摘 要：功的原理的推導(dǎo)和理解是本節(jié)課重難點(diǎn)，教材中關(guān)于“使用機(jī)械能否省功“的實(shí)驗(yàn)有一定的局限性，并且不能恰當(dāng)?shù)氐贸龉Φ脑?筆者對(duì)實(shí)驗(yàn)器材和過程進(jìn)行了優(yōu)化和創(chuàng)新，并采用“實(shí)驗(yàn)+推理”即理想實(shí)驗(yàn)法突破了重難點(diǎn)，追本溯源使學(xué)生理解“使用任何機(jī)械都不省功”的真正意義.

關(guān)鍵詞：功的原理;實(shí)驗(yàn)優(yōu)化創(chuàng)新;“實(shí)驗(yàn)+推理”

中圖分類號(hào)：G633.7???? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B???? 文章編號(hào)：1008-4134（2021）14-0045-04

作者簡介：田茂剛（1980-），男，山東淄博人，本科，中學(xué)一級(jí)教師，研究方向：初中物理課堂教學(xué).

眾所周知物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然學(xué)科，它是發(fā)展最成熟、高度計(jì)量化的精密科學(xué)，同時(shí)它的發(fā)展具有方法論的性質(zhì)，被人們公認(rèn)為最重要的基礎(chǔ)學(xué)科.2019年11月20日教育部下發(fā)了《關(guān)于加強(qiáng)和改進(jìn)中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意見》，在其總體要求中指出：“拓展創(chuàng)新，不斷將科技前沿知識(shí)和最新技術(shù)成果融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，豐富內(nèi)容，改進(jìn)方式;注重實(shí)效，強(qiáng)化學(xué)生實(shí)踐操作、情境體驗(yàn)、探索求知、親身感悟和創(chuàng)新創(chuàng)造，著力提升學(xué)生的觀察能力、動(dòng)手實(shí)踐能力、創(chuàng)造性思維能力和團(tuán)隊(duì)合作能力，培養(yǎng)學(xué)生的興趣愛好、創(chuàng)新精神、科學(xué)素養(yǎng)和意志品質(zhì).”[1]由此可見，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物理教師的一種職責(zé)，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維能力具有舉足輕重的作用.

功的原理（mechanical work theorem）是一個(gè)普遍的結(jié)論，對(duì)于任何機(jī)械都適用，它對(duì)機(jī)械的使用和研制具有重要的指導(dǎo)意義，故功的原理被譽(yù)為“機(jī)械的黃金定律”.“功的原理”是初中物理力學(xué)中一種比較重要的基本原理，它是學(xué)生在學(xué)習(xí)了簡單機(jī)械后對(duì)利用機(jī)械作功的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，是對(duì)生活中物理現(xiàn)象的進(jìn)一步觀察和應(yīng)用，然而面對(duì)如此重要的原理，在實(shí)際教學(xué)中有些課堂卻不注重實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性和科學(xué)性，出現(xiàn)了以偏概全、越俎代庖甚至本末倒置的情況，本文針對(duì)魯教版（山東科學(xué)技術(shù)出版社）物理八年級(jí)下冊(cè)第九章第五節(jié)“功的原理”教學(xué)中存在的不足進(jìn)行了優(yōu)化和創(chuàng)新.

1 教材中原有實(shí)驗(yàn)的描述與不足

1.1 教材中關(guān)于功的原理的描述

筆者使用的教材是教育部2012審定的魯教版教材，教材中這樣描述功的原理：“大量事實(shí)表明：使用機(jī)械時(shí)人們所做的功，都不會(huì)少于不用機(jī)械所做的功，也就是說使用任何機(jī)械都不能省功，這個(gè)結(jié)論叫作功的原理”，其中“都不會(huì)少于”的意義包含“大于或等于”兩層意思，即如果我們把使用機(jī)械時(shí)做的功表示為W機(jī)械，把不用機(jī)械而直接用手做的功表示為W手，那么用數(shù)學(xué)語言來描述功的原理就是W機(jī)械≥W手.

