【核心素养】9.5 探究使用机械是否省功(教学课件+精品微课视频+逐字稿+教学设计)北师大版(2024版)八年级物理下册同步教学资源

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【核心素养】9.5 探究使用机械是否省功(教学课件+精品微课视频+逐字稿+教学设计)北师大版(2024版)八年级物理下册同步教学资源

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逐字稿
封面页
同学们好!今天我们要进入第九章“机械和功”的第五节——“探究使用机械是否省功”的学习。大家想一想,在生活中我们会用到各种各样的机械,那使用这些机械到底能不能省功呢?带着这个疑问,让我们开启今天的学习之旅。
导入新课页
大家看这张图,工人在提升竖井中的重物时,没有直接提起重物,而是使用了滑轮组、定滑轮和轮轴等简单机械进行组合。那为什么要这么做呢?使用这些简单机械到底有什么优势呢?大家可以先思考一下,然后和旁边的同学交流交流。其实啊,使用简单机械可以省力、省距离,还能改变力的方向。那既然能省力、省距离,能不能省功呢?这就是我们今天要重点探究的问题。
观察与思考页
同学们,我们来看这两张图,一张是直接提升物体,另一张是用滑轮提升物体。那用机械提升物体与直接提升物体所做的功相同吗?大家仔细观察一下,然后大胆地猜测一下。接下来,我们就通过实验来探究这个问题。
探究使用机械是否省功 - 实验目的和步骤页
我们先来明确一下这次实验的目的。我们要比较用动滑轮和直接提升时所做的功。具体的实验步骤如下: 第一步,用弹簧测力计将钩码匀速提升一定的高度,然后计算拉力所做的功,我们把它记为(W1)。 第二步,用弹簧测力计并借助一个动滑轮将同样的钩码匀速提升相同的高度,再计算弹簧测力计的拉力所做的功,记为(W2)。 第三步,比较两次做功(W1)和(W2)的大小。
实验需要用到的器材有弹簧测力计、砝码、动滑轮、线等。大家在实验过程中一定要注意安全,严格按照实验步骤进行操作。
实验探究 - 实验注意事项页
在进行实验时,有几个注意事项大家一定要牢记。 第一,两次都要缓慢提升同一物体,并且提升相同的高度。 第二,测力计要在提升过程中读数,这样才能保证读数的准确性。 第三,测量距离时要记录始、末位置的刻度,这样才能准确计算出物体移动的距离。
收集数据页
现在大家已经完成了实验,我们来一起收集一下实验数据。大家看这个表格,第一列是直接用弹簧测力计提升的情况,包括拉力(F)、重物升高的高度(h)和拉力(F)做的功(W_1);第二列是用弹簧测力计和一个动滑轮提升的情况,包括拉力(F')、绳子自由端移动的距离(s)和拉力(F')做的功(W_2)。大家把自己实验得到的数据填入表格中。
直接用弹簧测力计提升 用弹簧测力计和一个动滑轮提升
拉力(F/N) 重物升高的
高度(h/m) 拉力(F)做的
功(W_1 /J) 拉力(F’ / N)
绳子自由端移动的距离(s/m) 拉力(F’)做的
功(W_2 /J)
2 0.1 1.2 0.2
实验结果与结论页
通过实验我们发现,虽然在两次实验中钩码被提升了相同的高度,但用动滑轮提升做的功要多一些,也就是(W_1 < W_2)。这就说明,使用动滑轮提升物体不能省功。那为什么用动滑轮提升会多做功呢?这就涉及到使用机械做的三种功,接下来我们就来学习这部分内容。
使用机械做的三种功页
同学们,使用机械做的功可以分为三种。 第一种是有用功。我们使用机械提升钩码,将钩码提升一定的高度是我们的目的,所做的功叫做有用功,也就是克服物体重力做的功,记为(W_{有用})。计算公式是(W_{有用}=Gh),这里的(G)是物体的重力,(h)是物体被提升的高度。 第二种是额外功。使用动滑轮提升重物时,不可避免地要对绳和动滑轮本身做功,还要克服摩擦不得不做的功,这部分功叫作额外功,记为(W_{额外})。如果不计摩擦和绳重,那么(W_{额外}=G_{动}h),其中(G_{动})是动滑轮的重力。 第三种是总功。手拉绳所做的功叫作总功,记为(W_{总})。总功等于有用功与额外功之和。如果绳子自由端移动的距离为(s),手拉绳子的力为(F),滑轮重为(G_{动}),那么(W_{总}=W_{有用}+ W_{额外} =(G+G_{动})h = Fs)。
