如何突破“机械效率”的学习难点

如何突破“机械效率”的学习难点

鲍景华

如何突破“机械效率”的学习难点

鲍景华

摘要：本文就如何突破“机械效率”学习难点提出了一些见解，对教师教学、学生学习都有很大帮助。

关键词：机械效率；概念；难点

作者简介：鲍景华，任教于浙江省义乌市宾王中学。

提高机械效率是提高工作效率的一个重要方面。机械效率是《功和能》一章的教学难点，其原因体现在以下几个方面。第一，由于学生没有生活的经验，所以对从实际中概括出来的“总功”“有用功”“额外功”“机械效率”等概念感觉太抽象、不好理解，而且机械效率又是比较综合的知识。第二，学生往往把机械效率的高低与机械的是否省力错误地联系在一起，误认为越省力的机械其机械效率也越高。第三，横滑轮的使用以及竖滑轮从水中提升物体的“总功”、“有用功”的计算等问题，学生更是不清楚。如何突破“机械效率”的学习难点，是科学教学中的疑难问题。

一、借助实验引出概念，加深对概念的理解

在学习“机械效率”时，可以应用一组实验来完成机械效率的难点教学任务。

首先，通过对实验结果进行分析、对比和讨论，引出机械效率的概念。

其次，通过对实验数据的计算、分析，加深对概念的理解，认识机械效率的测定及计算方法。

最后，引导学生对实验结论进行对比和归纳，进一步澄清不同概念之间的模糊认识。

实验1如图1所示，直接用弹簧测力计把物体匀速提升0.2米，记下弹簧测力计的示数。在这个过程中，拉力只对重物做功。

实验2如图2所示，使用动滑轮把重物匀速提升0.2米。记下弹簧测力计的示数，以及绳子自由端移动的距离，并填在表1中。在此过程中拉力不仅要对重物做功，还要对动滑轮做功，同时还要克服各种摩擦力做功。通过比较可得出：使用动滑轮提升物体时，绳子自由端拉力所做的功，比直接用弹簧测力计提升物体所做的功多；因为绳端拉力所做的功还包括有使动滑轮上升的功以及克服摩擦所做的功。

在使用动滑轮提升重物时，动滑轮对物体所做的功是有用的、是必须做的，叫做有用功W有用。(W有用=TS物，其中T为动滑轮的钩子对实心物体的拉力)这个实验里，T=G物，所以W有用=TS物=G物=S物。

提升重物时，不可避免地要克服滑轮本身所受的重力、绳重、滑轮与轴的摩擦力所做的功，是不得不做的，是不可避免的，叫做额外功（W额外)。绳子自由端拉力所做的功叫做总功W总，(W总=F拉S绳)也可以用W总=W有用+W额外来计算。

有用功是总功的一部分。在使用不同机械做相同的有用功时，我们希望额外功越少越好，有用功与总功越接近越好。为了反映不同机械的这种差别，通常用有用功占总功的百分比来表示，当这个百分比越大，这个机械的性能就越好，在科学中用机械效率来表示。有用功与总功的比值叫做机械效率。

η=W有用/W总

机械效率没有单位，是个百分数。

根据实验2所测得的数据计算出有用功、总功、机械效率等。然后填入表1中。

表1

实验2

实验3

实验3用两个动滑轮和两个定滑轮组成的滑轮组，提升实验2所用的重物，测出此滑轮组的机械效率。再组织学生讨论：

问题1影响机械效率的因素有哪些?

