（原创）教学随笔：“机械效率”课时设计思路
本节主要包括“有用功、额外功和总功以及机械效率两大方面的内容，它既是前面的知识的延伸，又是功的知识在生活实际中广泛的应用，而机械效率对学生今后参加社会实践具有非常重要的指导意义，并且物理课程标准对机械效率的要求是理解的层次，所以本节课不但是本章的重点，也是初中物理的重点内容。
下面将“机械效率”一节课的设计思路梳理如下：
第一环节：新课导入
师：如图所示，工人师傅用三种方法把重100N的沙子提到三楼去，你选哪一种？请根据图中所提供的信息计算说明（绳与滑轮的摩擦不计，不考虑滑轮和桶、滑轮和口袋的间距）。
生：小组讨论后自由回答
师：通过刚才大家的讨论可知，同样将沙子运到三楼，可以采用不同的方式，这就需要考虑做功的效率问题，今天我们就来学习另一个重要的物理量——机械效率。（板书本节课题：§9-6 机械效率）
第二环节：课堂探究
（一）有用功和额外功
师：假如用动滑轮提升沙子，请同学们观着提沙子的过程（媒体显示）。
生：观察思考。
师：对谁做的功是我们需要的？
生：对沙子做的功。
师：（板书有用功：我们所需要的功。）
哪部分功是我们不需要，但不得不做的？
生：提桶所做的功，克服动滑轮的重力所做的功。
师：（板书额外功：工作时，对于额外负担所不得不做的功。）
一共做的功等于什么？
生：有用功与额外功之和。
师：（板书总功：有用功与额外功之和。）
生：计算后回答。
（1）三种方法所做的有用功是多少?
（2）请计算出三种情况下所做的额外功、总功各是多少？
师：假如我们用下面三种方法搬运沙子（媒体显示），
你认为哪一种方法最好？为什么？
生：讨论回答。（第三种方法最好，因为第三种方法做的额外功最少。）
生：联系实际——用水桶从井中提水的时候，所做的功哪部分是有用功，哪部分是额外功？如果桶掉到井里，从井里捞桶的时候，捞上的桶里带了一些水，这种情况下哪部分是有用功，哪部分是额外功？
（二）机械效率
师：工作中，我们总是希望额外功越少越好；也就是有用功在总功中所占的比例越大越好。在物理学中，用机械效率表示有用功在总功中所占的比例。（板书机械效率：有用功在总功中所占的比例）表示机械效率；W有表示有用功；W总表示总功。那么，机械效率应该怎样表示？
生：
师：根据公式计算，上面三种情况的机械效率是多少？
生：计算后回答。
师：观察计算结果，对“机械效率”，你能发现什么？
生：讨论回答。（机械效率没有单位，小于1，常用百分数表示。）
（三）典例解析：
起重机把质量为0.6t的重物匀速提升了3 m，它的起重机所做的功是3.4×104J，起重机的机械效率为多少？（g取10N/kg）
巩固练习：一台起重机将重3600N的货物提高4m。如果额外功是9600J，起重机做的有用功是多少？总功是多少？机械效率是多少？起重机在哪些方面消耗了额外功？
提高机械效率的意义：
引导学生得出：可以减少能耗，降低生产成本。对于效率，引导学生进一步讨论，得出凡事都要讲究效率，提高工作、学习效率是整个社会进步发展的重要标志。
（四）测定斜面的机械效率
师：实际上使用任何机械都会不可避免的做一些额外功，这样使得有用功总是小于总功，有用功占总功的百分比就是机械效率，我们用它来描述利用机械做功的效率，那么斜面的机械效率到底与哪些因素有关呢？它的省力情况与它的机械效率有什么关系吗？
1．提出问题：
师：这节课我们就一起来探究斜面的机械效率。