从这里我们可以得出一个重要的结论:使用任何机械都不能省功。
实例分析页
大家看这张图,这是在生产力比较低下的时期,人们从水井中获取生活用水时使用的辘轳和水桶。当使用辘轳和水桶从井中提水时,对水桶做的功是额外功,因为我们的目的是提水,对水桶做功并不是我们想要的,但又不得不做;对水做的功是有用功,这是我们提水的目的;手的动力所做的功是总功,它包括了有用功和额外功。
机械效率 - 定义页
在物理学中,我们把有用功跟总功的比值叫做机械效率。它的定义式是(\eta=\frac{W_{有用}}{W_{总}}),其中(\eta)表示机械效率,(W_{有用})是有用功,(W_{总})是总功。机械效率没有单位,通常用百分数表示。
机械效率 - 单位和物理意义页
由于额外功不可避免,所以有用功总是小于总功,那么机械效率总小于(1)。在使用机械工作的时候,我们当然希望有用功在总功中所占份额越多越好,也就是做功的效率越高越好。机械效率反映了机械的性能高低,机械效率越高,说明这个机械越“给力”。
实例分析 - 数据表格页
大家看这个表格,这里记录了不同做功方式下的有用功、额外功、总功和机械效率。我们来分析一下,桶装,手吊运时,有用功是(300J),额外功是(60J),总功是(360J),机械效率是(83%);桶装,动滑轮吊运时,有用功还是(300J),额外功变成了(90J),总功是(390J),机械效率是(77%);袋装,动滑轮吊运时,有用功依然是(300J),额外功是(45J),总功是(345J),机械效率是(86%)。大家可以看到,袋装,动滑轮吊运的有用功在总功中所占份额多,机械效率最高,说明这种办法最好。
交流讨论页
在日常生活中,很多场合都涉及“效率”的概念,比如学习效率。大家还能举出其他例子吗?像工作效率、劳动效率、生产效率等。大家可以思考一下,你举出的这个“效率”的意义是什么,然后和同学交流交流。
例题页
同学们,我们来看这道例题。工人利用滑轮组将一桶沙子从地面提升到(9m)高的楼层,桶和沙子的总质量为(118kg),动滑轮的质量为(2kg),忽略摩擦和绳重,(g)取(10N/kg)。我们要求滑轮组的机械效率。 首先,我们来计算桶和沙子所受的总重力(G_{桶沙}=m_{桶沙}g =118 kg\times10 N/kg=1180 N)。 然后,计算动滑轮所受的重力(G_{动}=m_{动}g=2kg\times10N/kg=20 N)。 接着,计算提升过程中的有用功(W_{有用}=G_{沙}h=1180N\times9 m=10 620 J)。 再计算提升过程中的额外功(W_{额外}=G_{动}h=20N\times9 m=180J)。 最后,计算拉力所做的总功(W_{总}=W_{有用}+W_{额外}=10620J+180J=10 800J)。 根据机械效率的定义式(\eta=\frac{W_{有用}}{W_{总}}),可得滑轮组的机械效率(\eta=\frac{10620J}{10800J}\approx 98.3%)。
影响机械效率的因素页
同学们,我们来看这张广告宣传画,一个巨大的滑轮提起一个小皮箱,宣传文字写着“事无大小,必尽全力”。那滑轮组机械效率与物重有什么定性关系呢?其实,用同一滑轮组提升物体时,物重越大,机械效率越高。在这张图中,滑轮提升的物体物重很小,机械效率很低,这其实是一种浪费。
影响滑轮组机械效率的因素主要有三个方面: 一是被提升物体的重力,物体重力越大,有用功在总功中所占的比例就越大,机械效率就越高。 二是动滑轮、机械自身的重力,动滑轮和机械自身的重力越大,额外功就越多,机械效率就越低。 三是摩擦、绳子的重力,摩擦和绳子的重力会增加额外功,从而降低机械效率。
那大家想一想,有哪些措施可以提高机械效率呢?可以和小组同学讨论一下。
课堂小结页
同学们,今天我们学习了很多重要的知识。我们探究了使用机械是否省功,知道了使用任何机械都不能省功。还学习了使用机械做的三种功:有用功、额外功和总功。了解了机械效率的概念,它是有用功跟总功的比值,并且机械效率总小于(1)。最后,我们还分析了影响滑轮组机械效率的因素。希望大家课后能够认真复习,巩固今天所学的知识。好,今天的课就上到这里,同学们再见!
