初中物理教学中自制教具的设计与实践

【教学内容】

课题：机械效率

年级：八年级下册第十二章

课时：1课时（45分钟）

【教学目标】

1.理解并掌握滑轮组中的有用功、额外功、总功以及机械效率的概念，能够通过具体实例区分这些功的不同，并熟练运用机械效率的公式η＝■进行滑轮组机械效率的计算。

2.通过使用自制滑轮组教具进行“滑轮组机械效率”探究实验，培养实验设计、操作、数据记录与分析的能力。学习如何根据实验需求设计并组装滑轮组，记录并分析实验数据，探讨影响滑轮组机械效率的主要因素，并得出合理的结论，进一步加深对滑轮组机械效率的理解。

3.在滑轮组学习与实验中，培养将理论知识应用于实际问题的能力，探讨如何通过优化滑轮组设计提高机械效率。同时，在使用自制教具的过程中，培养创新思维，探索如何通过改进教具设计和实验方法来提升学习效果和实验结果的准确性。

【教学重难点】

教学重点：

1.滑轮组中有用功、额外功、总功及机械效率的理解与计算

本节课的一个重点是让学生准确理解并掌握滑轮组中的有用功、额外功、总功的概念，以及机械效率的定义与计算方法。具体来说，学生需要通过实例区分这些功的不同，并正确使用公式η＝计算滑轮组的机械效率。滑轮组的机械效率是本章内容的核心之一，理解和掌握这一内容对后续学习具有重要的作用，因此在教学过程中需反复强调和巩固。

2.滑轮组实验的设计与实施

另一个教学重点是使用自制教具进行滑轮组机械效率的探究实验。通过实验，学生不仅需要掌握实验步骤和操作技巧，还需要从实验数据中总结出影响滑轮组机械效率的因素，理解这些因素的相互关系，并能够在实际问题中应用。

教学难点：

1.影响滑轮组机械效率的因素分析

在滑轮组的实际应用中，机械效率受多种因素的影响，如滑轮的质量、摩擦力等。准确分析这些因素，并理解其对机械效率的影响，是本节课的难点之一。教师需要在实验过程中通过数据的记录和分析，引导学生发现并理解这些复杂的关系。

2.自制教具的应用与问题解决

在使用自制教具进行滑轮组实验时，学生可能会遇到一些问题，如教具设计不够精确或操作过程中数据误差较大。如何在实验中有效应用自制教具并解决这些问题，是本节课的另一个难点。这不仅考验学生的动手操作能力，还要求他们具备一定的创新思维和解决问题的能力。

【教学方法】

1.演示实验法

使用自制的滑轮组教具进行演示实验，帮助学生直观理解机械效率的概念及其计算方法。教师通过现场操作示范，让学生观察滑轮组的实际工作情况，清楚地理解有用功、额外功和总功之间的关系。

2.探究式学习法

教师采用探究式学习法，引导学生主动参与实验设计与操作。学生分组合作，使用自制教具进行实验，记录实验数据，分析影响机械效率的因素，并提出改进建议。

3.情境教学法

教师将教学内容与实际生活情境相结合，通过设置真实的物理应用情境，引导学生从生活现象出发，理解机械效率的应用与优化。

【教学资源】

1.自制滑轮组教具

为了增强学生对机械效率概念的理解，本课设计并制作了简易滑轮组教具，包括单滑轮、双滑轮和复合滑轮组，供学生灵活使用。通过这些教具，学生可以直观地观察和理解滑轮组的工作原理及其对机械效率的影响。

2.实验器材

实验过程中还需要使用标准物理实验器材，如弹簧测力计、刻度尺、铁架台、细线和钩码等。这些器材将用于测量力和距离，以便计算有用功、总功和机械效率。确保每个学生小组都配备完整的实验工具包，以保证实验数据的精确性和规范性。

3.多媒体资源

课堂教学中，教师将利用多媒体展示滑轮组的动画、视频和图示，帮助学生形象化理解物理概念。

4.互动学习平台

为了促进课后学习和知识的延伸，教师引导学生使用在线互动学习平台。通过平台，学生可以访问更多与机械效率相关的学习资源，参与在线讨论，并完成课后作业与测验。此外，平台还将为学生提供实验数据在线共享和分析工具，便于学生之间的学习交流和合作。

