初中物理教學中自制教具的設計與實踐

【教學內容】

課題：機械效率

年級：八年級下冊第十二章

課時：1課時（45分鐘）

【教學目標】

1.理解并掌握滑輪組中的有用功、額外功、總功以及機械效率的概念，能夠通過具體實例區分這些功的不同，并熟練運用機械效率的公式η＝■進行滑輪組機械效率的計算。

2.通過使用自制滑輪組教具進行“滑輪組機械效率”探究實驗，培養實驗設計、操作、數據記錄與分析的能力。學習如何根據實驗需求設計并組裝滑輪組，記錄并分析實驗數據，探討影響滑輪組機械效率的主要因素，并得出合理的結論，進一步加深對滑輪組機械效率的理解。

3.在滑輪組學習與實驗中，培養將理論知識應用于實際問題的能力，探討如何通過優化滑輪組設計提高機械效率。同時，在使用自制教具的過程中，培養創新思維，探索如何通過改進教具設計和實驗方法來提升學習效果和實驗結果的準確性。

【教學重難點】

教學重點：

1.滑輪組中有用功、額外功、總功及機械效率的理解與計算

本節課的一個重點是讓學生準確理解并掌握滑輪組中的有用功、額外功、總功的概念，以及機械效率的定義與計算方法。具體來說，學生需要通過實例區分這些功的不同，并正確使用公式η＝計算滑輪組的機械效率。滑輪組的機械效率是本章內容的核心之一，理解和掌握這一內容對后續學習具有重要的作用，因此在教學過程中需反復強調和鞏固。

2.滑輪組實驗的設計與實施

另一個教學重點是使用自制教具進行滑輪組機械效率的探究實驗。通過實驗，學生不僅需要掌握實驗步驟和操作技巧，還需要從實驗數據中總結出影響滑輪組機械效率的因素，理解這些因素的相互關系，并能夠在實際問題中應用。

教學難點：

1.影響滑輪組機械效率的因素分析

在滑輪組的實際應用中，機械效率受多種因素的影響，如滑輪的質量、摩擦力等。準確分析這些因素，并理解其對機械效率的影響，是本節課的難點之一。教師需要在實驗過程中通過數據的記錄和分析，引導學生發現并理解這些復雜的關系。

2.自制教具的應用與問題解決

在使用自制教具進行滑輪組實驗時，學生可能會遇到一些問題，如教具設計不夠精確或操作過程中數據誤差較大。如何在實驗中有效應用自制教具并解決這些問題，是本節課的另一個難點。這不僅考驗學生的動手操作能力，還要求他們具備一定的創新思維和解決問題的能力。

【教學方法】

1.演示實驗法

使用自制的滑輪組教具進行演示實驗，幫助學生直觀理解機械效率的概念及其計算方法。教師通過現場操作示范，讓學生觀察滑輪組的實際工作情況，清楚地理解有用功、額外功和總功之間的關系。

2.探究式學習法

教師采用探究式學習法，引導學生主動參與實驗設計與操作。學生分組合作，使用自制教具進行實驗，記錄實驗數據，分析影響機械效率的因素，并提出改進建議。

3.情境教學法

教師將教學內容與實際生活情境相結合，通過設置真實的物理應用情境，引導學生從生活現象出發，理解機械效率的應用與優化。

【教學資源】

1.自制滑輪組教具

為了增強學生對機械效率概念的理解，本課設計并制作了簡易滑輪組教具，包括單滑輪、雙滑輪和復合滑輪組，供學生靈活使用。通過這些教具，學生可以直觀地觀察和理解滑輪組的工作原理及其對機械效率的影響。

2.實驗器材

實驗過程中還需要使用標準物理實驗器材，如彈簧測力計、刻度尺、鐵架臺、細線和鉤碼等。這些器材將用于測量力和距離，以便計算有用功、總功和機械效率。確保每個學生小組都配備完整的實驗工具包，以保證實驗數據的精確性和規范性。

3.多媒體資源

課堂教學中，教師將利用多媒體展示滑輪組的動畫、視頻和圖示，幫助學生形象化理解物理概念。

4.互動學習平臺

為了促進課后學習和知識的延伸，教師引導學生使用在線互動學習平臺。通過平臺，學生可以訪問更多與機械效率相關的學習資源，參與在線討論，并完成課后作業與測驗。此外，平臺還將為學生提供實驗數據在線共享和分析工具，便于學生之間的學習交流和合作。

