“探究斜面机械效率”教学难点的突破

(北京市陈经纶中学,北京 100020)

“探究斜面机械效率”教学难点的突破

阚玉霞张婷玉

(北京市陈经纶中学,北京 100020)

“斜面的机械效率”是机械效率内容的延伸，与生活紧密结合，在学习过程中学生很难得出“斜面机械效率与物体所受重力无关”这一结论，即便学生通过实验得出二者无关的直观现象，依然未能突破这一难点，笔者从定量实验和推导入手，一方面关注学生的主观能动性，引导学生进行小组定量实验，改进实验操作，减小实验误差，让学生直观地得出结论；另一方面，运用物理知识进行理论推导，提升教学的思维难度，最后得出实验结论，并对教学设计的亮点展开讨论。

斜面机械效率；认知障碍；受力分析

“机械效率”一节是人教版教材第十二章第三节的内容，学习本节前学生已经学习了杠杆、滑轮，本节课的教学目标是要与生活实际紧密结合，将力学知识运用于实际生活中，不仅让学生明白滑轮属于杠杆，会计算滑轮的机械效率，还应该致力于增强学生认识社会的意识，明了生活中简单机械多种多样，如杠杆、滑轮、斜面等，并会计算生活中常见机械的机械效率。

斜面广泛应用于生活、社会和科技，本节课的知识与我们的生活息息相关，有必要让学生去探究、理解，并需要通过做实验理解有用功、额外功、机械效率的物理意义，找出提高机械效率的方法。

1 教学重、难点分析

本节课前学生已学过滑轮组的机械效率，“斜面机械效率”也是机械效率一节课的延伸，然而通过前面知识的学习，有学生得出“滑轮组的机械效率与物体的重力有关”的结论，他们很难转变思路，得出“斜面机械效率与物体所受重力无关”这一结论，即便学生通过实验发现二者无关的直观现象，依然没有突破这一问题，笔者从定量实验与推导两个方面，展开教学。

2 定量实验：探究斜面机械效率与物体所受重力关系

在前面的教学中，将木块放在斜面上，用弹簧测力计拖动木块，通过在木块上叠放钩码改变物体的质量，通过观察弹簧测力计的示数，获得摩擦力的大小，再运用公式求解出有用功与总功，继而计算出机械效率。

然而，如此设计实验存在两个问题：一方面学生不容易做到匀速拉动木块；另一方面，木块放在斜面上，通过改变放在木块上钩码个数，来改变物体重力，这种做法稳定性差。并且物体对斜面的压力越大，学生越不容易做到匀速直线运动。学生在实验中由于测量摩擦力的误差较大，几次实验结果中机械效率相差10%以上，导致学生完成实验后对实验数据不信服，而难以通过实验得到“机械效率与物体所受重力无关”这一结论。若直接将结论抛给学生，学生们对这一结论半信半疑，只能停留在机械记忆状态。

为了解决这个问题，减小实验误差，让学生通过实验探究得出结论，体验到实验成功的快乐。我们尝试将木块换成别的物体，并多次调节斜面的坡度与长度，进行实验，最终发现用钩码盒代替木块(如图1)，塑料盒与木板的动摩擦因数适当，不仅使得塑料盒在木板上做匀速直线运动更加简单易行，更使得物体在木板上的稳定性大大提高。

同时，不同木板的长度与倾斜角也会影响实验的准确性，实验如装置图2所示，斜面长50cm，斜面高10cm，实验误差会大大减小，大多数学生测得的三次机械效率的误差在5%以下，有的组测出的误差更小。

图1

图2

3 理论推导：通过正交分解，得出结论

针对通过实验数据得出结论后，学生依旧存在半信半疑的状态，此时教师可进行相关的理论推导，提高学生思维水平。学生们初中没学过力的正交分解知识，因此老师很难从理论上让学生彻底明白“斜面机械效率与物体重力无关”道理。因此，适当地向学生介绍高中物理的知识，进行初、高物理知识的衔接，老师用通俗的语言进行讲解，使学生的感性认识加以提升，并认可这一结论。

教师向学生补充力的正交分解知识，如图3所示，沿斜面建立X轴，以物体重心为原点垂直斜面建立Y轴。重力G可以分解成两个力F1和F2，F2等于物体对斜面的压力，根据三角函数可以得到：F2=Gcosθ，即当斜面角度不变时，重力增大到几倍，压力也增大到几倍。此处重点不是让学生听懂力的正交分解知识，而是让学生们大致领略到：重力的改变如何影响压力的改变。

图3

通过以上的讲解，我们不难看出：同一斜面，重力增大到几倍，压力增大到几倍，滑动摩擦力也增大到几倍。公式中分子分母增大到相同的倍数，故而斜面的机械效率不变。学生通过上述讲解，将物体重力的改变不影响斜面的机械效率这一结论上升到理论的高度，提升了学生的思维水平，培养了其学习物理的浓厚兴趣。

4 教学总结

4.1 有效突破学生的认知障碍

奥苏贝尔认为：学生是否习得新知识主要取决于他们认知结构中已有的观念，而意义学习必须与学生认知结构中已有的观念相互作用才能得以发生。因此，这就要求教师在授课之初，必须关注学生的已有认知水平，熟知学生在学习中的认知障碍，继而设计教学流程，突破教学中的难点。

本节课前学生已学过滑轮组的机械效率，有学生认为“滑轮组的机械效率与物体的重力有关”。笔者首先通过实验演示，让学生直观地观察到“斜面机械效率与物体重力无关”，初步和学生已有认知发生冲突，接着笔者再向学生呈现其理论推导，从理性方面夯实相关知识的认知，循序渐进地突破学生的前概念，将“斜面的机械效率”这一知识内化，达成物理知识的意义学习。

4.2 关注学生实验操作的自我效能感

物理学是一门以实验为基础的自然科学，一切理论都要接受实验的检验，教师在教学中有意识地将演示实验改为分组实验。然而在实际操作过程中，学生根据演示实验已经提供的实验器材照搬操作。看似简洁省时，实际上学生感觉是在复制前人的工作而感到索然无味。

实验教学不仅要从视觉现象上给学生以直观感受，还要使学生在亲手操作中获得触觉与视觉的体验。本实验摒弃传统“木块上叠放钩码改变物体质量”的做法，用钩码盒代替木块，并通过调节木板长度的倾斜角，使得实验结果更加准确，学生进行实验操作，采集、处理实验数据，并从中发现规律。学生经历了实验探究过程，提高了实验操作的自我效能感，把握了物理内涵。

4.3 感受物理理论之美

从初中到高中，物理知识呈螺旋式上升，系统性逐渐完备，学生面临着更加深刻复杂的物理知识内涵。一方面，通常的物理教材编写考虑到行文简洁，往往对物理知识的发现过程呈现得并不完善，对于大量问题缺少定量推证的文字描述。

在本教学设计中，学生先亲身经历斜面机械效率的探究过程，获得感性认识。在实验评估环节中，老师指出误差小于5%算是实验成功，使学生体会到成功的喜悦。最后将其与高中物理知识相结合，通过通俗易懂的语言进行讲解，使学生理解了力的分解这一思想，继而从根本上真正地解决了学生的困惑，将完整的物理概念、原理及内涵呈现给学生，让学生感受到物理理论之美。