简单机械和功[上学期]

第十一章 简单机械和功
[课题]：杠杆
[教学目标]
1．知识与技能
让学生知道什么是杠杆，在我们的生活中有哪些是杠杆，他们的作用是什么？认识杠杆的五要素，并会在实物上画出杠杆的五要素。
2．过程与方法
通过生活中的工具让学生对机械有一个直观的认识，通过对工具的操作让学生知道什么是杠杆，然后直接告诉杠杆的五要素并以习题加以巩固。培养学生动手实验能力和扩散性思维能力。了解压强存在于社会生活的各个方面的广泛性。
3．情感态度与价值观
经历杠杆五要素的探究活动，使学生获得对杠杆的基本知识的感性认识，培养学生重客观事实、实事求是的科学态度。
[教学重点] 理解杠杆的五要素
[教学难点] 画杠杆的五要素，特别是在有力臂让画力的情况。
[教学方法]
1．运用创设问题情境，激发学生学习兴趣。
2．运用演示实验和学生实验，使学生在实验中进一步学会观察、学习探究式学习方法。
[教学用具] 起子，图钉，开瓶扳手，夹子，木块
[课时安排]2-3课时
[教学程序]
（一）、引入
提问1：长城是我们国家的骄傲，金字塔他到今天也有很多的迷无法解开，为什么呢？因为埃及金字塔的石头是无比巨大的，那几千年前的人民是怎么把他搬上去的呢？
提问2：当然我们生活中的有些机械很复杂，下面我来做几个小实验，大家看在这个实验有没有用到机械呢？
用起子起钉子 用棍子翘物体
（二）、新课讲授
一、杠杆
1、概念：我们把一根硬棒在力的作用下可以围绕某一个固定的点转动，我们把这根硬棒叫做杠杆。
请同学们举出生活中一些杠杆的例子。
2、杠杆的五要素：
L2 O L1
F1
F2
三、小结： 1、什么是杠杆？
2、杠杆的五要素是什么？
3说出生活中的一些杠杆的例子。
四、作业：学生画出铡刀、独轮车、鱼杆、剪刀等生活中的杠杆的五要素。
杠杆（第二课时）
教学目标：1、加深对杠杆的五要素的理解。
2、理解杠杆的平衡条件，能通过实验总结杠杆的平衡条件，会用杠杆的平衡条件解题。
3、了解杠杆的应用，能对杠杆进行分类，并了解分类原则。
教具：挂图，剪刀，镊子，小黑板等
重点：理解杠杆的平衡条件。
难点：会用杠杆的平衡条件解题。
教学过程：
（一）、引入 提问：
1、 什么是杠杆？
2、 杠杆的五要素是哪些？（练习）
3、 剪铁皮的剪刀是一种杠杆，当然剪刀有很多种，那你能告诉我剪铁皮的剪刀有什么作用吗？
在我们生活中是不是所有的机械都用来省力的呢？今天我们先来学习杠杆的分类。
（二）、新课教学
1、 杠杆的分类
例：从各种各样的剪刀入手，引出杠杆的分类。
剪树枝的剪刀是用来省力的，但理发用的剪刀就没有必要省力，它是用来省距离的。
看前面画的杠杆的五要素，注意观察杠杆的力臂关系。
总结： 当L1〉L2时，省力 当L1〈L2时，费力
当L1=L2时，既不省力也不费力。
杠杆的分类：
1、 省力的杠杆叫省力杠杆（L1〉L2）
2、 费力的杠杆叫费力杠杆（L1〈L2）
3、 不省力不费力的杠杆叫等臂杠杆（L1=L2）。
生活中有那些杠杆是费力的，哪些是省力的，哪些是等臂的呢？
铡刀是省力的，钓鱼杆是费力的，天平是等臂的。
2、 杠杆的平衡条件
1、 实验：研究杠杆平衡需要哪些条件
学生观察实验器材。
杠杆在挂勾码之前要作什么事？
杠杆倾斜叫平衡吗？那为什么我们要让它在水平位置平衡呢？
2、 杠杆的平衡条件是：
