探究滑轮的作用

教学目标:

 （一）知识与技能

  （1）知道什么是定滑轮和动滑轮，及两种组装方式的工作特点。

  （2）能根据杠杆平衡的条件对滑轮进行理论分析。

（二）过程与方法

  （3）通过活动，初步了解缺点列举的发明方法。

  （4）通过实验和分析，发现两种滑轮的作用和实质，培养学生的观察实验能力和理论分析能力。

（三）情感态度与价值观

  （5）通过“发明”滑轮的活动体验成功的喜悦，并初步形成应用科学方法服务生活的意识。

  （6）通过了解简单机械在实际中的应用，初步认识科学技术对社会发展的作用。

学情分析:        

    八年级下学期的学生已经初步掌握了科学探究的基本方法，有较为强烈的学科探究的欲望。在学习滑轮之前，学生已经掌握了弹簧测力计的使用，增大与减小摩擦的方法以及杠杆的平衡条件等相关知识，并在部分同学在生活中也注意到了滑轮的存在，具备了学习的条件。

   考虑到学生的基础以及本课知识内容较为简单等特点，在重视滑轮的相关知识与技能的同时，也注重和杠杆的对比学习，注重通过活动学习科学方法以及情感态度方面的渗透。

重点难点 重点：

  （1）通过活动经历“缺点列举法”发明滑轮的过程。

  （2）通过实验探究与理论探究，了解两种滑轮的工作特点。

教学难点：

    (3)  认识到动滑轮相当于是动力臂是阻力臂两倍的省力杠杆。

教学过程: 

第一学时 

    教学活动 

    活动1【导入】讲故事，建立情境 假期里，有两兄正打算在他们家三楼阳台上建一个小花园，可是这么多的泥土怎么运到楼顶呢？

弟弟提了三个要求：1、不想靠爬楼运上去；2、不在楼上阳台拉，3、不能太费力。

哥哥观察了一会儿，发现墙角有一根横梁,于是找来了一根长约两层楼高的木棒、一根长绳、一个小桶。

你能帮帮他们，设计一个可行的方案吗？

     活动2【活动】挑毛病，发明滑轮 

    （1）（学生可能会利用杠杆的知识）是这样的吗?我们来模拟一下。（结果挑战失败）看来杠杆的长度有限，并不合适，有其他办法吗？

    （2）学生可能会说让绳子绕过横梁向下拉，你能上来试一试吗？（模型的横梁在课前被锯了一般，并在将横梁制成了粗糙表面，学生在拉动时横梁会断裂，从而引出疑问，提出摩擦力的问题）。

    （3）引导学生进一步改进，学生可能想到减小摩擦力的方法，加润滑油或以滚动代替滑动等方式。

    （4）继续让学生体验成果，发现绳子总是掉下来，难以完成任务。

    （5）继续改进，提出在轮子的周边设计凹槽，于是顺利完成了任务。

    （6）继续找缺点，最终设计出有挂钩的滑轮。

    （7）通过以上活动，我们发明的这种新的机械，叫做滑轮。并且应用了一种非常重要的发明方法，这种挑毛病，找灵感的方法叫做缺点列举法。实际上，早在公元前388年，墨子就已经在《墨经》中有了关于滑轮的记载,充分体现了我国古代劳动人民的智慧。同学们，我们在生活中应该多用这种挑毛病找灵感的思路，去发明或改进生活中的工具，以改善我们我们的生活。

     活动3【活动】细观察，初识滑轮  

 (1)  请你观察实验盒内的滑轮，并说出滑轮的基本结构！(学生观察)

  (2)  你认为滑轮有哪些部分组成的？(轮，轴，带挂钩的框)

  (3)   它能用在工地上提起重物吗？（不可以）为什么？（不够坚固）

 （4）采用高强度材料，可以制造出了使用更为广泛的滑轮。（出示图片）在生活生产中有哪些地方应用了滑轮呢？能说一说吗？（学生举例）

 （5）看来生活中许多地方都有滑轮的身影，不同情境中其使用方法也不尽相同，除了刚才这种方法外，还有别的使用方法吗？请同学们讨论一下，然后开始实验。

 （6）实验后，请同学们整理好器材。请一组同学向大家展示，向大家展示你们的设计，和他们的设计相同吗？仔细观察，和刚才的设计相比，滑轮工作状态有何区别？（一次滑轮的位置固定的，另一次滑轮随物体一起运动。）

  （7）物理学中，我们把工作时轴固定不动的滑轮叫做定滑轮，工作时轴随物体一起运动的滑轮叫做动滑轮。（板书：定滑轮，动滑轮）

    活动4【活动】谈设计，进行实验 （1）从操作的角度上看，是否有所不同呢？（拉力的方向不同。）

   （2）物体上升，定滑轮拉力向下，动滑轮拉力向上。也就是说定滑轮和一些杠杆一样可以改变施力的方向对吗？（对）

   （3）那么它会像杠杆那样起到省力或者费力的效果吗？带着心中的猜想或疑惑，我们一起来探究滑轮工作的特点，设计实验吧。

   （4）要判断是否省力需要比较哪些物理量？（物体的重力和作用在绳子上的拉力）继续引导学生考虑需要测量出动滑轮的重力。

   （5）需要哪些测量器材？（弹簧测力计）

   （6）如何保证结论的可靠性呢？（学生会回答多次实验。）

   （7）改变哪些实验条件进行多次实验呢？（学生要改变钩码的数量）

   （8）老师为同学们不同的组准备了不同数量的钩码，还有吗？（学生可能会回答滑轮的组装方式以及拉力的方向）

   （9）在具体操作上是否有需要注意的问题呢？（学生可能会回答要匀速拉动测力计，测力计使用前要校零，弹簧测力计不能超过量程等）

   （10）老师：很好，为了提高效率，我们采取分工与合作的方式，各小组按实验记录单的要求认真完成实验，实验后请记录结果并在屏幕上共享数据。现在开始实验，比比看，哪组最快最好。（学生实验，老师指导，分享数据。）

