1.4 人与机械 教案

第4节　人与机械
教案
本节主要讲述了功率与机械，以及机械的使用两个方面的内容.前面已经学习了机械功和功率的基本概念以及机械功的原理，而我们引入这些物理概念的目的就在于研究机械做功的问题.谈到机械做功就不得不谈到机械效率的问题，所以这节课应更多地和生活相联系.
机械的使用就是为了代替人力做功，所以我们要认真了解和认识我们身边的机械.
初学“机械效率”，往往对这些概念陌生难懂，思维不通、前后矛盾，甚至与学过的功率相混淆.通过分析阐述，帮助学生理解机械效率的物理含义，认识机械效率的高低是反映机械性能优劣的重要指标之一.通过剖析额外功产生的原因，从而了解提高机械效率的办法，突破掌握这一概念的难点.
三维目标
一、知识与技能
1.巩固机械功的原理；
2.能熟练计算机械效率，并知道其代表的物理意义；
3.理解功率和机械效率是从不同方面反映机械性能的两个物理量，它们之间无必然的联系；
4.了解现代机械的发展水平.
二、过程与方法
初中旧知识的扩展、迁移.通过举例和分析来解决重点，突破难点.理解功率与机械效率的不同物理意义.
三、情感态度与价值观
1.通过对机械效率的学习，领悟到不论什么情况下提高机械效率都是十分重要的，它不仅有很高的经济价值，还能提高人们的效率意识，而讲究效率正是现代人必须具备的基本素质之一.
2.树立崇高的理想，大胆地发明、创造，以不断改造人类自己的生存条件，最终达到人与自然的和谐发展.
教学重点1.能熟练计算机械效率，并知道其代表的物理意义；
2.理解功率和机械效率是从不同方面反映机械性能的两个物理量，它们之间无必然的联系.
教学难点
1.理解功率和机械效率是从不同方面反映机械性能的两个物理量，它们之间无必然的联系;
2.辩证认识智能化机械使用的利与弊.
教具准备
投影仪、投影片、视频资料、自行车、小型机器人模型等简单机械.
课时安排
1课时
教学过程
导入新课
教师提问：前面我们已经学习了功率的概念，请同学们回顾一下引入功率这一概念的物理意义是什么？
学生回答：功率是描述机械做功快慢的一个物理量.功率大就意味着单位时间内做的功多.
教师提问：那机械是不是可以随意地增大自己的功率呢？
学生回答：是不可以的.任何机械都有一个最大的输出功率，即额定功率.
推进新课
一、功率与机械效率
通过上面的分析我们知道了功率的大小是衡量一个机械做功能力的重要物理量.
功率越大说明该机械单位时间内做的功就越多.那是不是功率越大的机械就越好呢？
【方法引导】
大家不妨想想这样一个我们熟悉的例子：是不是学习时间越长的同学，学习成绩就越好呢？事实是不一定的，那为什么呢？除了要有时间保证，还要有科学的学习方法，有较高的学习效率才可以.这是大家容易理解的.那机械做功有没有一个效率问题呢？
教师活动：初中我们已经学习过了机械效率的概念，下面就请大家阅读教材的内容，回忆并总结一下吧！
学生活动：阅读思考，整理，归纳，得出结论.
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【教师精讲】
如何理解“机械效率”呢 我们不妨先通过几个实例来研究有用功的含义.例如利用滑轮组在竖直方向提高重物，利用滑轮组在水平方向匀速移动物体，或在斜面上用滑轮组移动重物.在这些事例中，我们把重物提高到一定的高度，或在水平、斜面上使重物移动一定的距离.这就是我们使用这简单机械的目的，这个目的的实现，对我们使用这种机械是有利用价值的，因为要在实现目的过程中，克服重物的重力或克服物体所受阻力做的功，这才是对人们有用的，即做了有用功(W有＝G物h或W有＝F阻s).
接下来我们再来研究什么是总功、额外功.