动力×动力臂=阻力×阻力臂
F1×L1=F2×L2
（三）、小结与作业
1、杠杆的分类。
2、杠杆的平衡条件。
作业：第7页阅读，和第8页1、2题
[课题]：滑轮
[教学目标]
1．知识与技能
　　（1）知道什么是定滑轮、动滑轮和滑轮组．
　　（2）知道定滑轮的实质是一个等臂杠杆．动滑轮的实质是动力臂为阻力臂2倍的杠杆．
　　（3）知道使用定滑轮可以改变用力方向但不省力．知道使用动滑轮可以省一半力．知道滑轮 组既可以省力，也可以改变用力方向．
　　（4）能根据承担重物的动滑轮总重的绳子的段数，推断提起重物所用力的大小．
2．过程与方法
　　（1）能根据承担重物和动滑轮总重的绳子的段数，判断省力情况，培养学生的分析能力．
　　（2）能根据要求，画出组装滑轮组时绳子的绕法，培养学生的动手能力．
3．情感态度与价值观
　　通过对滑轮的分析，对学生进行辩证观点看问题的教育．
[教学重点] 定滑轮和动滑轮的特点及实质．会用杠杆平衡条件分析定滑轮和动滑轮的作用
[教学难点] 会判断滑轮组的省力情况，能根据给定的条件和要求设计滑轮组．
[教学方法]
1．运用创设问题情境，激发学生学习兴趣。
2．运用演示实验和学生实验，使学生在实验中进一步学会观察、学习探究式学习方法。
[教学用具] 绳、滑轮、滑轮组、弹簧秤、钩码
[课时安排]2-3课时
[教学程序]
一、定滑轮和动滑轮
1．识别定滑轮和动滑轮
用一个滑轮把物体提到一定高处有两种方法．观察课本图13－9，比较两种方法中滑轮的运动情况．请你说一说：滑轮怎样使用时被称为定滑轮？怎样使用时被称为动滑轮？
想一想：升国旗时旗杆上的滑轮是定滑轮还是动滑轮？
2．探究定滑轮和动滑轮的特点
通过实验观察和测量，从三个方面研究两种滑轮的特点：（1）是否省力，省多少力； （2）能否改变动力的方向，为我们带来工作上的便利；（3）是否省距离或费距离，将实验结果填在下表中．
定滑轮 动滑轮
是否省力
能否改变动力的方向
是否省（费）距离
3．滑轮是变形杠杆
同学们往往不容易把滑轮想象成杠杆．下图是否能帮你想象？
从上图可以看出：两种滑轮的动力都是手拉绳子对滑轮施加的力F1；阻力都是重物对滑轮的力F2；因定滑轮中间的轴被固定，所以其支点在中间；而动滑轮左端的绳子是固定的，所以支点在左边．
由此得出结论：定滑轮实质上是等臂杠杆，动滑轮实质是动力臂为阻力臂二倍的杠杆．
概念：
1．定滑轮及实质：不随物体运动的滑轮叫定滑轮．定滑轮实质是一个动力臂等于阻力臂的杠杆，不能省力，但可以改变动力的方向．
2．动滑轮及实质：随物体一起运动的滑轮叫做动滑轮．动滑轮的实质是一个动力臂为阻力臂2倍的杠杆，能省一半的力，但不能改变力的方向．
二、滑轮组
1、把定滑轮和动滑轮组合起来组成滑轮组．一般可以既省力又改变力的方向，若不计动滑轮重和摩擦，有几股绳子承担重物，所用的力就是物重的几分之一．显然，判断用力情况的关键是弄清几股绳子承担重物的重．这要看滑轮组的组装方式，不能只看动滑轮的个数．如图1所示，（a）图中n＝2，因为绳子自由端向下拉，这股绳子只改变用力的方向，并不承担物重；（b）图中n＝3，因为绳子自由端向上拉，这股绳子承担物重，但不能改变力的方向；同理，你能判断（c）图、（d）图中绳子的股数吗？你能总结出n值的规律吗 （n等于直接和动滑轮接触的绳子的股数）
图1
2、通过受力分析解决滑轮应用中的受力问题