1.2 教材中實(shí)驗(yàn)的不足

教材中分別利用杠桿和動(dòng)滑輪提起鉤碼來探究“使用機(jī)械能否省功”這個(gè)問題，筆者認(rèn)為教材中的實(shí)驗(yàn)探究有以下三點(diǎn)不足之處：

第一，教材中使用杠桿進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)操作不方便且移動(dòng)距離不易測量.物體移動(dòng)軌跡和彈簧測力計(jì)在提升過程中的移動(dòng)軌跡是一條曲線，先要找出同一點(diǎn)的前后兩個(gè)位置，再用刻度尺測量出對(duì)應(yīng)點(diǎn)的豎直距離.在空間中測量物體移動(dòng)的距離h和彈簧測力計(jì)移動(dòng)距離s時(shí)會(huì)造成較大的測量誤差甚至錯(cuò)誤.

第二，教材中分別利用杠桿和動(dòng)滑輪提起鉤碼來探究“使用機(jī)械能否做功”時(shí)類型不夠全面.功的原理適用于所有機(jī)械，包括理想機(jī)械、實(shí)際機(jī)械、組合機(jī)械，是一種無論考慮還是不考慮機(jī)械自身受到的重力、摩擦力等因素都普遍適用的原理，但使用杠桿和動(dòng)滑輪這兩種實(shí)驗(yàn)器材側(cè)重于體現(xiàn)機(jī)械自身重力對(duì)機(jī)械做功產(chǎn)生的影響，而其他的很多常見的因素產(chǎn)生的影響卻無法體現(xiàn)，這樣得出的結(jié)論可能會(huì)具有局限性，也不利于學(xué)生科學(xué)思維和發(fā)散思維能力的培養(yǎng).

第三，教材中的實(shí)驗(yàn)探究及其結(jié)果不能夠恰當(dāng)?shù)氐贸龉Φ脑?，即“使用任何機(jī)械都不省功”的結(jié)論.利用動(dòng)滑輪等簡單機(jī)械提起鉤碼，將鉤碼重G、鉤碼提升的高度h、手的拉力F以及手移動(dòng)的距離s填入表格，并計(jì)算出使用機(jī)械做的功W機(jī)械和不用機(jī)械做的功W手進(jìn)行比較（見表1）.

表1是筆者在授課前自己實(shí)驗(yàn)探究時(shí)記錄的一組數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)我們可知：使用機(jī)械做的功大于不用機(jī)械做的功，即W機(jī)械>W手，而根據(jù)功的原理二者的關(guān)系應(yīng)該是W機(jī)械≥W手.

2 實(shí)驗(yàn)器材的優(yōu)化與創(chuàng)新

2.1 實(shí)驗(yàn)器材的優(yōu)化與創(chuàng)新

針對(duì)以上不足，筆者對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)器材的對(duì)應(yīng)性進(jìn)行了深入的思考和衡量，筆者想到了一種常見的能代替杠桿更好的實(shí)驗(yàn)器材——斜面，使用斜面做探究實(shí)驗(yàn)有以下優(yōu)點(diǎn)：

第一，鉤碼移動(dòng)的距離h和手移動(dòng)的距離s更容易測得并且誤差較小.

第二，可以進(jìn)一步探究摩擦力對(duì)機(jī)械做功的影響，從而解決前期探究影響因素范圍偏窄的問題.

總之，這次實(shí)驗(yàn)器材選擇的創(chuàng)新可以做到兩者兼顧、一舉兩得.實(shí)驗(yàn)優(yōu)化和創(chuàng)新的思維過程如圖1所示.