人们利用机械做功时，作用在机械上的动力对机械做的功就是总功，即W总＝F动s.总功包括有用功和额外功.总功中除了有用功部分，就是额外功，就是人们在做功过程中，为了要实现目的，必须做不得不做的额外部分的功，叫做额外功.额外功具体指什么呢 就是机械运作过程中，克服自身的重力、摩擦力等所做的功.更加明确地指出，在上述的例子中的额外功是指滑轮组克服滑轮与其转轴之间的摩擦力做功、提升重物过程中克服动滑轮及绳子的重力做功等部分.
教师提问：通过上面的分析，大家思考一下机械效率是不是总小于1啊？
学生回答：是的，因为W有总是要小于W总.
那引入机械效率这个物理量的物理意义是什么呢？和功率又有什么区别呢？请同学们阅读教材P18~P19.
【教师精讲】
机械效率是表示机械做功或利用该机械实现能量转化的有效程度的物理量.很显然机械效率越高，有用功所占的比值就越多，额外功所占的比值就越少.同学们能不能找到生活中提高机械效率的例子呢？
学生活动：列举例子，并归类总结.
【例题剖析】
1.要想提高滑轮组的机械效率，可以采用哪些办法？
方法引导：这里的总功、有用功、额外功中哪些功是一点都不能“省”的 哪些功是可以想办法“省”掉一些的 虽然有用功是不能省的，而总功、额外功是可以省掉一些的，这与前面讲的“使用任何机械都不能省功”是否矛盾 我们说不矛盾.因为W总＝W有＋W额始终是一个等式.即动力对机械做的功，等于机械克服所有阻力所做的功(功的原理).那么要“省”额外功应从哪些方面着手呢 一是减轻机械自重；二是减小摩擦.
2.下列说法正确的是（　　）
Ａ.功率越大的机械，机械效率一定越高
Ｂ.做有用功越多的机械，机械效率一定越高
Ｃ.越省力的机械，机械效率一定越高
Ｄ.有用功一定，额外功越小的机械，机械效率一定越高
师生分析：1.机械效率和功率都是反映机械性能的物理量，但它们是完全不同的概念.功率反映的是做功的快慢，而机械效率反映的是有用功与总功的比值，因为它们之间没有必然的联系，所以选项A是错误的.2.机械效率与机械是否省力不同，机械是否省力，是指动力和阻力相比较而言，当动力比阻力小就省力，它与机械效率之间同样没有必然的联系，因而选项C也是错误的.3.根据机械效率η＝W有／W总可知，η是由W有和W总两个因素决定的.当总功一定时，有用功越大，有用功在总功中所占的比例越大，机械效率就越高；W有用一定，W总越小，机械效率也就越高.而选项B中仅叙述了一个因素变化，没有提到W有／W总比值的大小，故选项B也是错误的.4.因为W总＝W有＋W额，所以η＝W有／（W有＋W额），有用功一定，额外功越小，机械效率越高,或者额外功一定，有用功越多，显然机械效率越高.因此，选项D是正确答案.
由上面的分析我们可知，功率和机械效率是两个从不同方面反映机械性能的两个物理量，它们之间没有必然的联系.功率大表示机械做功快；机械效率高，表示机械对总能量的利用率高.功率大的机械不一定效率高.
我们要认识到不论在什么情况下，提高机械效率都具有十分重要的意义，它不仅有很高的经济价值，还能够增强人们的效率意识.而讲究效率正是现代人必须具有的基本素质之一.
二、机械的使用
教师提问：我们在生活中无处不在使用着机械，可以说人类已经很难离开机械了.那人类使用机械的目的是什么呢？
学生回答：可以代替人力做功，甚至完成超越人力的工作.正因为机械的存在使人们的工作变得更轻松更有效率了.
【活动与探究】
将学生分成若干小组，每组找一个熟悉的机械为研究对象，交流总结所研究的机械使用的妙处.最后每组选一个代表总结小组研究的成果.
教师活动：播放视频介绍现代机械的发展.播放结束后总结：毫无疑问智能化机械的使用给人类带来了很多的便利.但如果不能合理地利用这些成就，也同样会给人类带来危害.