【教学过程】

一、生活实例导入：点燃求知欲的火花

教师：同学们，今天我们来讨论一个生活中常见的问题。大家有没有注意到，当我们提水的时候，直接用手提和用滑轮提水，会有什么不同？

学生A：用手提的时候好像更费力。

学生B：对啊，用滑轮提起来轻松多了。

教师：很好！那有没有想过，为什么会这样呢？滑轮真的能让我们省力吗？还是说，我们只是改变了用力的方向？

学生C：应该是滑轮让我们省力了吧，不然为什么古时候人们修建房屋的时候都用滑轮呢？

教师：很好！我们再深入思考一下。如果滑轮真的让我们省力了，那么它做的功跟我们直接用手提水相比，是不是也减少了呢？

学生D：不一定，毕竟水桶提上来都需要一样高的距离。

教师：你们的思考非常有意思。这正是我们今天要探讨的内容。提水的过程中，不论用手提还是用滑轮提，都是要做功的。但在使用滑轮时，我们会做一些额外的功，如对滑轮本身施加的力。这些额外的功就是今天我们要学习的“机械效率”的关键点。那么，问题来了：滑轮的使用真的有效率吗？这个效率又是如何计算的呢？

学生E：那就是说，用滑轮可能会做更多的功，但我们感觉轻松一些？

教师：没错！我们今天就要通过实验和计算，来看看滑轮的“效率”到底如何，能不能做到既省力又高效。准备好探究这个有趣的物理现象了吗？

学生：准备好了！

教师：很好！接下来，我们将使用自制的滑轮组来进行实验，看看它们在实际操作中如何工作。

（设计意图：以提水这一生活中常见的情境为切入点，引导学生逐步进入机械效率的学习。教师通过设问与引导，激发了学生对效率问题的兴趣，并巧妙地将学生的思考引向课题的核心概念“机械效率”。这种对话式的导入方式不仅能引起学生的共鸣，还能促使他们主动思考和提问，逐步深化对所学知识的理解。）

二、自制教具演示：直观呈现机械效率

教师：刚才我们讨论了使用滑轮提水的情况。接下来，我将演示使用自制滑轮组教具，帮助大家直观理解机械效率。我们先来看单滑轮组，当我用弹簧测力计拉动10牛顿的重物时，力的读数也是10牛顿。这意味着单滑轮组没有省力，机械效率是100%。

（教师演示双滑轮组）

教师：现在使用双滑轮组，大家看到弹簧测力计的读数是5牛顿，只需一半的力就能提起同样重的物体。然而，由于拉动的绳子变长了，我们实际上做了更多的功，所以双滑轮组的机械效率低于单滑轮组。通过这次演示，大家可以清楚地看到不同滑轮组的力、距离和效率之间的关系，并在接下来的实验中进一步探讨这些概念。

（设计意图：这一环节通过自制滑轮组的演示，将机械效率的抽象概念直观化。通过比较单滑轮组和双滑轮组的实验，学生能够清晰理解力、距离与效率之间的关系。通过动手操作和引导性提问，学生主动思考，提升了对知识的掌握和应用能力，为后续探究奠定了基础。）

三、探究实验：动手揭开机械效率的奥秘

（一）实验目的

教师通过实验测量单滑轮组和双滑轮组的机械效率，探究影响机械效率的因素，并总结提高机械效率的方法。

（二）实验器材

自制单滑轮组和双滑轮组各一套、弹簧测力计、钩码（不同重量）、刻度尺、铁架台、细线、实验记录表。

（三）实验步骤

1.准备实验器材

组装好单滑轮组和双滑轮组，确保滑轮固定牢固，弹簧测力计能够自由悬挂并与滑轮组相连。钩码和滑轮组之间的连接使用细线，确保测量时能够匀速拉动。

2.测量钩码重量

使用弹簧测力计测量并记录钩码的重量G（单位：牛顿），这是实验中有用功的核心数据。每组应至少测量三种不同重量的钩码，以比较不同负载下的机械效率。

3.单滑轮组实验

（1）将钩码挂在单滑轮组的细线上，保持弹簧测力计竖直向上并匀速拉动细线，使钩码上升。

（2）记录弹簧测力计的读数F（单位：牛顿），这是拉动钩码所需的力。

（3）使用刻度尺测量钩码上升的高度h和弹簧测力计移动的距离s，记录数据。

（4）计算单滑轮组的有用功W有＝G×h和W总＝F×s，并计算出机械效率η＝×100％。

4.双滑轮组实验

（1）将相同的钩码挂在双滑轮组的细线上，使用弹簧测力计匀速拉动细线，使钩码上升。

（2）记录弹簧测力计的读数F，测量并记录钩码的上升高度h和弹簧测力计的移动距离s。

（3）计算双滑轮组的有用功W有＝G×h和W总=F×s，并计算出机械效率η＝×100％。

5.数据记录与分析

将不同钩码重量下的单滑轮组和双滑轮组实验数据分别记录在实验记录表中。对比分析单滑轮组与双滑轮组在不同负载下的机械效率，找出影响机械效率的主要因素，如滑轮组的重量、摩擦力、负载大小等。

