机械效率测量装置的改进

机械效率测量装置的改进

蔡淑宽

厦门一中

摘要：测量机械效率的实验在初中物理力学知识学习中具有重要意义，是帮助学生理解机械效率的有效方法，但一直是教学的难点。通过改进其实验装置，可以有效降低教学难点，减少实验误差，提高教学效率。

关键词：机械效率测量实验 单刻度尺 双刻度尺

机械效率描述的是机械的一种工作性能，内涵丰富、外延宽泛，对于初中生来说抽象程度很高，是整个初中物理课程中难学、难懂的几个概念之一^[1]。部分老师通过探究机械效率的教学方法^[2,3]或对概念分析^[4]来降低难度，而笔者最常用的手法之一就是通过自制教具^[5]，或降低实验难度，或让实验现象更为明显。在机械效率的教学过程中，笔者发现学生容易把生活中的效率（做事的快慢、好坏）和机械效率混为一谈，这里的效率指的是有用功占总功的比重。因此机械效率的测量涉及到几个问题:一是实验需要机械装置——滑轮组；二是有用功和总功的测量问题。其中，有用功为重物钩码的重力与钩码上升高度的乘积，即 ；总功为拉力与绳子自由端移动距离的乘积，即 。因此只要测出钩码的重力 、钩码上升高度h、拉力F和绳子自由端移动的距离s就可以算出机械效率。让学生理解两个效率不同的同时，也可以了解生活中机械设备的使用可以更快更好的解决一些问题，但是并不能提高机械效率，以区分两者的概念。

然而，传统的实验装置却存在几个问题：操作难、误差大、实验时间长等。因此，笔者经过多年的教学观察、研究，拟通过实验装置改进，来降低学生操作复杂度，缩短实验时间以及提高实验数据准确度。

一、传统实验装置及其存在问题

1.传统实验装置

图1测量机械效率的传统的实验装置

传统的实验装置是在铁甲台上固定一把刻度尺，如图1。这种单刻度尺的形式，要求学生从一把刻度尺读出钩码上升的高度h和绳子自由端移动的距离s，同时拉力F由弹簧测力计直接读出，再根据 ，可以得出机械效率。

2.传统装置存在的问题

一是，要读出钩码上升的高度h和绳子自由端移动的距离s，那么就要在同一把刻度尺上标记4个位置h_末，h_初，s_末，s_初，分别是钩码下表面初始位置h_初，绳子自由端初始位置s_初，钩码下表面末了位置h_末，绳子自由端末了位置s_末。再根据数据求出h=h_末-h_初，s=s_末-s_初。这种方式需要在同一把刻度尺上标记四个位置，笔者在多年教学中发现经常有学生因记混记错，导致实验数据错误。

二是，刻度尺如果固定得靠近钩码，那绳子自由端移动的距离s的读数误差就会较大；反之，刻度尺如果更靠近绳子自由端，那么钩码上升的高度h的读数误差就会较大；如果固定在两者中间，那么两个读数都会有一定的误差。

三是，学生因为需要记录的数据多，需要处理的数据也多，导致实验操作和数据处理分析的时间都较长，影响教学进度。

二、实验装置改进方案

笔者从s和h的测量过程思考，h=h_末-h_初，s=s_末-s_初，如果h_初和s_初都为零，那么h和s都可以直接由刻度尺上的相对应的末了位置读出，大大减少了测量实验数据的工作量。基于此，笔者自制了如图2的实验装置，将单刻度尺改为双刻度尺。这个改进解决了一把刻度尺标记4个位置，学生容易混淆的问题。

同时，因为钩码和绳子自由端的初始位置高度并不统一。因此双刻度尺的“0”刻度线位置也设计为不一样高度。实验时，当钩码的下表面与左边刻度尺的零刻度线相平时，同时使绳子自由端的初始位置与右边刻度尺的零刻度线相平。那么，钩码上升的高度h和绳子自由端移动的距离s就可以直接从刻度尺上的末了位置读出，如图3所示。这样学生只需要直接读取两边刻度尺上的数据就可以了，左边为h，右边为s。双刻度使得钩码和绳子自由端数据的读取都能比较接近刻度线，增加了数据的准确度，减少了实验误差。同时数据量的减少不仅也可以降低实验误差，更节省了大量的实验数据记录和处理的时间。

图2 改进的实验装置 图3 改进的实验装置测量数据

三、新实验装置使用效果分析

笔者将改进后的实验器材应用到课堂教学中（图4），取得了不错的教学效果，具体反馈在以下几个方面。

图4 新装置在厦门一中实验教学现场

1.实验共分为12组，每组四名同学，与传统装置的教学过程相同。大部分学生在6分钟内完成实验操作，在4分钟内完成实验数据分析。整个实验过程比传统装置实验节约了6-7分钟。

2.12组学生的数据均为正确数据，未出现数据记录混淆错漏的现象。传统装置教学过程中几乎每个班级都有1到3组不等出现数据混淆错漏。

3.从大部分同学的实验数据结论分析，改进后的实验装置误差大约在1.2%；传统的装置误差大约在2.5%。两者相比，新装置的实验数据准确度有了显著的提高。

机械效率虽是学生学习中的一个难点，但是本文以平时教学中发现的学生易错原因为病理，对症下药，不断总结优化，有效的利用改进后的实验装置，帮助学生克服思维定势带来的负迁移，取得很好的教学效果。

参考文献

[1] 葛汉洪. 变易理论视域下的初中物理概念教学——以“机械效率”第１课时教学为例[J].物理教师，2019，40(2):44-47.

[2]王峥.《机械效率》教学设计[J].学校教育研究，2018，21:365-366.

[3]董军利，畅亚娟. 浅谈初中物理“机械效率”的有效教学方法[J].儿童大世界，2018，7:127-128.

[4] 陈茂青.浅谈对机械效率的理解[J]. 新教育时代电子杂志(学生版)，2019，15：39.

[5] 蔡淑宽，李志阳.中学物理教具的设计与制作[J]. 新课程，2016，30：114-115.