“探究斜面機械效率”教學難點的突破

(北京市陳經綸中學,北京 100020)

“探究斜面機械效率”教學難點的突破

闞玉霞張婷玉

(北京市陳經綸中學,北京 100020)

“斜面的機械效率”是機械效率內容的延伸，與生活緊密結合，在學習過程中學生很難得出“斜面機械效率與物體所受重力無關”這一結論，即便學生通過實驗得出二者無關的直觀現象，依然未能突破這一難點，筆者從定量實驗和推導入手，一方面關注學生的主觀能動性，引導學生進行小組定量實驗，改進實驗操作，減小實驗誤差，讓學生直觀地得出結論；另一方面，運用物理知識進行理論推導，提升教學的思維難度，最后得出實驗結論，并對教學設計的亮點展開討論。

斜面機械效率；認知障礙；受力分析

“機械效率”一節是人教版教材第十二章第三節的內容，學習本節前學生已經學習了杠桿、滑輪，本節課的教學目標是要與生活實際緊密結合，將力學知識運用于實際生活中，不僅讓學生明白滑輪屬于杠桿，會計算滑輪的機械效率，還應該致力于增強學生認識社會的意識，明了生活中簡單機械多種多樣，如杠桿、滑輪、斜面等，并會計算生活中常見機械的機械效率。

斜面廣泛應用于生活、社會和科技，本節課的知識與我們的生活息息相關，有必要讓學生去探究、理解，并需要通過做實驗理解有用功、額外功、機械效率的物理意義，找出提高機械效率的方法。

1 教學重、難點分析

本節課前學生已學過滑輪組的機械效率，“斜面機械效率”也是機械效率一節課的延伸，然而通過前面知識的學習，有學生得出“滑輪組的機械效率與物體的重力有關”的結論，他們很難轉變思路，得出“斜面機械效率與物體所受重力無關”這一結論，即便學生通過實驗發現二者無關的直觀現象，依然沒有突破這一問題，筆者從定量實驗與推導兩個方面，展開教學。

2 定量實驗：探究斜面機械效率與物體所受重力關系

在前面的教學中，將木塊放在斜面上，用彈簧測力計拖動木塊，通過在木塊上疊放鉤碼改變物體的質量，通過觀察彈簧測力計的示數，獲得摩擦力的大小，再運用公式求解出有用功與總功，繼而計算出機械效率。

然而，如此設計實驗存在兩個問題：一方面學生不容易做到勻速拉動木塊；另一方面，木塊放在斜面上，通過改變放在木塊上鉤碼個數，來改變物體重力，這種做法穩定性差。并且物體對斜面的壓力越大，學生越不容易做到勻速直線運動。學生在實驗中由于測量摩擦力的誤差較大，幾次實驗結果中機械效率相差10%以上，導致學生完成實驗后對實驗數據不信服，而難以通過實驗得到“機械效率與物體所受重力無關”這一結論。若直接將結論拋給學生，學生們對這一結論半信半疑，只能停留在機械記憶狀態。

為了解決這個問題，減小實驗誤差，讓學生通過實驗探究得出結論，體驗到實驗成功的快樂。我們嘗試將木塊換成別的物體，并多次調節斜面的坡度與長度，進行實驗，最終發現用鉤碼盒代替木塊(如圖1)，塑料盒與木板的動摩擦因數適當，不僅使得塑料盒在木板上做勻速直線運動更加簡單易行，更使得物體在木板上的穩定性大大提高。

同時，不同木板的長度與傾斜角也會影響實驗的準確性，實驗如裝置圖2所示，斜面長50cm，斜面高10cm，實驗誤差會大大減小，大多數學生測得的三次機械效率的誤差在5%以下，有的組測出的誤差更小。

圖1

圖2

3 理論推導：通過正交分解，得出結論

針對通過實驗數據得出結論后，學生依舊存在半信半疑的狀態，此時教師可進行相關的理論推導，提高學生思維水平。學生們初中沒學過力的正交分解知識，因此老師很難從理論上讓學生徹底明白“斜面機械效率與物體重力無關”道理。因此，適當地向學生介紹高中物理的知識，進行初、高物理知識的銜接，老師用通俗的語言進行講解，使學生的感性認識加以提升，并認可這一結論。

教師向學生補充力的正交分解知識，如圖3所示，沿斜面建立X軸，以物體重心為原點垂直斜面建立Y軸。重力G可以分解成兩個力F1和F2，F2等于物體對斜面的壓力，根據三角函數可以得到：F2=Gcosθ，即當斜面角度不變時，重力增大到幾倍，壓力也增大到幾倍。此處重點不是讓學生聽懂力的正交分解知識，而是讓學生們大致領略到：重力的改變如何影響壓力的改變。

圖3

通過以上的講解，我們不難看出：同一斜面，重力增大到幾倍，壓力增大到幾倍，滑動摩擦力也增大到幾倍。公式中分子分母增大到相同的倍數，故而斜面的機械效率不變。學生通過上述講解，將物體重力的改變不影響斜面的機械效率這一結論上升到理論的高度，提升了學生的思維水平，培養了其學習物理的濃厚興趣。

4 教學總結

4.1 有效突破學生的認知障礙

奧蘇貝爾認為：學生是否習得新知識主要取決于他們認知結構中已有的觀念，而意義學習必須與學生認知結構中已有的觀念相互作用才能得以發生。因此，這就要求教師在授課之初，必須關注學生的已有認知水平，熟知學生在學習中的認知障礙，繼而設計教學流程，突破教學中的難點。

本節課前學生已學過滑輪組的機械效率，有學生認為“滑輪組的機械效率與物體的重力有關”。筆者首先通過實驗演示，讓學生直觀地觀察到“斜面機械效率與物體重力無關”，初步和學生已有認知發生沖突，接著筆者再向學生呈現其理論推導，從理性方面夯實相關知識的認知，循序漸進地突破學生的前概念，將“斜面的機械效率”這一知識內化，達成物理知識的意義學習。

4.2 關注學生實驗操作的自我效能感

物理學是一門以實驗為基礎的自然科學，一切理論都要接受實驗的檢驗，教師在教學中有意識地將演示實驗改為分組實驗。然而在實際操作過程中，學生根據演示實驗已經提供的實驗器材照搬操作?？此坪啙嵤r，實際上學生感覺是在復制前人的工作而感到索然無味。

實驗教學不僅要從視覺現象上給學生以直觀感受，還要使學生在親手操作中獲得觸覺與視覺的體驗。本實驗摒棄傳統“木塊上疊放鉤碼改變物體質量”的做法，用鉤碼盒代替木塊，并通過調節木板長度的傾斜角，使得實驗結果更加準確，學生進行實驗操作，采集、處理實驗數據，并從中發現規律。學生經歷了實驗探究過程，提高了實驗操作的自我效能感，把握了物理內涵。

4.3 感受物理理論之美

從初中到高中，物理知識呈螺旋式上升，系統性逐漸完備，學生面臨著更加深刻復雜的物理知識內涵。一方面，通常的物理教材編寫考慮到行文簡潔，往往對物理知識的發現過程呈現得并不完善，對于大量問題缺少定量推證的文字描述。

在本教學設計中，學生先親身經歷斜面機械效率的探究過程，獲得感性認識。在實驗評估環節中，老師指出誤差小于5%算是實驗成功，使學生體會到成功的喜悅。最后將其與高中物理知識相結合，通過通俗易懂的語言進行講解，使學生理解了力的分解這一思想，繼而從根本上真正地解決了學生的困惑，將完整的物理概念、原理及內涵呈現給學生，讓學生感受到物理理論之美。