6.实验结论

总结实验结果，探讨如何通过改变滑轮组设计或调整负载来提高机械效率。例如，实验可能会显示，随着负载的增加，机械效率有所提升；或者显示滑轮的重量增加会降低机械效率。将这些结论与实际生产生活中的滑轮组应用相结合，思考如何在实际中提升机械效率。

（设计意图：通过本次实验，学生可以直观理解滑轮组的机械效率，并通过实验数据分析找出影响机械效率的关键因素。这一探究过程不仅加深了学生对物理概念的理解，还培养了学生实验设计和数据分析能力，为后续的物理学习奠定了坚实的基础。）

四、深度讨论：多角度剖析机械效率的精髓

教师：同学们，通过刚才的实验，我们已经测量了单滑轮组和双滑轮组的机械效率。现在，我想听听你们的想法。你们认为影响滑轮组机械效率的主要因素有哪些？

学生A：我觉得滑轮组的重量是一个很重要的因素。我们发现，双滑轮组的效率比单滑轮组要低一些，因为它需要做更多的额外功。

教师：非常好，滑轮组的重量确实是一个关键因素。当我们增加滑轮的数量时，虽然省了力，但也增加了额外功，从而降低了机械效率。还有其他因素吗？

学生B：我注意到摩擦力可能也有影响。我们在拉动滑轮的时候，如果摩擦力很大，弹簧测力计的读数就会更高，这样总功就增加了。

教师：没错，摩擦力是另一个重要的影响因素。摩擦力越大，我们需要施加的力就越大，从而增加了总功，降低了机械效率。这也是为什么在设计滑轮组时，要尽量减少摩擦力的影响。还有其他观点吗？

学生C：我觉得钩码的重量也很重要。我们发现，钩码越重，机械效率似乎就越高，尤其是在双滑轮组中表现得更明显。

教师：你观察得很细致。钩码重量确实会影响机械效率。原因在于，当负载增加时，额外功的比例相对减少，所以机械效率会有所提升。这也是为什么在实际应用中，我们通常会选择合适的负载来提升机械效率。

学生D：那是不是说，在实际应用中，我们需要在省力和效率之间做平衡？比如，在一些情况下，我们可能更需要省力，而在其他情况下，我们更需要高效率？

教师：你说得非常正确。在实际应用中，确实需要根据具体情况做出选择。有时我们更注重省力，如在提重物的时候，而有时我们更注重效率，如在连续生产中。这就要求我们能够灵活应用所学知识，根据不同需求选择合适的机械装置。

学生E：老师，那有没有什么方法可以同时提高省力效果和机械效率呢？

教师：这是一个很好的问题。在现实中，我们确实可以通过优化设计来达到这两个目标。如，使用高效、低摩擦的材料，设计更加合理的滑轮组结构，或者通过自动化控制来减小人力操作中的误差。科技的进步促使我们可以通过更多的方法来提升机械效率，同时保证省力效果。

学生F：这让我想到了一些现代机械设备，如建筑工地上的起重机，它们好像就是通过很复杂的滑轮组系统来实现高效和省力的。

教师：你观察得很仔细。现代的起重设备确实应用了很多我们今天讨论的原理，并通过先进的技术不断提升机械效率。这也说明我们学习这些基本物理概念的重要性，因为它们是理解和设计复杂机械系统的基础。希望你们在接下来的学习中，继续保持这种探索精神，不断发现和解决新问题。

（设计意图：通过这次深度讨论，教师引导学生从多个角度分析和剖析机械效率的影响因素，帮助学生更全面地理解这一概念。在讨论过程中，学生不仅巩固了实验中的发现，还通过互相交流和思考，提升了分析问题和解决问题的能力。通过讨论，教师鼓励学生将课堂所学与实际应用结合起来，增强学习的实用性和趣味性。同时，讨论中的问题设置引导学生主动思考科技进步如何影响机械效率，激发他们对物理学科的兴趣。这一设计旨在通过多角度的剖析，帮助学生全面理解机械效率的精髓，并为后续学习奠定扎实的基础。）

【教学反思】

在这节课中，通过自制教具、探究实验和深度讨论，我成功地将机械效率这一抽象概念具体化，激发了学生的学习兴趣。学生通过实验直观理解了有用功、额外功和机械效率的关系，并积极参与讨论和数据分析，表现出较强的探究精神。然而，实验过程中存在测量误差和时间分配不合理的问题，导致部分数据不够准确。这让我意识到，在未来教学中，需要增强实验装置的稳定性，并合理分配时间，确保每个环节的严谨性和有效性。整体而言，本节课强化了学生的物理概念理解，但也提醒我在教学设计上需不断优化，注重细节，以提高教学质量和增加学生的实际收获。

（作者单位：许昌市第二中学）

编辑：曾彦慧