【知识拓展】
你能想象吗？在医院的手术台前，机器人在为病人做开颅手术；在远离地球的月球表面，机器人在代替人类采集月球标本；在未来的战场上，可能有一种体积宛如昆虫的武器，竟能使一座城市的电力全部瘫痪……这些并非是科学幻想，而是正在或将要成为的现实.机器人是人类创造的一种机器，也是人类创造的一个伟大奇迹，机器人的出现满足了人类的一种幻想.这就是说,在某些方面，机器人具有超人的能力.
那么，目前世界上机器人技术发展到了一个什么样的水平，又在哪些领域得到应用？在机器人时代向我们走来的同时，让我们走近机器人，了解一下机器人的世界吧.
被称为人类生活和生产“最忠实的伴侣”的机器人，近几年来取得飞速发展，引起世人的关注.
经过近几十年的发展，机器人已初步形成了一个近百万人的“王国”，机器人发展迅速、种类繁多，国际上依据其技术特点和规模大小的不同，对它们进行了分类.1990年在工业机器人国际标准大会上把机器人分为四类：（1）顺序型.很多固定作业的装配机械手都属于此类.（2）沿轨道作业型.这类机器人能执行受控过程.（3）远距离作业型.这类机器人可接受遥控，对操作者的行为反应可通过编程实现，应用于核工业、真空、宇宙、海洋开发等应用领域.（4）适应型或者智能型.它们具有感知、适应或学习功能.具体则可分为工业机器人、农业机器人、特种工作机器人、医疗机器人、体育机器人、讲解机器人、服务机器人、战场机器人、“小人国”机器人等等，其中“特种机器人”又可分为太空机器人、核工业机器人、深海机器人，以及救灾机器人等.
在这个机器人王国中，目前主要成员是工业机器人，它占总数的70%以上，全球正在工作的工业机器人共有74万，我国有3
000台左右.这只新兴工业大军的形成，必将为人类的工农业生产作出突出贡献.
工业机器人已经广泛地应用于各种自动化的生产线上,它是机器人家族中最重要的成员.最初主要是为了解决工业生产中的自动化问题,由机械手臂、控制装置、机座、能源装置和驱动装置等几部分构成.工业机器人大部分在汽车制造、电子、机械等行业从事焊接、油漆、装配、包装、零件加工、搬运等专业性工作.
机器人是人类创造的一种特殊机器,在生产和生活等方面,特别是在危险和极限环境作业中,有着广泛的应用前景.机器人正发展成为一个庞大的家族，代替人们从事各种各样的工作.
1.核事故机器人
在法国希农Ａ２号核反应堆的一个特别场地,聚集着各种负责核干预任务的机器人.一旦发生放射性物质泄漏的严重事故,人们就可以借助它们对事故进行处理.这些机器人可以进行认知、提取和测量.
2.仿生机器人
“仿生机器人”是指模仿生物、从事生物特点工作的机器人.目前在西方国家，机械宠物十分流行，另外，仿麻雀机器人可以担任环境监测的任务，具有广阔的开发前景.21世纪人类将进入老龄化社会，发展“仿人机器人”将弥补年轻劳动力的严重不足，解决老龄化社会的家庭服务和医疗等社会问题，并能开辟新的产业，创造新的就业机会.
美国研制出一种机器金枪鱼，它身长6
m，躯体由铝链环组成,游动时它的时速只有9.7千米,但可以横渡大西洋漫长的海域.它主要用来测量海水的温度、密度和流速，并把这些数据通过卫星传送到世界各地.
3.昆虫机器人
美国麻省理工学院研制出一种有趣的昆虫机器人,它的特点在于能够由感应的信息直接导致类似人类条件反射活动的反应.
最先进的步行智能机器人“埃尔玛”,是一种形似蝗虫的智能多脑机器人,每条腿上都有自己独立的人造神经系统,它的智力水平与昆虫大致相当，它是目前世界上步行智能机器人中最先进的.
4.飞行机器人
又名无人驾驶飞行器,这种机器人真正令世人刮目相看是在20世纪80年代中期,它用来巡查森林、防治火灾.