2.2 實(shí)驗(yàn)器材的最終選擇是動(dòng)滑輪和斜面

本節(jié)課中最終使用動(dòng)滑輪和斜面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，使用二者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究具有類型全面、操作簡單、現(xiàn)象明顯、數(shù)據(jù)易測量且誤差小等優(yōu)點(diǎn)，也為實(shí)驗(yàn)后續(xù)的分析推理做好了鋪墊.

3 探究過程的優(yōu)化與創(chuàng)新

3.1 實(shí)驗(yàn)過程的優(yōu)化

通過實(shí)驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)處理得出的結(jié)論是：使用機(jī)械做的功大于不用機(jī)械做的功，即W機(jī)械>W手，而功的原理的實(shí)質(zhì)指明二者的關(guān)系應(yīng)該是W機(jī)械≥W手，問題的癥結(jié)是教學(xué)過程中如何引導(dǎo)學(xué)生理解W機(jī)械=W手，或者說在什么條件下W機(jī)械=W手.

使用機(jī)械有時(shí)省力，有時(shí)省距離，為什么不省功呢？這是學(xué)生普遍的疑問.筆者考慮從實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)入手，根據(jù)學(xué)生存在的疑問和好奇心理激發(fā)學(xué)生的探究欲望，追本溯源引導(dǎo)學(xué)生科學(xué)分析導(dǎo)致使用機(jī)械做的功大于不用機(jī)械做的功的根本原因.

3.1.1 實(shí)驗(yàn)過程優(yōu)化方法

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)分別使用動(dòng)滑輪和斜面探究“使用機(jī)械是否省功”.

使用動(dòng)滑輪探究時(shí)：用彈簧測力計(jì)測出鉤碼的重G，選擇重力不同的大中小三種動(dòng)滑輪（如圖2所示），按照“先用大的動(dòng)滑輪再用中等的動(dòng)滑輪后用小的動(dòng)滑輪”的實(shí)驗(yàn)順序分別將同一鉤碼提升相同的高度h，記下彈簧測力計(jì)的示數(shù)F，測出繩子自由端移動(dòng)的距離s，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在表格中.

使用斜面探究時(shí)：用彈簧測力計(jì)測出木塊的重G，將木塊勻速提升一定高度h，并做好標(biāo)記;組裝好斜面后，在斜面上按照“先鋪毛巾再鋪棉布后用木板”的順序分別用彈簧測力計(jì)沿斜面勻速拉動(dòng)木塊至標(biāo)記處（如圖3所示），記下彈簧測力計(jì)的示數(shù)F，彈簧測力計(jì)沿斜面移動(dòng)的距離s，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在表格中.

3.1.2 計(jì)算并分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

下面是筆者保留的一份學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的記錄表（如圖4所示）.

實(shí)驗(yàn)表明：使用機(jī)械時(shí)人們所做的功，都大于不用機(jī)械時(shí)所做的功，即W機(jī)械>W手.

分組討論：這兩組使用了相同的實(shí)驗(yàn)器材，并且每次實(shí)驗(yàn)結(jié)果都存在W機(jī)械>W手的關(guān)系，但是通過數(shù)據(jù)比對(duì)發(fā)現(xiàn)每組的W機(jī)械與W手的差值是不同的，為什么呢？進(jìn)一步猜想使用機(jī)械時(shí)W機(jī)械>W手的根本原因可能是什么呢？

討論結(jié)果：機(jī)械自身的重力和摩擦力.

3.2 探究方法的創(chuàng)新

教材中通過實(shí)驗(yàn)探究后就給出了“使用任何機(jī)械都不省功”的結(jié)論，這一舉措筆者認(rèn)為是有待商榷的，因?yàn)橥ㄟ^實(shí)驗(yàn)很容易得出W機(jī)械>W手的結(jié)論，但實(shí)驗(yàn)中并沒有W機(jī)械=W手的體現(xiàn).因?yàn)閃機(jī)械>W手是機(jī)械做功的實(shí)際情況，而W機(jī)械=W手卻是一種理想情況，所以筆者嘗試在教學(xué)過程中使用”實(shí)驗(yàn)+推理”的教學(xué)方法即理想實(shí)驗(yàn)法突破瓶頸.教學(xué)中在實(shí)驗(yàn)探究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生分析影響因素，從而推理出無其他因素影響時(shí)使用機(jī)械做功與不用機(jī)械做功之間的大小關(guān)系，即理想狀態(tài)下二者之間的大小關(guān)系，這樣既能夠突破為什么W機(jī)械=W手的重難點(diǎn)，也能夠科學(xué)完整地推導(dǎo)出功的原理.

