田曉娜　韓敘虹

摘 要：測(cè)量滑輪組的機(jī)械效率是初中物理的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)，對(duì)于學(xué)生理解能量的轉(zhuǎn)化及比較機(jī)械性能的優(yōu)劣有重要作用。實(shí)驗(yàn)方案改進(jìn)后，通過數(shù)據(jù)分析可以得出影響機(jī)械效率的更多因素以及哪些因素對(duì)其影響較大，有助于學(xué)生對(duì)機(jī)械效率概念的理解。

關(guān)鍵詞：滑輪組的機(jī)械效率；提高；改進(jìn)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2017）12-0014-3

1 原實(shí)驗(yàn)方案 [1]

【實(shí)驗(yàn)原理】：η=

【實(shí)驗(yàn)器材】：兩個(gè)單滑輪、兩個(gè)雙滑輪、重物、彈簧測(cè)力計(jì)、刻度尺、細(xì)繩。

【實(shí)驗(yàn)步驟】：（1）如圖1甲所示組裝一定一動(dòng)滑輪組，測(cè)量并記錄適量鉤碼的重力G，把鉤碼掛在動(dòng)滑輪的下方，用彈簧測(cè)力計(jì)鉤住繩子的自由端豎直向上勻速拉動(dòng)，記錄拉力大小F、重物被提升的高度h、繩子自由端移動(dòng)的距離s，如圖1乙。由公式η=計(jì)算得到滑輪組的機(jī)械效率，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在表1中。

（2）改變重物的重力重復(fù)步驟1的操作2次，并且把得到的數(shù)據(jù)記錄在表1中。

（3）組裝兩定兩動(dòng)滑輪組如圖1丙所示，重復(fù)步驟1、2的操作，并且把得到的數(shù)據(jù)記錄在表1中。

【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄】：

【實(shí)驗(yàn)結(jié)論】：被提升重物的重力越大，滑輪組的機(jī)械效率越高，動(dòng)滑輪的重力越大，滑輪組的機(jī)械效率越低。

2 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)方案

【實(shí)驗(yàn)原理】：η=

【實(shí)驗(yàn)器材】：重力不同的滑輪、重物、彈簧測(cè)力計(jì)、刻度尺、細(xì)繩、鐵鏈，組裝后的器材如圖2所示。各組器材不完全相同，圖3給出了組間器材的區(qū)別。

【實(shí)驗(yàn)步驟】：同原實(shí)驗(yàn)方案步驟1，但需要在改變提升高度的情況下做三遍。

【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄】：

每小組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表格如表2：

全班四大組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表格如表3：

每一小組完成實(shí)驗(yàn)時(shí)將數(shù)據(jù)記錄在表2中，完成實(shí)驗(yàn)后，將本組得到的機(jī)械效率的平均值記錄在表3相應(yīng)的組別中，供大家來分析。

【實(shí)驗(yàn)結(jié)論】：被提升重物的重力越大，滑輪組的機(jī)械效率越高。動(dòng)滑輪的重力越大，滑輪組的機(jī)械效率越低。繩子重力越大，機(jī)械效率越低。重物上升的高度不影響滑輪組的機(jī)械效率。

3 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)在課堂教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 情景引入

如圖4，用大滑輪吊起小水杯，請(qǐng)學(xué)生談感受，分別從力的角度和能量的角度分析其不合理性。

結(jié)合情景，通過投入產(chǎn)出的類比及生活中的成語——“事半功倍”“事倍功半”來理解有用功、總功、滑輪組機(jī)械效率等概念。類比的方法有助于學(xué)生理解抽象的概念，結(jié)合具體的情景分析問題，可以加深學(xué)生對(duì)有用功、總功、機(jī)械效率這些重點(diǎn)概念的認(rèn)識(shí)。

3.2 測(cè)量效率

【設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)】：教師和同學(xué)們一起經(jīng)歷測(cè)量性實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程。先從測(cè)量性實(shí)驗(yàn)的理論依據(jù)即實(shí)驗(yàn)原理出發(fā)，分析所需要測(cè)量的物理量及所需的實(shí)驗(yàn)器材。然后來分析測(cè)量這些物理量的過程中需要注意的點(diǎn)（如彈簧測(cè)力計(jì)豎直向上勻速拉動(dòng)等），測(cè)量的先后次序怎樣最合理。最后，帶領(lǐng)學(xué)生一起按照先自變量后因變量、先直接測(cè)量量后間接測(cè)量量及物理量測(cè)量的先后次序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)記錄表格。

【進(jìn)行實(shí)驗(yàn)】：同學(xué)們動(dòng)手操作，教師巡視答疑，提醒同學(xué)們操作上不規(guī)范的地方。每大組同學(xué)的實(shí)驗(yàn)器材不完全相同，第一大組用鐵鏈子，不同于其他三個(gè)大組的棉線；第四大組用1 N的重物，不同于其他大組的2 N；一二大組動(dòng)滑輪重力0.3 N，三四大組動(dòng)滑輪重力0.15 N。這樣每相鄰的兩組之間器材只有一點(diǎn)不同，具體見圖2和圖3。