5.太空机器人
在人类建造大型的宇宙空间站的工作中,机器人是不可缺少的.它们由航天飞机送往与太空站相同的轨道上，宇航员可以在太空站工作台上操纵这些太空机器人.科学家把机器人送往太空,让它们清扫太空垃圾,建造太空站以及修理人造卫星.
日本研制的修理人造卫星的高性能太空机器人，它适于在失重的条件下工作
美国研制的新型星球探索机器人“亥伯龙”号，这种机器人最特别的功能，就是可以在发生故障和陷入困境的时候，智能化地自动追踪太阳从而继续获得能量.听起来很像是中国古代“夸父追日”的故事.
6.机器人医生
麻醉，建立先进的闭式体外循环，在胸部打两个小孔，机械手伸了进来，“握”住了进入人体内的小摄像头.切口，开始做手术.这种名叫“利萨”的机械手为近30位病人做过手术.“利萨”在手术中负责“抓”着摄像头，“听”着大夫发出的“上、下、左、右移动……”的指令，用电脑进行声控，使他通过电脑显示屏，看清楚手术的视野，以便操作.
7.替身机器人
极限作业中替身机器人可上太空可下深海.它可以代替人类从事许多人所不能及的工作，它除了能去人不能去的海底和太空外，如果在耳朵和眼睛上加上特殊的感测器,它还能看见人所不能看见的东西，听到人所无法听到的声音.
8.微型机器人
机器人技术正在向微型化和超微型化方向发展,无数微型机器人将在广阔的领域中工作.微型机器人又称为“明天的机器人”，它同智能机器人一起成为科学家们追求的目标.
发展微型和超微型机器人的指导思想非常简单：某些工作若用一台结构庞大、价格昂贵大型机器人去做，不如用成千上万个非常低廉的细小而极简单的机器人去完成.机器人技术正在向微型化和超微型化方向发展，无数机器人将在广阔的领域中工作.超微型机器人是一种极度缩小了的机器人，它只有人的头发丝那样粗细，可以在人体血管中穿行，消除癌变或修复损伤的组织.
美国国家安全实验室制造出了有史以来世界上最小的机器人，这部机器人质量不到1盎司，体积为四分之一立方英寸.它还拥有一个智慧的“大脑”——8K
ROM处理器，以及灵活的“腿”——皮带传动装置.据悉袖珍机器人可以代替人去完成许多危险的工作.
9.纳米机器人
纳米机器人是纳米生物学中最具有诱惑力的内容，第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体，这种纳米机器人可注入人体血管内，进行健康检查和疾病治疗.还可以用来进行人体器官的修复工作、做整容手术、从基因中除去有害的DNA，或把正常的DNA安装在基因中，使机体正常运行.第二代纳米机器人是直接把原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置，第三代纳米机器人将包含有纳米计算机，是一种可以进行人机对话的装置.这种纳米机器人一旦问世将彻底改变人类的劳动和生活方式.
10.消防机器人
消防机器人的发展受到各国重视，它可以在城市失火的时候排除险情，小型的消防机器人移动方便,利于迅速靠近起火点，喷水压制火情.
总之，智能机器人已经发展到了非常惊人的地步，相信，不久的将来会有更多的机器人活动在我们的平常生活中.
课堂小结
通过本节课的学习，我们知道了功率和机械效率是从两个不同方面反映机械性能的两个物理量，它们之间没有必然的联系，一个是表示做功的快慢，一个是表示机械对总能量的利用率.
机械的使用给人类带来了很多的便利，但如果不能合理地利用，也同样会给人类带来危害.总之，我们要不断积极地去探索自然规律，并积极地应用这些规律大胆地发明和创造，以不断改善人类自己的生存，并最终达到和自然和谐发展.
布置作业
课本?作业1、2、3.
板书设计
一、功率与机械效率
1.机械效率的计算：
2.功率和机械效率的区别：功率是表示做功的快慢；机械效率是表示机械对总能量的利用率.
它们之间没有什么必然的联系.
二、机械的使用
极大地丰富和改善了我们的生活，但要注意机械的合理使用，最终达到与大自然的和谐共处.
活动与探究
教材第4题，研究讨论改进方案.