师：我们利用斜面做功时，目的是把物体抬到一定高度处。我们不把它竖起提升，而是沿着斜面把它拉上去，这是为了省力。演示：请看这里，沿斜面拉物体时，什么是有用功？什么是总功？如何计算斜面的机械效率？
生：克服物体重力所做的功是有用功，拉力所做的功是总功。
师：我们需要哪些测量仪器？需要测量哪些物理量呢？
生：需要弹簧测力计和刻度尺。要测出物体重力，斜面高度，拉力，斜面长度
斜面的机械效率：
（大屏幕）
师：你们准备怎样测量拉力的大小？
生：用弹簧测力计钩住物体，沿斜面匀速向上拉，读出测力计的示数即为拉力的大小。
师：知道了如何测量斜面的机械效率了，同学们猜想一下，斜面的机械效率可能与哪些因素有关呢？
2．进行猜想：
生：斜面的机械效率可能与斜面的高度、斜面长度、倾斜程度、斜面坡度、斜面粗糙程度、所拉物体重力有关。（大屏幕）
师：能说说你们的猜想依据吗？
生：我觉得可能与斜面的粗糙程度有关，斜面越粗糙，克服摩擦力所做的额外功就越多，机械效率越低。
师：有道理。摩擦是影响机械效率的一个重要因素，摩擦力越大，做的额外功就越多，机械效率就越低。
生：我觉得可能与斜面的倾斜程度有关，斜面的倾斜程度越大，把物体提升得也越高，机械效率就越高。
生：我认为可能与斜面的坡度有关。坡度越大，斜面的机械效率越高。
生：我觉得可能与物体的重力有关，物体越重，所以机械效率高（或越低）。
生：我认为可能与斜面的长度有关，斜面越长，克服摩擦力所做的额外功也越多，机械效率就越低。
生：我认为可能与物体对斜面的压力有关，压力越大，机械效率越低（或越高）。
生：我认为可能与斜面的高度有关，斜面越高，做的有用功就越多，机械效率越高。
师：很不错，同学们猜想了这么多因素，而且说得有理有据。我们能不能把这些因素中相类似的因素合并合并，把问题简化一下呢？谁来说？
生：我觉得斜面的坡度与斜面的倾斜程度可以合并。
师：坡度与倾斜程度是不是一个意思呀？
生：我觉得物体对斜面的压力与物体的重力可以合并。
师：物体越重，对斜面的压力也越大，那我们把它们合并为重力，因为压力不太好测量。
生：我认为斜面的高度与斜面的长度也都可以合并为斜面的倾斜程度，因为固定高度，只改变长度或固定长度只改变高度都相当于改变了斜面的倾斜程度，效果是一样的。
师：说得有道理，你能来演示给我们看看吗？
生：演示并解说。把斜面长度固定，只改变斜面高度，斜面的倾斜程度变了；把斜面高度固定，只改变斜面的长度，斜面的倾斜程度也变了。这两种方法达到的效果是一样的。
师：这两种方法都改变了斜面的倾斜程度。但哪一种方法更简便？
生：固定高度，改变斜面的长度更简便。
师：按照同学们的讨论结果，进行合并后，影响斜面的机械效率的因素有几个？
生：斜面的倾斜程度、斜面的粗糙程度、物体重力。（大屏幕）
3．设计方案：
师：要证明同学们的猜想是否正确，最好的办法就是做实验，因为实验是检验真理的唯一标准。但是在做实验之前，我们必须先设计好实验方案，因为只有这样，才能让实验有条不紊的进行。
师：当一个物理量与几个因素有关，我们用什么方法来进行探究呢？
生：控制变量法。
师：当一个量与多个因素有关，在探究其中一个因素时，我们要控制其它的因素一定，这就是控制变量法。由于探究的因素较多，我们的时间也有限，所以各小组的同学只能就其中一个你比较感兴趣的问题来进行探究，各小组讨论一下，我来分分组，同时请各小组组长来领取实验报告单。把你们的设计方案写下来，画出实验的图例和实验表格。
生设计实验，师巡视。发现问题及时给与帮助。
4．展示交流结果：