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《探究使用机械是否省功》教学设计
一、教学目标
(一)物理观念
理解有用功、额外功、总功的概念,能区分三种功的物理意义。
掌握机械效率的定义及公式 理解机械效率总小于 1 的原因。
知道使用任何机械都不能省功,建立 “功的原理” 的物理观念。
(二)科学思维
通过实验数据分析,归纳 “使用机械不省功” 的结论,培养归纳推理能力。
运用类比法比较直接做功与机械做功的差异,提升科学思维的迁移能力。
通过分析机械效率的影响因素,培养逻辑分析和批判性思维。
(三)科学探究
经历 “提出问题 — 设计实验 — 收集数据 — 分析结论” 的探究过程,学习控制变量法的应用。
在实验中规范操作、记录数据,培养实验探究能力和误差分析能力。
(四)科学态度与责任
通过实验探究,培养严谨求实的科学态度和团队协作精神。
认识机械效率在生产生活中的应用价值,增强将物理知识服务于社会的责任感。
二、教学重难点
(一)教学重点
有用功、额外功、总功的概念及计算。
机械效率的定义、公式及应用。
(二)教学难点
理解 “使用任何机械都不省功” 的原理。
区分有用功与额外功,分析机械效率的影响因素。
三、教学方法
讲授法、实验探究法、讨论法、案例分析法
四、教学过程
(一)情景引入(5 分钟)
教师讲解:
展示工人使用滑轮组、定滑轮提升重物的图片,提问:“工人为什么不直接提起重物,而是使用机械?使用机械是否省功?”
演示:用手直接提起钩码和用动滑轮提起相同钩码,引导学生观察用力大小和移动距离的差异。
学生活动:
观察演示实验,结合生活经验讨论机械的优势(省力、改变力的方向),猜想是否省功。
活动目的:通过生活实例和演示实验创设问题情境,激发探究兴趣,建立认知冲突。
(二)实验探究:使用机械是否省功(15 分钟)
教师讲解:
明确实验目的:比较直接提升物体与用动滑轮提升物体所做的功。
指导实验设计:控制变量(同一物体、同一高度),讲解实验步骤及注意事项(缓慢匀速提升、准确测量力和距离)。
展示实验表格,强调数据记录规范。
学生活动:
分组实验:用弹簧测力计直接提升钩码和借助动滑轮提升相同钩码,记录拉力F、提升高度h、绳子移动距离s,计算W1 = Fh和W2 = F's。
分析数据,得出结论:W2 > W1,使用动滑轮不省功。
活动目的:通过自主实验探究,培养实验操作和数据分析能力,亲历 “使用机械不省功” 的结论推导。
(三)有用功、额外功、总功(10 分钟)
教师讲解:
结合实验结果,讲解三种功的概念:
有用功W有:为达到目的必须做的功(如提升重物W= Gh)。
额外功W额外:不可避免做的非目的功(如克服动滑轮重力、摩擦做功)。
总功W总:动力做的全部功(W总 = W有用+ W额外 = Fs)。
举例:用辘轳提水时,对水做的功是有用功,对水桶做的功是额外功,手的拉力做的功是总功。
学生活动:
讨论:“用桶装水时,哪些功是有用功?哪些是额外功?” 加深对三种功的理解。
活动目的:通过概念讲解和实例分析,帮助学生区分三种功,建立功的分类观念。
(四)机械效率(15 分钟)
教师讲解:
定义:有用功与总功的比值,公式,用百分数表示,< 1(额外功不可避免)。
例题分析:工人用滑轮组提升 118kg 沙子到 9m 高处,动滑轮重 2kg,计算机械效率。
步骤:①算总重力G = mg;②算有用功W有用 = Gh;③算额外功W额外 = Gh;④算总功W总= W有用+ W额外;⑤算。