活动5【活动】析数据，得出结论  

 (1)  现在请同学们整理好器材（铁架台放回地面），同学们实验做完了，科学探究结束了吗？(没有)

没错，科学探究不仅是做实验，还要注重理性思考，接下来我们就一起分析数据，面对这么多数据，我们应该如何分析呢？（控制变量）

    （2）如果分析第一行数据，我们控制了物体的重力相等，改变了拉力的方向。你得到的结论是？（拉力的大小和拉力的方向无关）其他几次支持你的结论吗？（支持）

   （3）这说明我们的结论是可靠的，如果综合比较1234次实验数据呢？（拉力的大小与物体的重力有关，并且拉力等于物体的重力。可能会是拉力略大于重力，则要进行评估，误差分析）

 

   （4）也就是说滑轮省力吗？费力吗？能否用数学方法加以表述呢？（F=G）即定滑轮不省力，F=G。那么动滑轮呢？你能尝试进行数据分析吗？

   此处部分学生分析为主，老师适当修正。（以下为情境预设）

学生：分析第五组，使用动滑轮时，拉力大小与拉力的方向有关，倾角越大，拉力越大。

老师：如果线间夹角继续增大，你认为力会继续增大吗？

学生：会

老师：那么使用动滑轮一定省力吗？可以省力吗？什么情况下最省力？其他几组支持这个观点吗？

学生：支持

老师：还有其他发现吗？

学生：综合比较5、6、7、8组实验数据，可以得到动滑轮可以省一半的力,

老师:同意吗？数学表达式是？F=G/2

学生：我认为应该加上两个条件：第一是竖直向上拉动绳子。二是G指物体和动滑轮的总重力。

老师：同意吗？动滑轮可以省一半的力F=G/2，但是不能改变力的方向。

活动6【活动】验猜想，异形同质  

（1）回到课前情境，我们组装的是定滑轮，如果组装为动滑轮，可以将泥土运送上去吗？（可以）

缺点是？（省力）优点是？（不能改变力的方向）

   （2）说起省力和改变力的方向，杠杆也能做到，如果杠杆足够长，能否以使用动滑轮或定滑轮同样大小和方向的力能完成任务呢？请同学讨论一下，并设计出方案。（老师板书两根杠杆，让学生在黑板上画出示意图。）

    （以下为此部分的教学预设，尽可能的展现出滑轮和杠杆的异形同质）

学生：设计杠杆。

老师：我们一起来分析两位同学设计的杠杆，这是一个什么杠杆，动力和阻力在支点同侧还是异侧，动力和阻力大小相等，物体向上运动时拉力向下。符合要求吗？

老师：好的，继续分析下一个，这是一个省力杠杆，动力臂和阻力臂的关系是？动力是阻力的两倍，动力和阻力在支点同侧。动物体向上运动时拉力方向向上，不可以改变力的方向。符合要求吗？

老师：他们竟然可以以完全相同的方式提升重物，这是为什么呢？（手分别指向滑轮和杠杆）

学生：滑轮可能就是杠杆。（或者类似的意思）

老师：这是一个非常大胆的想法，它满足杠杆的定义吗？如果满足请你找出它的五要素！

学生：满足,因为定滑轮和杠杆一样可以绕着固定点转动。

老师：同意吗？杠杆是能够绕某固定点转动的硬棒，对形状没有要求。

老师：看来确实如此，你能否找出它的五要素呢?

学生：画图，找出五要素。

    （3）提出新质疑，（如果学生提不出，又老师提出让学生作答，再建立模型进行分析）等臂杠杆只能竖直向下拉F=G，但是动滑轮为什么随便拉F总是等于G呢？通过动画建立模型，当倾斜施力时，拉力的作用点发生变化，可以视横折的这一段为杠杆，观察拉力的力臂如何变化？（不变）继续改变拉力方向，力臂始终是滑轮的半径，所以力的大小不变。

   （4）质疑二、动滑轮的支点的位置为什么在滑轮与固定端绳子相切的位置。为什么不是在滑轮的轴心上？分析动滑轮中动力是什么？将物体提升，阻力是什么？如果0点是支点那么阻力臂是多少？这意味着阻力的大小不会影响杠杆的平衡，所以轴心可能是支点吗？

为了更容易理解，再次建立模型，当一根杠杆转过该位置时，下一根又补充过来，导致了它始终相等于一个动力臂是阻力臂两倍的省力杠杆。

活动7【讲授】作总结，拓展延伸 

（1）今天，我们不仅发明了一种比杠杆更方便使用的机械——滑轮，并通过实验研究了其工作特点，它们各有优缺点，你能设计一个方案，让他们兄弟俩在地面上以较省力的方式完成任务吗？（学生应该会说滑轮组等）

    （2）鼓励学生的想法，指出取长补短，优势互补，将不同的机械组合在一起，组成更方便的新机械，这也是一种重要的发明方法，称作组合发明法。滑轮与滑轮之间有哪些组合方式呢？组合后省力情况如何呢？请同学们课后继续探究，并在下节课汇报你们的探究结果。另外请尝试用缺点列举法对你身边的物件进行改造，并完成课后作业！同学们，下课！同学们再见！