动滑轮的动力作用在轮缘上是省力的，但如果动力作用在滑轮的轴心上时，动滑轮就不省力了．如图2，若不计动滑轮重及摩擦，拉力F的大小是物体重G的2倍，因而，对动滑轮的使用特点应理解为：作用在动滑轮轮缘上的力是作用在轴心上的力的．
图2
3、滑轮组的装配问题
解决简单滑轮组装配问题时，在承担重物的绳子股数确定后，如何根据要求设计滑轮组的方法不一，下面介绍一种称做“偶定奇动”的简单定则．
（1）当承担重物的绳子股数n为偶数时，绳子的固定端应拴在定滑轮上（即“偶定”）．
（2）当承担重物的绳子股数n为奇数时，绳子的固定端应拴在动滑轮上（即“奇动”）．
［例题］用图3所示的滑轮组和一段最大承受200 N拉力的绳子，提起重500 N的物体，在图中画出绳子的绕法．（滑轮重、摩擦不计）
解析：由滑轮组的特点可算出绳子的段数n＝3（绳子的段数必须是正整数，如除不尽不能用“四舍五入法”取整数，应用“进一法”取整数）．由图示知，此题定滑轮与动滑轮各只有1个，根据“奇动偶定”的原则，绳头应系在动滑轮的挂钩上，如图4所示．
图3图4
总结：滑轮组及特点：两个或两个以上的滑轮组成的装置叫做滑轮组．使用滑轮组时，滑轮组由几段绳子吊着物体，提起物体所用的力就是物重的几分之一，即：F＝G（n为绳子段数，G为被吊物体重力，F为拉绳子的力）．
练习：
如下图，有四个滑轮组，若分别用来把60 N的重物提起．在动滑轮、绳重和摩擦不计的情况下，则F1＝_____N，F2＝_____N，F3＝_____N，F4＝_____N．
【典型例题】
例1. 一根绳子最多能承受1000牛的拉力，请设计一个滑轮组，用这条绳子吊起3300牛的重物。画出滑轮组的安装示意图。（动滑轮的重力及摩擦不计）
分析与解答：
然后根据n的取值和所需拉力的方向确定动滑轮和定滑轮的个数及绕线方法。本题没有明确提出用力方向，如果不改变用力方向，则只需要一个定滑轮、两个动滑轮，绕线方法如甲图。如需改变用力方向，则需用两个定滑轮，绕线方法如乙图所示。
提示：在确定了n的大小以后，确定动滑轮和定滑轮的个数。画绕线方法时，凡n为奇数时从动滑轮起头开始绕，凡n为偶数时从定滑轮起头开始绕。绕线起点只与n有关，与动滑轮、定滑轮个数无关，绕法符合“奇动，偶定”的规律。
例2. 如图所示A物体重20牛，滑轮重1牛，弹簧秤的示数25牛，则B物体重（ ）
A. 24牛 B. 21牛 C. 12牛 D. 11.5牛
分析与解答：
以B物体为研究对象，B物体受二个力平衡：一是绳子对B，12牛向上的拉力；一是B竖直向下的重力，二力平衡，二个大小相等，GB＝12牛。
本题正确选项是C。
例3. 如图所示，如果滑轮组的动滑轮，自重5牛。重物G＝100牛，当物体静止不动时，弹簧秤示数多少牛（ ）
A. 105牛 B. 110牛 C. 52.5牛 D. 55牛
分析与解答：此装置为一动一定两滑轮组成的滑轮组。
正确选项为C
[课题]：功
[教学目标]
1．知识与技能
　　（1）知道做功的两个必要因素。
　　（2）理解功的定义、计算公式和单位，并会用功的公式进行简单计算。
　　（3）知道功的原理。　　
2．过程与方法
　　（1）通过思考和讨论，判断在什么情况下力对物体做了功，在什么情况下没有做功？
　　（2）学会从物理现象中归纳简单的物理规律。