影响因素:物重、动滑轮重、摩擦(同一滑轮组,物重越大,\eta越高)。
学生活动:
计算例题,规范解题步骤;讨论 “如何提高机械效率”(减小额外功,如减轻动滑轮、减小摩擦)。
活动目的:通过公式推导和例题计算,掌握机械效率的应用,理解其物理意义及影响因素。
(五)交流讨论与实例分析(10 分钟)
教师讲解:
展示不同做功方式的机械效率数据(如桶装吊运、袋装吊运),分析效率差异的原因。
讨论广告画 “巨大滑轮提小皮箱” 的科学性,强调 “物重越小,机械效率越低”,渗透 “效率与实用” 的联系。
学生活动:
举例生活中 “效率” 概念(如学习效率、工作效率),类比机械效率的意义,分享如何提高效率的措施。
活动目的:联系生活实际,培养知识迁移能力,增强节约能源和优化机械的意识。
(六)课堂小结(5 分钟)
教师讲解:
梳理知识框架:
实验结论:使用任何机械不省功。
三种功:W总 = W有用+ W额外。
机械效率:,影响因素及提高措施。
学生活动:
绘制思维导图,标注易错点(如额外功的来源),提出疑问(如 “是否存在 100% 效率的机械”)。
活动目的:构建系统知识体系,强化重点内容,为后续学习机械效率的应用奠定基础。
五、教学反思
实验探究中,学生可能因测量误差导致W2与W1的差值不明显,需引导分析误差来源(如测力计读数、距离测量)。
区分有用功和额外功时,可增加更多生活案例(如用斜面推物体),帮助学生突破难点。
机械效率的计算需强调单位统一和公式变形,避免计算错误。
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" 21世纪教育网(www.21cnjy.com)(共17张PPT)
第五节 探究使用机械是否省功
第九章 机械和功
工人通过滑轮组、定滑轮和轮轴提升竖井中的重物。工人为什么不直接提起重物,而是将这么多的简单机械进行组合呢
使用滑轮组、定滑轮和轮轴等这些简单机械的优势是什么
导入新课
使用简单机械的优势
省力
省距离
改变力的方向
使用简单机械可以省力、省距离,能省功吗
导入新课
用机械提升物体与直接提升物体所做的功相同吗?
直接提升物体
用滑轮提升物体
观察与思考
1
探究使用机械是否省功
比较用动滑轮和直接提升时所做的功
明确实验目的和实验步骤
2
W1
W2
1.用弹簧测力计将钩码匀速提升一定的高度,计算拉力所做的功W1。
2.用弹簧测力计并借助一个动滑轮将同样的钩码匀速提升相司的高度,计算弹簧测力计的拉力所做的功W2。
实验目的
实验器材
3.比较两次做功W1和W2的大小。
弹簧测力计、砝码、动滑轮、线等
实验步骤
探究使用机械是否省功
①两次缓慢提升同一物体,且提升相同高度。
②测力计要在提升过程中读数。
③测量距离要记录始、末位置的刻度。
实验探究
3
直接用弹簧测力计提升 用弹簧测力计和一个动滑轮提升 拉力F/N 重物升高的 高度h/m 拉力F做的 功W1 /J 拉力F’ / N 绳子自由端移动的距离s/m 拉力F’做的
功W2 /J
2 0.1 1.2 0.2
实验注意事项:
探究使用机械是否省功
实验结果表明,虽然在两次实验中钩码被提升了相同的高度,但用动滑轮提升做的功要多一些。即W1 < W2
结论:使用动滑轮提升物体不能省功。
收集数据
4
直接用弹簧测力计提升 用弹簧测力计和一个动滑轮提升 拉力F/N 重物升高的 高度h/m 拉力F做的 功W1 /J 拉力F’ / N 绳子自由端移动的距离s/m 拉力F’做的
功W2 /J
2 0.1 0.2 1.2 0.2 0.24
省力并不省功
为什么多做功呢?