3.2.1 實(shí)驗(yàn)探究

（1）=1＼*GB3使用機(jī)械時(shí)人們所做的功，都大于不用機(jī)械時(shí)所做的功，即W機(jī)械>W手.

（2）=2＼*GB3機(jī)械的重力或摩擦力是W機(jī)械>W手的影響因素.

3.2.2 科學(xué)推理

問題：我們?cè)僦匦路治鲞@兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，按照實(shí)驗(yàn)順序，機(jī)械自身重力或摩擦力怎樣變化？W機(jī)械與W手的差值有什么特點(diǎn)？看看還存在什么規(guī)律？

回答：機(jī)械自身重力和摩擦力越來越小，W機(jī)械與W手的差值也越來越小.

推理：當(dāng)繩重、動(dòng)滑輪等機(jī)械重力和摩擦力為零時(shí)呢？

回答：W機(jī)械與W手之間的差值就會(huì)逐漸減小為零，即W機(jī)械=W手.

我們把不計(jì)繩重、動(dòng)滑輪的重力和摩擦力時(shí)的狀態(tài)稱為理想情況.

3.2.3 利用“實(shí)驗(yàn)+推理”的方法推導(dǎo)出功的原理

學(xué)生通過“實(shí)驗(yàn)探究”的環(huán)節(jié)得出“使用機(jī)械做的功W機(jī)械大于不用機(jī)械做的功W手”，即W機(jī)械>W手;學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析“W機(jī)械>W手”的原因，找出了機(jī)械自重和摩擦力等因素對(duì)機(jī)械做功的影響;進(jìn)一步推理：隨著機(jī)械自身重力和摩擦力越來越小，則W機(jī)械與W手之間的差值就會(huì)越來越小，達(dá)到理想情況時(shí)即機(jī)械自身重力和摩擦力減小到零時(shí)，則W機(jī)械與W手之間的差值也會(huì)為零，即W機(jī)械=W手.

綜合實(shí)驗(yàn)探究和科學(xué)推理可得出“使用任何機(jī)械都不省功”，即功的原理.

（1）實(shí)際情況：W機(jī)械>W手

（2）理想情況：W機(jī)械=W手即W機(jī)械≥W手

4 優(yōu)化創(chuàng)新后的效果

4.1 優(yōu)化創(chuàng)新后的教學(xué)效果

通過本節(jié)課的教學(xué)使學(xué)生理解了“使用任何機(jī)械都不省功”的真正意義，學(xué)生能夠用功的原理解釋使用斜面為什么能省力、為什么將物體提升相同高度時(shí)，斜面越長越省力，也能夠理解和解釋“將同一個(gè)物體分別沿AB和AC兩個(gè)光滑斜面勻速拉到頂端”兩次的拉力F1、F2及兩次做功W1和W2的大小關(guān)系等.

通過反饋發(fā)現(xiàn)學(xué)生理解和掌握情況較好，學(xué)生通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)不僅理解了功的原理，并且能夠根據(jù)功的原理來解決生產(chǎn)生活中的實(shí)際問題， 貫徹了“物理來源于生活又服務(wù)于生活”的原則，他們不僅學(xué)到了知識(shí)，還在學(xué)習(xí)過程中體驗(yàn)到了成功的喜悅，增強(qiáng)了自信心，所以本節(jié)課無論是在培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)方法上，還是鍛煉學(xué)生思維能力等方面都達(dá)到了預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)效果.