【報(bào)告數(shù)據(jù)】：每一大組同學(xué)有五個(gè)小組，每個(gè)小組可以把自己的測(cè)量結(jié)果報(bào)上來，供全班同學(xué)分析，如表4。

3.3 分析效率

同一大組的五個(gè)數(shù)據(jù)非常接近，如表4。相鄰兩個(gè)大組的數(shù)據(jù)卻差異比較大，如表5。

由一二大組數(shù)據(jù)可以看出機(jī)械效率不同是因?yàn)槔K重不同，第一組繩子重力大，滑輪組機(jī)械效率低。由二三大組數(shù)據(jù)可以看出機(jī)械效率不同是因?yàn)閯?dòng)滑輪重力不同，第二組動(dòng)滑輪重力大，滑輪組機(jī)械效率低。由三四大組數(shù)據(jù)可以看到重物重力不同，機(jī)械效率也不同，第三組重物重力大，滑輪組機(jī)械效率高。小組內(nèi)數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出在實(shí)驗(yàn)器材完全相同的情況下，物體被提升高度不同，機(jī)械效率卻是基本相同的，說明物體被提升的高度并不影響機(jī)械效率。若忽略軸的摩擦和繩重，利用公式η=，二三四組機(jī)械效率分別是87%、93%、87%，大于實(shí)際測(cè)量值但與其比較接近，說明了軸的摩擦和繩子比較輕時(shí)繩重帶來的額外功對(duì)機(jī)械效率的影響不大，處理實(shí)際問題時(shí)我們忽略軸的摩擦和繩重是比較合理的。棉線和滑輪之間的摩擦屬于靜摩擦，此處不會(huì)有熱量出現(xiàn)，不會(huì)帶來額外功，所以不影響機(jī)械效率。

3.4 得出結(jié)論

動(dòng)滑輪重力越大，機(jī)械效率越低。物體重力越大，機(jī)械效率越高。

當(dāng)繩子重力較小（如材質(zhì)為棉線）時(shí)，可以忽略繩子重力對(duì)滑輪組機(jī)械效率的影響，軸的摩擦對(duì)滑輪組機(jī)械效率的影響也較小，處理具體問題時(shí)忽略繩重和軸的摩擦是合理的。

重物上升高度不影響機(jī)械效率。

3.5 學(xué)以致用

如何提高滑輪組的機(jī)械效率？學(xué)生已經(jīng)由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出影響機(jī)械效率的因素，自然可以理解增加被提升物體的重力、減小動(dòng)滑輪的重力、減小軸的摩擦和繩重等等都可以提高滑輪組的機(jī)械效率。

新課引入時(shí)用大滑輪提升水杯時(shí)機(jī)械效率為多少？G=10 N，G杯=2 N，不計(jì)軸的摩擦和繩重，η==16.7%。若考慮軸的摩擦和繩重，機(jī)械效率還會(huì)更低。從能量角度體會(huì)用大滑輪組提升水杯的不合理性及提高機(jī)械效率的必要性。

4 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)點(diǎn)[2]

（1）每個(gè)小組做3組實(shí)驗(yàn)，相比原方案的6組實(shí)驗(yàn)節(jié)約了時(shí)間，同學(xué)們有更充分的時(shí)間交流討論，獲得更多的信息，體現(xiàn)了高效課堂。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)裝置不改變做三次實(shí)驗(yàn)，減小了偶然因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更具說服力。

（2）分析數(shù)據(jù)的過程中，同學(xué)們經(jīng)歷了從信息中分析、歸納規(guī)律的過程，并且多次使用控制變量法，鍛煉了分析、概括能力和解決問題的能力。

（3）數(shù)據(jù)得到了更充分的應(yīng)用，同一大組內(nèi)各小組的數(shù)據(jù)對(duì)比，以及各大組間的數(shù)據(jù)對(duì)比，都體現(xiàn)了交流、分享的理念，培養(yǎng)了同學(xué)們合作學(xué)習(xí)的精神和語言表達(dá)能力等。

（4）大數(shù)據(jù)分析可以得到更多的結(jié)論。首先，是得到更多影響機(jī)械效率的因素，如動(dòng)滑輪的重力、重物的重力、繩子的重力等。其次，用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了重物上升的高度不影響滑輪組的機(jī)械效率。最后，可以說明我們分析問題時(shí)忽略繩重和軸的摩擦的合理性。

（5）原方案重測(cè)量，新方案不僅有對(duì)機(jī)械效率的測(cè)量而且有探究影響機(jī)械效率的因素。同學(xué)們合作分享、動(dòng)腦分析，有助于同學(xué)們理解并掌握機(jī)械效率這個(gè)核心概念；提升推理、分析、綜合的邏輯思維能力；同時(shí)也培養(yǎng)了尊重事實(shí)的科學(xué)精神和喜歡探究的科學(xué)品質(zhì)，提升了同學(xué)們的科學(xué)素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]課程教材研究所物理課程教材研究開發(fā)中心.物理八年級(jí)下冊(cè)（義務(wù)教育教科書）[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2012：116-119.

[2]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2011：5-7.

（欄目編輯 趙保鋼）endprint