探究使用机械是否省功
①有用功:将钩码(重为G)提升一定的高度h是我们的目的,所做的功叫做有用功(即克服物体重力做的功)记为W有用。则:W有用=Gh
②额外功:使用动滑轮提升重物时不可避免地要对绳和动滑轮(G动)本身做功;还要克服摩擦不得不做的功,这部分功叫作额外功,记为W额外。若不计摩擦和绳重,则:W额外=G动h
使用机械做的三种功
1
③总功:手拉绳所做的功叫作总功,记为W总。总功等于有用功与额外功之和。若绳子自由端移动的距离为s ,手拉绳子的力为F,滑轮重为G动。则:
W总=W有用+ W额外 =(G+G动)h = Fs
结论:使用任何机械都不能省功。
机械效率
如图所示是在生产力比较低下的时期,人们从水井中获取生活用水时使用的辘轳和水桶。
当使用辘轳和水桶从井中提水时,对水桶做的功 ,对水做的功是 ,手的动力所做的功是 。(均填“总功”“有用功”或“额外功”)。
实例分析
2
额外功
有用功
总功
机械效率
单位
3
物理学中,将有用功跟总功的比值叫做机械效率。
机械效率没有单位,通常用百分数表示。由于额外功不可避免,所以有用功总是小于总功,所以机械效率总小于1。
机械效率
总功( J )
定义式
2
物理意义
4
机械效率的定义
1
在使用机械工作的时候,有用功在总功中所占份额越多越好。做功的效率越高,它反应机械的性能高低。
有用功 ( J )
机械效率
实例分析
5
做功方式 有用功/J 额外功/J 总功/J 机械效率
桶装,手吊运 300 60 360 83%
桶装,动滑轮吊运 300 90 390 77%
袋装,动滑轮吊运 300 45 345 86%
袋装,动滑轮吊运的有用功在总功中所占份额多,机械效率最高,办法最好。
大米重100N
动滑轮重10N
桶重 20N
口袋重5N
机械效率
劳动效率
生产效率
工作效率
交流讨论
6
在日常生活中,很多场合涉及“效率”的概念,如学习效率等。你还能举出其他例子吗 说明你举出的这个“效率”的意义是什么,并与同学交流。
机械效率
例题 如图 9.5-3所示,工人利用滑轮组将一桶沙子从地面提升到9m高的楼层,桶和沙子的总质量为118kg,动滑轮的质量为2kg。忽略摩擦和绳重,g取10N/kg。求滑轮组的机械效率。
解:桶和沙子所受的总重力:
G桶沙=m桶沙g =118 kgx10 N/kg=1180 N,
动滑轮所受的重力:G动=m动g=2kgx10N/kg=20 N。
提升过程中的有用功:W有用=G沙h=1180Nx9 m=10 620 J。
拉力所做的总功:W总=W有用+W额外=10620J+180J=10 800J。
提升过程中的额外功:W额外=G动h=20Nx9 m=180J。
滑轮组的机械效率:
98.3%
答 滑轮组的机械效率为 98.3%。
机械效率
机械效率
图为某公司的一幅广告宣传画,一个巨大的滑轮提起一个小皮箱,宣传文字写着“事无大小,必尽全力”。请你分析滑轮组机械效率与物重的定性关系,并结合这个关系谈一谈你对这幅广告宣传画所表达观点的看法。
使用滑轮组提升重物时,影响其机械效率的因素有哪些
影响机械效率的因素
①被提升物体的重力
②动滑轮、机械自身的重力
用同一滑轮组提升物体时,物重越大,机械效率越高。
宣传画中滑轮提升物体,物重很小机械效率很低,是一种浪费。
影响机械效率的因素
③摩擦、绳子的重力
说一说提高机械效率的措施?
影响机械效率的因素
课堂小结

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