【教學過程】

一、生活實例導入：點燃求知欲的火花

教師：同學們，今天我們來討論一個生活中常見的問題。大家有沒有注意到，當我們提水的時候，直接用手提和用滑輪提水，會有什么不同？

學生A：用手提的時候好像更費力。

學生B：對啊，用滑輪提起來輕松多了。

教師：很好！那有沒有想過，為什么會這樣呢？滑輪真的能讓我們省力嗎？還是說，我們只是改變了用力的方向？

學生C：應該是滑輪讓我們省力了吧，不然為什么古時候人們修建房屋的時候都用滑輪呢？

教師：很好！我們再深入思考一下。如果滑輪真的讓我們省力了，那么它做的功跟我們直接用手提水相比，是不是也減少了呢？

學生D：不一定，畢竟水桶提上來都需要一樣高的距離。

教師：你們的思考非常有意思。這正是我們今天要探討的內容。提水的過程中，不論用手提還是用滑輪提，都是要做功的。但在使用滑輪時，我們會做一些額外的功，如對滑輪本身施加的力。這些額外的功就是今天我們要學習的“機械效率”的關鍵點。那么，問題來了：滑輪的使用真的有效率嗎？這個效率又是如何計算的呢？

學生E：那就是說，用滑輪可能會做更多的功，但我們感覺輕松一些？

教師：沒錯！我們今天就要通過實驗和計算，來看看滑輪的“效率”到底如何，能不能做到既省力又高效。準備好探究這個有趣的物理現象了嗎？

學生：準備好了！

教師：很好！接下來，我們將使用自制的滑輪組來進行實驗，看看它們在實際操作中如何工作。

（設計意圖：以提水這一生活中常見的情境為切入點，引導學生逐步進入機械效率的學習。教師通過設問與引導，激發了學生對效率問題的興趣，并巧妙地將學生的思考引向課題的核心概念“機械效率”。這種對話式的導入方式不僅能引起學生的共鳴，還能促使他們主動思考和提問，逐步深化對所學知識的理解。）

二、自制教具演示：直觀呈現機械效率

教師：剛才我們討論了使用滑輪提水的情況。接下來，我將演示使用自制滑輪組教具，幫助大家直觀理解機械效率。我們先來看單滑輪組，當我用彈簧測力計拉動10牛頓的重物時，力的讀數也是10牛頓。這意味著單滑輪組沒有省力，機械效率是100%。

（教師演示雙滑輪組）

教師：現在使用雙滑輪組，大家看到彈簧測力計的讀數是5牛頓，只需一半的力就能提起同樣重的物體。然而，由于拉動的繩子變長了，我們實際上做了更多的功，所以雙滑輪組的機械效率低于單滑輪組。通過這次演示，大家可以清楚地看到不同滑輪組的力、距離和效率之間的關系，并在接下來的實驗中進一步探討這些概念。

（設計意圖：這一環節通過自制滑輪組的演示，將機械效率的抽象概念直觀化。通過比較單滑輪組和雙滑輪組的實驗，學生能夠清晰理解力、距離與效率之間的關系。通過動手操作和引導性提問，學生主動思考，提升了對知識的掌握和應用能力，為后續探究奠定了基礎。）

三、探究實驗：動手揭開機械效率的奧秘

（一）實驗目的

教師通過實驗測量單滑輪組和雙滑輪組的機械效率，探究影響機械效率的因素，并總結提高機械效率的方法。

（二）實驗器材

自制單滑輪組和雙滑輪組各一套、彈簧測力計、鉤碼（不同重量）、刻度尺、鐵架臺、細線、實驗記錄表。

（三）實驗步驟

1.準備實驗器材

組裝好單滑輪組和雙滑輪組，確保滑輪固定牢固，彈簧測力計能夠自由懸掛并與滑輪組相連。鉤碼和滑輪組之間的連接使用細線，確保測量時能夠勻速拉動。

2.測量鉤碼重量

使用彈簧測力計測量并記錄鉤碼的重量G（單位：牛頓），這是實驗中有用功的核心數據。每組應至少測量三種不同重量的鉤碼，以比較不同負載下的機械效率。

3.單滑輪組實驗

（1）將鉤碼掛在單滑輪組的細線上，保持彈簧測力計豎直向上并勻速拉動細線，使鉤碼上升。

（2）記錄彈簧測力計的讀數F（單位：牛頓），這是拉動鉤碼所需的力。

（3）使用刻度尺測量鉤碼上升的高度h和彈簧測力計移動的距離s，記錄數據。

（4）計算單滑輪組的有用功W有＝G×h和W總＝F×s，并計算出機械效率η＝×100％。

4.雙滑輪組實驗

（1）將相同的鉤碼掛在雙滑輪組的細線上，使用彈簧測力計勻速拉動細線，使鉤碼上升。

（2）記錄彈簧測力計的讀數F，測量并記錄鉤碼的上升高度h和彈簧測力計的移動距離s。

（3）計算雙滑輪組的有用功W有＝G×h和W總=F×s，并計算出機械效率η＝×100％。

5.數據記錄與分析

將不同鉤碼重量下的單滑輪組和雙滑輪組實驗數據分別記錄在實驗記錄表中。對比分析單滑輪組與雙滑輪組在不同負載下的機械效率，找出影響機械效率的主要因素，如滑輪組的重量、摩擦力、負載大小等。