（3）通过观察和实验，了解功的含义，学会用科学探究的方法研究物理问题。
3．情感态度与价值观
　　（1）乐于探索自然现象和物理规律，乐于参与观察、实验、探索活动。
（2）有将科学技术应用于日常生活、社会实践的意识。
（3）培养学生的综合学习能力，激发学生的求知欲。
[教学重点] 理解功的概念。
[教学难点] 判断力对物体是否做功，以及做功的计算。
[教学方法] 讲授法直观法（演示实验、多媒体课件）　阅读指导法　讨论法归纳法
[教学用具] 木块、木板、细绳、弹簧测力计、小车，杠杆和支架、钩码、滑轮、细线、刻度尺。
[课时安排]2-3课时
[教学程序]
（一）、引入新课
1、提问学生回答日常生活中“功”的含义。思考力学里所说的“功”含义。
2、演示实验：在水平长木板用相同大小的力分别拉一木块和小车。观察木块、小车的运动状态，思考并评价这两个力的作用成效。
（二）、讲授新课
一、（活动）探究斜面
实验器材：详见课本P14
注意事项：同一斜面、匀速拉动小车
实验步骤：详见课本P14
实验表格：
次数 F(N) G(N) s(m) h(m) Fs(N·m) Gh(N·m)
①
②
③
①为什么要测量三组数据？
②分析实验数据，可得到什么结论？
(1)拉力F总小于小车和砝码的总重G，而小车移动距离s总大于小车上升高度h.
这一结论说明什么？
(2) F·s乘积大于（等于）G·h的乘积.
(3)当G增加后，F·s和G·h的值有所增大.
③为什么G增加后，F·s的值会随之而增大？
④在上述分析讨论的基础上，可推理得出什么结论？
如果小车和斜面之间的摩擦力为零，则F·s和G·h就相等.
由此可见，力与距离的乘积是一个有意义的物理量，这就是物理学中所说的机械功.
[一]、功：作用在物体上的力和该物体在力的方向上通过的距离的乘积.
观察课本P15-P16图11-30(a)、(b)、(c)、(d)，分析在图示的几种情况中人对物体是否做了功？为什么？
1．做功的两个必要因素：
(1)作用在物体上的力
(2)物体在力的方向上通过的距离
2．功的公式：W = F·s
W —— 功 F —— 作用在物体上的力
s —— 物体在力的方向上移动的距离
3．功的单位：牛顿·米（N·m） 专门名称——焦耳（J）
1 J = 1 N·m
①1J的物理意义？
1N的力作用在物体上，使物体在力的方向上通过1m的距离所作的功是1J.
②1J的功有多大？
从地上拿起一个鸡蛋并缓缓举过头顶的过程中，对鸡蛋做的功约为1J.
③生活中的“工作”、“做功”与物理学中的“功”是否相同？
[例题] 详见课本P16
在了解了功的有关概念后，我们再回头看刚开始的斜
面实验，斜面和杠杆、滑轮一样也是一种简单机械，任何一种机械都不可能既省力又省距离，换句话说，没有能省功的机械.
[二]、功的原理：使用任何机械都不省功.
（练习）课本P16“WWW”
1． 解：F = G = mg = 8×10-2kg×10N/kg = 0.8N
W = F·s = 0.8N×5m = 4J
2．解：W = F·s = Gh = 500N×6m = 3000J
3. 解: W = F·s = Gh = mgh = 207.5kg×10N/kg×2m
=4250J
[三]、小结
[四]、倍速11-3全部练习
[课题]：四、功 率
[教学目标]
1．知识与技能
⑴知道功率的概念和功率的物理意义.