问题2有人说越省力的机械，其机械效率越高，此话是否正确?为什么?根据你的实验数据进行分析。

二、引导学生进行归纳、总结

通过实验中一些直观现象用数据分析和比较，澄清了学生头脑中的一些模糊概念，但初中学生往往缺乏归纳、总结的能力。教师应在启发学生动手实验、动脑思维、动口讨论的同时，帮助学生把问题逐步引向深入，并进行归纳、概括，使之上升为理性认识。

机械效率是指有用功与总功的比值；而机械省力与否，是指使用机械时，所用动力与阻力的相对多少，它虽然与机械效率有关，但主要的是取决于机械结构。为了加深学生的理解，可继续做实验。

实验4将滑轮组提升重物的高度提升从0.2米改为0.1米，测出各物理量填人表2中，算出滑轮组的机械效率。

实验5将滑轮组提升的重物从2牛改为4牛，测出各物理量填入表2，并计算出机械效率。

表2

实验4

实验5

通过对实验2、3的数据分析得出：对于不同结构的滑轮组，在提升相同的重物时，机械效率一般不同，结构复杂的滑轮组一般其机械效率也较低。

通过对实验3、4的数据分析对比得出：同一滑轮组，提升同一重物时，机械效率与提升高度无关。说明机械效率是表示机械性能的量。

通过实验3、5数据分析对比得出：对于同一滑轮组，提升不同重物，其机械效率是不同的，提升的物沉重时机械效率高。因为

η=W有用/W总=W有用/W有用+W额外=1/1+（W额外/W有用）

可知，额外功一定时，做的有用功越多机械效率越高。

三、拓展提高，加深理解

问题1如图3，如果利用滑轮组从水中匀速提升实心物体，怎样计算W有用和W总以及η呢？根据前面介绍的有用功的定义（W有用=TS物），这里是从水中匀速提升实心物体，所以动滑轮的钩子对物体的拉力T应写为：

T=G物—F浮，

W有用=TS物=（G物—F浮）S物，

W总=F拉S绳，S绳=nS物，

η=W有用/W总=（G物—F浮）S物/F拉S绳=G物—F浮/nF拉。

问题2如图4，如果用横滑轮使物体在水平方向上做匀速直线运动，怎样计算W有用和W总以及η呢？

根据前面介绍的有用功的定义（W有用=TS物，其中T为动滑轮的钩子对物体的拉力），现在是使物体在水平方向上做匀速直线运动，所以动滑轮的钩子对物体的拉力T应为：T=f，W有用=TS物=fS物，W总=F拉S绳，

η=W有用/W总=fS物/F拉S绳=f/nF拉。

问题3如果竖直方向用滑轮组在空气中匀速提升物体，机械效率还可以怎样计算呢？不计摩擦和绳重机械效率怎样计算呢？学生思考后回答，教师在黑板上推出

方法一：η=W有用/W总=W有用/W有用+W额外

方法二：η=W有用/W总=G物/h物/F拉S绳=G物/nF拉

=G物/G物+G动=1/1+G动/G物（不计摩擦和绳重）。

η=W有用/W总

=G物/G物+G动=1/1+G动/G物（不计摩擦和绳重）。

这样拓展后学生遇到问题1，问题2涉及的题目时，不管题意如何，都始终用W有用=G物S物的同学明显减少了。遇到问题3所涉及的选择题时正确率会提高许多。

机械效率内容既是初中科学教学的重点内容，同时也是难点内容，因为它涉及的概念多、过程多、易混淆的知识多、可关联的知识多。立足实验、多方对比、适度拓展是解决这部分难点的有效方法。在讲授滑轮组机械效率部分时，利用具有引导性的问题引导学生沿着不同的方向多角度去思考、理解，从多方面寻找解决问题的答案，可以得到很好的教学效果。

总之，教学的难点针对不同的学生难度是不同的。一般来说知识的横向混乱、纵向逻辑层次较多的和实验难以实现等因素是物理知识难度增加的原因。采取对比认识、逐层易化、仿真模拟等方式可以很好地突破难点。

作者单位：浙江省义乌市宾王中学

邮政编码：322000

HowtoBreakthroughLearningDifficultiesof“MachineEfficiency”

BaoJinghua

Abstract:Thispaperputsforwardsomesuggestiononhowtobreakthroughlearningdifficultiesof“machineefficiency”,whichishelpfultoteachers’teachingandstudents’learning.

Keywords:machineefficiency;concepts;difficulties