6.實驗結論

總結實驗結果，探討如何通過改變滑輪組設計或調整負載來提高機械效率。例如，實驗可能會顯示，隨著負載的增加，機械效率有所提升；或者顯示滑輪的重量增加會降低機械效率。將這些結論與實際生產生活中的滑輪組應用相結合，思考如何在實際中提升機械效率。

（設計意圖：通過本次實驗，學生可以直觀理解滑輪組的機械效率，并通過實驗數據分析找出影響機械效率的關鍵因素。這一探究過程不僅加深了學生對物理概念的理解，還培養了學生實驗設計和數據分析能力，為后續的物理學習奠定了堅實的基礎。）

四、深度討論：多角度剖析機械效率的精髓

教師：同學們，通過剛才的實驗，我們已經測量了單滑輪組和雙滑輪組的機械效率。現在，我想聽聽你們的想法。你們認為影響滑輪組機械效率的主要因素有哪些？

學生A：我覺得滑輪組的重量是一個很重要的因素。我們發現，雙滑輪組的效率比單滑輪組要低一些，因為它需要做更多的額外功。

教師：非常好，滑輪組的重量確實是一個關鍵因素。當我們增加滑輪的數量時，雖然省了力，但也增加了額外功，從而降低了機械效率。還有其他因素嗎？

學生B：我注意到摩擦力可能也有影響。我們在拉動滑輪的時候，如果摩擦力很大，彈簧測力計的讀數就會更高，這樣總功就增加了。

教師：沒錯，摩擦力是另一個重要的影響因素。摩擦力越大，我們需要施加的力就越大，從而增加了總功，降低了機械效率。這也是為什么在設計滑輪組時，要盡量減少摩擦力的影響。還有其他觀點嗎？

學生C：我覺得鉤碼的重量也很重要。我們發現，鉤碼越重，機械效率似乎就越高，尤其是在雙滑輪組中表現得更明顯。

教師：你觀察得很細致。鉤碼重量確實會影響機械效率。原因在于，當負載增加時，額外功的比例相對減少，所以機械效率會有所提升。這也是為什么在實際應用中，我們通常會選擇合適的負載來提升機械效率。

學生D：那是不是說，在實際應用中，我們需要在省力和效率之間做平衡？比如，在一些情況下，我們可能更需要省力，而在其他情況下，我們更需要高效率？

教師：你說得非常正確。在實際應用中，確實需要根據具體情況做出選擇。有時我們更注重省力，如在提重物的時候，而有時我們更注重效率，如在連續生產中。這就要求我們能夠靈活應用所學知識，根據不同需求選擇合適的機械裝置。

學生E：老師，那有沒有什么方法可以同時提高省力效果和機械效率呢？

教師：這是一個很好的問題。在現實中，我們確實可以通過優化設計來達到這兩個目標。如，使用高效、低摩擦的材料，設計更加合理的滑輪組結構，或者通過自動化控制來減小人力操作中的誤差。科技的進步促使我們可以通過更多的方法來提升機械效率，同時保證省力效果。

學生F：這讓我想到了一些現代機械設備，如建筑工地上的起重機，它們好像就是通過很復雜的滑輪組系統來實現高效和省力的。

教師：你觀察得很仔細。現代的起重設備確實應用了很多我們今天討論的原理，并通過先進的技術不斷提升機械效率。這也說明我們學習這些基本物理概念的重要性，因為它們是理解和設計復雜機械系統的基礎。希望你們在接下來的學習中，繼續保持這種探索精神，不斷發現和解決新問題。

（設計意圖：通過這次深度討論，教師引導學生從多個角度分析和剖析機械效率的影響因素，幫助學生更全面地理解這一概念。在討論過程中，學生不僅鞏固了實驗中的發現，還通過互相交流和思考，提升了分析問題和解決問題的能力。通過討論，教師鼓勵學生將課堂所學與實際應用結合起來，增強學習的實用性和趣味性。同時，討論中的問題設置引導學生主動思考科技進步如何影響機械效率，激發他們對物理學科的興趣。這一設計旨在通過多角度的剖析，幫助學生全面理解機械效率的精髓，并為后續學習奠定扎實的基礎。）

【教學反思】

在這節課中，通過自制教具、探究實驗和深度討論，我成功地將機械效率這一抽象概念具體化，激發了學生的學習興趣。學生通過實驗直觀理解了有用功、額外功和機械效率的關系，并積極參與討論和數據分析，表現出較強的探究精神。然而，實驗過程中存在測量誤差和時間分配不合理的問題，導致部分數據不夠準確。這讓我意識到，在未來教學中，需要增強實驗裝置的穩定性，并合理分配時間，確保每個環節的嚴謹性和有效性。整體而言，本節課強化了學生的物理概念理解，但也提醒我在教學設計上需不斷優化，注重細節，以提高教學質量和增加學生的實際收獲。

（作者單位：許昌市第二中學）

編輯：曾彥慧