⑵能通过实例作图等多种方式来描述功率.
⑶知道功率的公式、单位，能用公式计算功率.
⑷能自己设计实验测量功率.
2．过程与方法
　　从生产和生活实际出发，认识做功不但有多少之分，而且还有快慢之分，用速度概念的引入做类比，引出做功的快慢，理解功率的定义及其公式.
3．情感态度与价值观
　　（1）乐于探索自然现象和物理规律，乐于参与观察、实验、探索活动。
（2）有将科学技术应用于日常生活、社会实践的意识。
[教学重点] 知道功率的概念，理解功率的物理意义和计算公式.
[教学难点] 用功率的公式解决较综合的题目，设计实验估测人的功率.
[教学方法] 讲授法直观法 练习法
[课时安排]2-3课时
[教学程序]
（一）、引入新课 提问
①做功的两个必要因素？功的计算公式？
②有多少种方法能把重5×104N的砖块运到10m高的楼上？
③这些方法的共同点是什么？
④这些方法的不同之处是什么？
⑤观察课本P17图11-33 不同情况下，人做功的快慢不同.
（二）、讲授新课
一、功率：表示做功快慢的物理量
功率大表示物体做功快，功率小表示物体做功慢.
①功率的大小即做功的快慢可能与哪些因素有关？
②怎样比较物体做功的快慢？
③如何与“速度”类比，得到功率的定义？
定义：单位时间内作的功叫做功率
④怎样计算功率的大小？
二、功率的公式：P = W / t
P — 功率 W — 功 t — 时间
⑤在国际单位制中功和时间的单位是什么？
⑥功率的单位又是什么？
三、功率的单位：瓦特（W）
1 W = 1 J/s
1．意义：1 W表示物体在1s内作的功是1J.
2．其它单位：千瓦(kW）兆瓦(MW) 1 kW = 103W 1 MW = 106W
功率大小是描述机器性能的一个重要指标，通常所说的机器功率多大是指机器正常工作时的功率.
汽车的功率一定，在下列几种情况下该如何行驶？
(1) 阻力较小 (2)阻力较大 (3)上坡或负载加重时
P = W / t = Fs / t = Fv
（活动）估测人上楼的功率
想一想：
①所需实验器材？
②待测物理量？
实验步骤：
(1) 用磅秤测出某同学的质量m.
(2) 用刻度尺测出一级台阶的高度h.
(3) 用秒表记下该同学上楼所需的时间t，同时数出所上楼层的台阶数n.
(4) 换一个同学重复上述实验.
实验表格：
人的质量m/kg 楼层高度nh/m 时间t/s 功W/J 功率P/ W
①
②
（课堂练习）课本P20“WWW”
1． 解：W = Fs = 100N×50m = 5000J
P = W/t = 5000J/30s = 166.67J
2.解：W = Pt = 7×103W×600s = 4.2×107J
（三）小结
（四）作业 倍速11-4
[课题]：五、机械效率
[教学目标]
1．知识与技能
⑴、通过探究动滑轮，知道有用功、总功、额外功及它们之间的关系.
⑵、理解机械效率的概念，知道机械效率的计算公式，会进行有关机械效率的计算.
⑶、知道机械效率的物理意义，知道实际的机械效率不可能是100%.
⑷、能设计试验，测定某种简单机械的机械效率.
2．过程与方法
　　通过探究动滑轮的活动，知道使用机械就要做额外功.通过实验和讨论，认识提高机械效率的主要方法.
3．情感态度与价值观
　　（1）乐于探索自然现象和物理规律，乐于参与观察、实验、探索活动。
（2）有将科学技术应用于日常生活、社会实践的意识。
[教学重点] 有用功、总功、额外功、机械效率的概念.
[教学难点] 有关机械效率的计算.