生1：在探究斜面机械效率与斜面倾斜程度的关系时，控制斜面的粗糙程度和物体重力一定，改变斜面的倾斜程度。分别就较缓、较陡、最陡做三次。这是我们的设计方案图和表格。
师：大屏幕展示方案一。（强调材料任意选择其中一种）（动画及表格）
附表格一：
生2：在探究斜面机械效率与斜面粗糙程度的关系时，控制斜面的倾斜程度和物体重力一定，改变斜面的粗糙程度。分别在毛巾、木板、玻璃斜面上做三次。这是我们的方案图和表格。
师：大屏幕展示方案二。（动画及表格）
附表格二：
生3：在探究斜面机械效率与物体重力的关系时，控制斜面的倾斜程度和斜面粗糙程度一定，改变物体的重力，分别用较轻、较重、最重的物体做三次。这是我们的方案图和表格。
师：展示方案三。（也强调材料可以任意选择）（动画及表格）
附表格三：
5．进行实验：
师：方案已经制定出来了。下面就开始实验吧。同学们边做实验边记录数据。
生：做实验。师巡视。发现问题及时帮助。
6．分析论证，得出结论
师：同学们的实验做完了吗？做完了。把你们的数据及结论拿到前面来展示一下，让大家来分享你们的实验成果吧。哪个小组先来？你们小组先来吧。
生：展示实验。先把实验报告拿到展示台下展示，然后一个同学做演示，一个同学解说。
生1：我们探究的是斜面的机械效率与倾斜程度的关系。我们首先测出了物体重力，记入了表格。实验时，我们选择的是——斜面。先让斜面的倾斜程度较小，把物体沿斜面匀速拉上斜面，读出拉力的大小，记入表格，再用刻度尺测出斜面的长度和高度也分别记入表格。然后逐渐增大斜面的倾斜程度，按同样的方法重做两次实验。最后算出较缓时为＊＊，较陡时为＊＊，最陡时为＊＊。所以我们得出的结论是：斜面的倾斜程度越大，机械效率越高。
师：真不错，说得这么详细。为他们鼓掌。
师：其它探究机械效率与斜面倾斜程度关系的小组得出的结论与他们的相同吗？
生：我们选择的是毛巾斜面，也得到了同样的结论。
师：下面哪个小组上来展示？
生2：我们小组探究的是斜面的机械效率与斜面粗糙程度的关系。控制斜面的倾斜程度和物体重力一定，也是先测出了物体重力，记入了表格中，实验时，先在木板表面铺上毛巾，把物体沿毛巾斜面匀速拉上斜面，记下拉力大小，记入表格，用刻度尺测出斜面长度和斜面高度分别记入表格中。然后再在木板斜面和玻璃斜面重复上面的实验。最后分别算出在毛巾表面上时为＊＊，木板表面上时为＊＊，玻璃表面上时为＊＊，我们得出的结论是：斜面越粗糙，斜面的机械效率越低。
师：其它探究这个因素的小组得到的结论是一致的吗？
生3：我们探究的是斜面的机械效率与物体重力的关系。控制斜面的倾斜程度和斜面的粗糙程度均相同，先测出木块重力，记入表格中，把它沿斜面匀速拉上斜面，测出拉力的大小记入表格中，同时测出斜面长度和斜面高度，也分别记入表格中，然后逐渐在木块上加砝码，改变物体重力，重复上面的实验。最后算出较轻时的为＊＊，较重时为＊＊，最重时为＊＊。这三次的近似相等，所以在误差范围内，我们得出的结论是：斜面的机械效率与物体重力无关。
师；同学们都说得非常好。综合一下同学们的实验结论。我们可以得出影响斜面的机械效率的因素只有两个，即斜面的倾斜程度和斜面的粗糙程度。具体的关系怎样说才算是严密的呢？
生：在斜面的粗糙程度一定时，斜面的倾斜程度越大，斜面的机械效率越高。
生：在斜面的倾斜程度一定时，斜面越粗糙，斜面的机械效率越高。
生：斜面的倾斜程度与物体的重力无关。
师：说得非常好。（大屏幕展示结论）
7．评估与交流