4.2 優(yōu)化創(chuàng)新后的教研效果

筆者根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和創(chuàng)新思路在2019年執(zhí)教了“功的原理”一課，這節(jié)課在當(dāng)?shù)氐奈锢斫萄谢顒?dòng)中起到了積極的導(dǎo)向作用，在一定程度上促進(jìn)了區(qū)域內(nèi)物理教學(xué)的優(yōu)化和創(chuàng)新思考，這節(jié)課被評(píng)為“教育部2019年度‘一師一優(yōu)課、一課一名師活動(dòng)‘優(yōu)課”.

“功的原理”這節(jié)課的優(yōu)化設(shè)計(jì)和創(chuàng)新思路也引起當(dāng)?shù)亟萄惺业闹匾暎渡綎|省淄博市2019年初中物理學(xué)業(yè)水平考試物理試題》中第22題就是以這節(jié)課為母版進(jìn)行的中考命題.

《山東省淄博市2019年初中物理學(xué)業(yè)水平考試物理試題》第22題：在日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，提高機(jī)械效率有著重要的意義.提高機(jī)械效率，要從研究影響機(jī)械效率的因素出發(fā)，尋求辦法.

（1）為了探究影響機(jī)械效率的因素，小明選取了大小相同的滑輪，利用圖5甲和圖5乙裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并把數(shù)據(jù)整理記錄在下表2中.

①比較1和2兩次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在所有滑輪組一定時(shí)，提升的鉤碼，機(jī)械效率越高.

②比較3和4兩次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：滑輪組的機(jī)械效率還與有關(guān).

③比較兩次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在所用滑輪組一定時(shí)，機(jī)械效率與提升鉤碼的高度無關(guān).

④第5次實(shí)驗(yàn)是利用了圖的裝置完成的，判斷依據(jù)是.

⑤利用圖5甲的裝置，把重6N的物體用2.5N的拉力迅速拉起，滑輪組的機(jī)械效率為.可見如果沒有刻度尺，只有測力計(jì)，也可以測量出滑輪組的機(jī)械效率.

（2）小明利用圖5丙裝置實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：斜面的機(jī)械效率與斜面的傾斜程度和摩擦有關(guān)，與物重?zé)o關(guān).保持斜面傾斜程度不變，可以采用的方法減小摩擦，從而提高斜面的機(jī)械效率.

（3）實(shí)驗(yàn)表明：額外功越小，總功越接近有用功;進(jìn)一步推理得出：假設(shè)沒有額外功，總功等于有用功;可見使用任何機(jī)械都.下列物理規(guī)律的得出運(yùn)用了這種研究方法的是.

A.焦耳定律???? B.牛頓第一定律

C.阿基米德原理?? D.歐姆定律

5 優(yōu)化創(chuàng)新追本溯源與物理教學(xué)

物理學(xué)科的特點(diǎn)決定了教學(xué)中的絕大部分知識(shí)和概念的建立都是以實(shí)驗(yàn)探究為基礎(chǔ)的，而教材中的很多實(shí)驗(yàn)存在著演示不方便或效果不明顯等不足之處，所以物理教師要對(duì)教材中現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化和創(chuàng)新才能獲得理想的教學(xué)效果.有些物理知識(shí)僅僅通過實(shí)驗(yàn)就得出物理規(guī)律或物理原理往往是行不通的，因?yàn)檫@樣容易造成知識(shí)的片面、缺陷甚至錯(cuò)誤，所以物理教學(xué)中要注重實(shí)驗(yàn)探究特別是教學(xué)方法的優(yōu)化和創(chuàng)新，綜合運(yùn)用物理方法，做到因勢利導(dǎo)、循序漸進(jìn)、追本溯源，才能在物理教學(xué)的道路上教學(xué)相長、助力學(xué)子并快樂自己.

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（收稿日期：2021-04-08）