[教学方法] 讲授法直观法 练习法
[课时安排]2-3课时
[教学用具]：单滑轮2个、弹簧测力计、刻度尺、钩码若干、铁架台、细线……
[教学程序]
（一）、引入新课 提问
①世界上有没有能够省功的机械？
②理想情况下（不考虑机械中和摩擦等因素的影响），利用机械做功和直接对物体做功的大小有何关系？
③实际生活中，人们利用机械做功和直接对物体做功的大小又有何关系？为什么？
（二）、讲授新课
（活动）探究使用动滑轮和滑轮组时的做功情况
实验器材：
注意事项：竖直向上匀速拉动弹簧测力计
实验表格：
钩码重G/N 钩码上升高度h/m 对钩码做功Gh/J 绳端拉力F/N 绳端移动距离s/m 手拉绳做的功Fs/J
1
2
3
4
①分析表中实验数据可得到什么结论？
②产生这一现象的原因是什么
③活动中几种不同情况的共同目的是什么？
对钩码做的这部分功是我们所需要的，称之为有用功.
一、有用功：利用机械工作时，对人们有用的功.
在提升重物的情况下：W有用 = Gh
在上述实验中，钩码被提升到一定高度的同时，动滑轮也被提升，运动过程中还存在着各种摩擦，这样人们在利用机械做功时就不得不多做一部分功，这就是利用机械工作时的额外功.
二、额外功：利用机械工作时，并非人们需要而又不得不做的功.
额外功主要包括以下两个方面：
(1)克服机械自身重力而做的功
(2)克服各种摩擦而做的功
利用机械工作时，人对机械做的功称之为总功.
三：总功：利用机械工作时，人对机械做的功.
W纵 = W有用 + W额外
通常情况下：W纵 = Fs
F — 作用在机械上的力
s — 在力F的方向上通过的距离
在使用机械时，有用功只占总功的一部分.人们总希望有用功在总功中所占的比例越大越好.
四、机械效率：有用功与总功的比值.
η = W有用 / W纵
机械效率通常用百分数来表示
[例]用定滑轮提升质量为20kg的物体，所用拉力为220N，当物体升高到2m时，求有用功、总功和定滑轮的机械效率.
解：W有用 = Gh = mgh = 20kg×10N/kg×2m=400J
W纵 = Fs = 220N × 2m = 440J
η = W有用 / W纵 = 400J / 440J =91%
①机械效率有没有可能大于100%？
1．机械效率总是小于1
通常，起重机的机械效率为40%～50%，滑轮组的机械效率60%～80%，抽水机的机械效率60%～80%.
②计算活动中几种不同情况下，动滑轮和滑轮组的机械效率
③四种情况下的机械效率是否相同？
④机械效率的大小可能与哪些因素有关？
⑤怎样提高机械效率？
η = W有用 / W纵=W有用 / (W游泳+ W纵)
2．提高机械效率的方法：
(1)减小额外功(有用功一定的情况下)
(2)增大有用功(额外功一定的情况下)
对于同一个滑轮组，在滑轮组能够承受的范围内，提升的物体越重，机械效率越高；对于不同的滑轮组，在提升相同重物时，滑轮组的结构越简单，动滑轮越轻，机械效率越高.
例题1（2000河南）工人用类似图所示的滑轮组提升重2 000N的物体．
（1） 若不计摩擦和动滑轮重，工人提起这个重物时至少要用多大的力？
（2） 若工人匀速提升这个物体时所用的拉力是800N，滑轮组机械效率为多大？
（3） 若工人用800N的拉力在1分钟内将这个物体提高3m，他做功的功率是多少？
【讲解】设物体提升的高度为h，则绳头移动的距离为4h．
用滑轮组提升重物时：
（1）若不计摩擦，则
（2）当 N时
（3）当 N时，工人1分钟内所做的功
功率
（课堂练习）课本P22“WWW”1、2
（三）小结
（四）作业 倍速11-5
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