师：我们回到刚才第一个表格中，同学们有没有什么新的发现？
生：我还发现，倾斜程度越小，拉力越小，也就是越省力。
师：那综合分析一下省力情况与机械效率大小，你可以得到什么结论？
生：斜面越省力，机械效率越低；斜面越费力，机械效率越高。
师：既然斜面的倾斜程度越小，机械效率越低，那盘山公路为什么还要把斜面修得那么长呢？
生：为了更省力。
师：特别是对于较重的物体做功考虑更多的应该是省力的问题，因为如果你不能搬不动动物体，你做的功就等于0，你的机械效率也将为零。这样看来，我们应该在力所能及的范围内，尽量的让斜面更陡一些，更光滑一些，这样就能提高斜面的机械效率了。
师：通过刚才的探究，你最感兴趣的是什么？你还想知道有关斜面的哪些方面问题？（大屏幕）
生：我还想知道斜面在生活中还有哪些应用。
师：还有生活中不太起眼的螺丝钉，千斤顶，楼梯等等都是斜面。
生：我想知道为什么斜面的倾斜程度越大，斜面的机械效率就越大。
师；我们可以采用极端思维法来思考这个问题：如果斜面的倾斜程度为零，也就是水平，当我们沿水平方向拉物体，不可能让物体升高，在提升物体这方面做的功为0，即机械效率为0。如果斜面的倾斜程度最大，也就是竖直，沿竖直方向提升物体时，不需要克服斜面摩擦力做额外功了，此时的机械效率就等于100%。所以斜面的倾斜程度越小机械效率越低；斜面倾斜程度越大机械效率越高。
生：我想知道为什么斜面的机械效率与物体的重力无关。
师：这是因为拉力与重力成正比，关于为什么成正比，同学们到高中就明白了。
生：我还想知道斜面的机械效率与物体运动速度是否有关。
师：你觉得呢？
生：我觉得有关（或无关）
师：你想一下啊，无论速度大还是速度小，只要是匀速，拉物体的力变不变？
生：不变。
师：那你觉得机械效率与速度有关吗？
生：我觉得无关。
生：我还想知道物体在斜面上滚动时的机械效率与滑动时的机械效率有什么区别？
师；那你猜一下，滚动时高还是滑动时高？
生：我觉得滚动时高，因为滚动摩擦比滑动摩擦小。
师：嗯，很喜欢动脑筋，不错啊。
师：不过，这些只是同学们的猜想，真正的验证过程就只能留给同学们课后去探究了。
师：通过这节课的学习，同学们觉得有哪些收获，又有哪些不足呢？（大屏幕）
生1：通过探究我知道了斜面的机械效率与哪些因素有关，而且还知道了斜面的省力情况与斜面机械效率的关系。
生2：这次探究实验，我们先根据提出的问题，进行了猜想，然后通过小组讨论设计了实验方案，再通过实验，根据实验数据分析归纳出正确结论，这个探究方法对我以后的学习有很大的帮助。
师：方法上的收获确实很重要，我们除了要学习实验的探究方法，也要学习别人好的学习方法，你们说是不是呀？有什么不足？
生：我觉得实验中还是有很多的不足。比如，在测量拉力的时候，不能保证匀速拉动物体，而且弹簧测力计不是固定的，而是运动的，不便于读数，拉力的测量误差比较大。
生：斜面长度和斜面高度的测量也存在一些误差。
师：所以我们在测量的时候，都要非常的细心，这样才能提高实验的成功率。
第三环节：课后探究
探究活动1：测量杠杆的机械效率
探究活动2：测量滑轮组的机械效率
在这里，聆听一线草根教师的教育心声！
作者简介：潘书朋，中学物理教师，在《当代教育家》、《光明日报》、《中国教师报》、《中学物理》、《新课程评论》等国家、省级刊物、教育网站上发表教育教学论文50余篇。多年来一直致力于“让物理教学回归实验室”的课题研究，所申报的教育部教师科研基金“十二五”规划重点课题子课题荣获教育科研成果一等奖。