升华主题（联系STS）： 提问16：提高机械效率，仅仅是为了让机器“更好用”吗？还有什么更深远的意义？ （结合知识库中“提高热机效率的意义”及教师用书相关内容，引导学生从节能（省资源）、减排（环保）、降低成本（经济）的角度思考，体会其对可持续发展的重要性。） 布置作业： 1. 教材P121“练习与应用”第2、3题。 2. 思考：为什么同一机械的效率不是固定不变的？  回顾并总结：有用功、额外功、总功；η=W有/W总，衡量性能；使用任何机械都不省功；效率与物重、动滑轮重等有关。 思考并讨论提高效率的社会意义和环境意义。 记录作业。 梳理本节课知识脉络，形成系统认知。将物理学习上升到社会责任层面，培养学生用物理眼光看待社会问题的意识，深刻理解“提高机械效率”的重大现实意义，全面落实“科学态度与责任”素养。  板书设计 第4节 机械效率 一、使用机械做功 1. 有用功 (W有)：机械对工作对象做的、达到工作目的的功。（例：动滑轮对钩码的拉力做的功 = Gh） 2. 额外功 (W额)：对人们无用但又不得不做的功。（来源：机械自重、摩擦、绳重等） 3. 总功 (W总)：动力对机械所做的总共的功。关系：W总 = W有 + W额 二、机械效率 (η) 1. 定义：有用功跟总功的比值。 2. 公式：η = W有 / W总 3. 特点：η < 1，无单位，常用百分数表示。 （因为使用任何机械都不能省功） 三、测量滑轮组的机械效率（实验） 原理：η = W有 / W总 = Gh / Fs 结论（影响因素）：物重(G)、动滑轮重、绳重与摩擦。 （同一滑轮组，物重↑ → η↑；动滑轮重↑ → η↓） 提高途径：改进结构、减轻自重、加强保养、增大有用功占比。 课内知识通关练 1、如图所示，物体重180N，动滑轮重10N，小明用100N的拉力（方向不变）将物体匀速提升2m，则此过程中有用功是 J，额外功是 J，总功是 J。 【答案】360，40，400。 【详解】滑轮组提升重物时所做的有用功W有＝Gh＝180N×2m＝360J 由图知有2段绳子拉着物体，拉力端移动距离s＝2h＝2×2m＝4m 拉力所做的总功W总＝Fs＝100N×4m＝400J 则额外功为W额外＝W总﹣W有＝400J﹣360J＝40J 2.如图是古人汲水的场景。井架上安装一个滑轮，绕过滑轮的绳索一端悬吊水桶，当人用力向下拉动另一端，即可让水桶上升。以下能提高滑轮汲水机械效率的是（    ） A．使用更粗的绳子 B．使用更重的滑轮 C．提高拉绳的速度 D．减小水桶的质量 【答案】D 【详解】A．使用更粗的绳子，提水过程中，克服绳子重力做的功增多，额外功增大，机械效率减小，故A不符合题意； B．图中滑轮为定滑轮，提水过程中，没有对滑轮做功，故增大滑轮的质量，无法改变滑轮提水的机械效率，故B不符合题意； C．机械效率与拉绳的速度无关，故C不符合题意； D．减小水桶的质量，提升水的高度不变时，做的有用功不变，额外功变小，此时机械效率变大，故D符合题意。 故选D。 3、如图所示的是某同学探究影响滑轮组机械效率因素的实验装置。在实验过程中，对于同一滑轮组，所提升的物体重力增大，机械效率将____________；提升相同重力的物体时，动滑轮的重力增大，其机械效率将____________。（均选填“增大”“减小”或“不变”，不计摩擦和绳重） 【答案】 增大 减小 【详解】[1][2]在实验过程中，对于同一滑轮组，摩擦和绳重不计，动滑轮重不变，额外功不变，增大提升的物重，增大了有用功，这样有用功占总功的比例变大，机械效率将增大。提升相同重力的物体时，有用功不变，动滑轮的重力增大，额外功增加，这样有用功占总功的比例变小，机械效率将减小。 4、关于功、功率、机械效率，下列说法中正确的是（　　） A．效率越高的机械，做的有用功越多 B．功率越大的机械，做功越快 C．做功越多的机械，功率越大 D．功率越大的机械，机械效率越高 【答案】B 【详解】A．机械效率是有用功占总功的比值，效率越高的机械，做的有用功不一定越多，故A错误； BC．功率指的是做功快慢，功率大，指的是做功快，做功多的机械，功率不一定大，故B正确，C错误； D．机械效率是有用功占总功的比值，而功率是做功快慢的物理量，两个物理量之间没有必然的联系，故D错误。 故选B。 5、如图所示，用甲、乙两装置提升钩码，使钩码以相同的速度匀速上升相同的高度。若不计绳重和摩擦，滑轮和钩码都相同，下列说法正确的是（　　） A．甲更省力 B．乙额外功更大 C．甲、乙拉力做功功率相等 D．甲机械效率更大 【答案】C 【详解】设钩码的总重力为，动滑轮的重力为，钩码匀速上升的高度为，钩码匀速上升的速度为。 A．甲装置是一个动滑轮，承担物重的绳子段数，不计绳重和摩擦，拉力；乙装置是由一个定滑轮和一个动滑轮组成的滑轮组，承担物重的绳子段数，不计绳重和摩擦，拉力。因为，所以，即乙更省力。故A错误； B．不计绳重和摩擦，额外功是克服动滑轮重力做的功，。因为两装置中动滑轮相同（相同），提升钩码的高度h也相同，所以两装置做的额外功相等。故B错误； C．拉力做的总功。因为、、h都相同，所以拉力做的总功相等。钩码以相同的速度v匀速上升相同的高度h，所用时间也相同。根据功率公式可知，甲、乙拉力做功的功率相等。故C正确； D．机械效率。因为、都相同，所以两装置的机械效率相等。故D错误。 故选C。 6、如图所示，小伟用平行于斜面、大小为200N的推力F将质量为30的物体推到1m高的台面处，已知斜面长2m，此过程中，推力F做的功是________J；斜面的机械效率是________。（g取10） 【答案】 400 75％ 【详解】[1]推力F做的功 [2]物体的重力 推力做的有用功 则斜面的机械效率 7、如图所示，固定的斜面的高h＝0.3m，沿斜面向上用的拉力把一个重为的物体从斜面底端匀速拉到顶端，斜面的效率为60%，物体与斜面间的摩擦力为________N。 【答案】4 【详解】根据题意可知，斜面做的有用功为 斜面做的总功为 斜面长为 斜面做的额外功为 物体与斜面间的摩擦力为 作业 同步作业：完成课后作业：“练习与应用” 自主安排：配套同步分层作业 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 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