资源描述
4.1 简单机械
一、教学任务分析
本节学习杠杆、滑轮、*轮轴、*机械传动、*斜面等简单机械。生产生活中的任何复杂机械都是由简单机械构成的，因此，本节的学习在力学中有着重要的作用。
学习本节内容需要以力的概念为基础。
以生活中的实例为基础，以学生分组小实验和教师点拨为基本方法，引导学生探究简单机械的使用方法与工作原理，进而能灵活应用所学的知识解决生活中的实际问题。
本节内容强调学生主动参与，在合作实验、交流讨论的过程中，加深对知识的理解，体验合作学习的重要性。
二、教学目标
1.知识与技能
（1）理解杠杆和杠杆平衡的条件。知道杠杆的支点；理解力臂的概念；理解杠杆平衡的条件：动力×动力臂＝阻力×阻力臂，能运用杠杆平衡的条件进行有关的运算；知道杠杆在生活中的应用；学会“探究杠杆平衡的条件”，学会在同侧力、异侧力、力的方向不同等情况下使杠杆保持平衡的技能，记录、处理数据，最后归纳得出结论。
（2）理解滑轮。知道定滑轮不能省力，但可以改变用力方向，理解定滑轮不能省力的原理；知道动滑轮可以省一半力，理解动滑轮能省力的原理；知道滑轮在生产生活中的应用，能用滑轮解决简单的实际问题。
*（3）知道轮轴和斜面。知道轮轴、斜面可以省力，知道轮轴、斜面可以省力的原理。
*（4）知道机械传动。知道常见的机械传动方式，能识别不同的机械传动方式。
2.过程与方法
（1）在将常见工具抽象成平直杠杆、滑轮与轮轴等简单机械抽象成杠杆的过程中，感受建模的科学方法。
（2）经历“探究杠杆平衡的条件”过程，运用实验归纳法得出结论；在比较各种杠杆的使用特点中，感受分类的科学方法。
3.情感、态度与价值观
（1）通过了解杠杆、滑轮、轮轴、斜面、机械传动等简单机械与生产、生活的密切联系，体验到生活中处处存在物理。
（2）通过“探究杠杆平衡的条件”“合作使用滑轮提升钩码”等活动，提高实验能力和观察能力，养成团队协作的良好习惯。
（3）通过了解中国古代《墨经》对杠杆平衡条件的论述，了解《天工开物》中关于古代劳动人民使用简单机械的情况等，激发民族自豪感。
三、教学重点和难点
重点：探究杠杆平衡的条件。
难点：力臂概念的建立。
四、教学资源
1.学生实验器材（每两人一套）：钉有骑马钉的木板、螺丝刀、小木块、带刻度的杠杆、弹簧夹、钩码、弹簧测力计、铁架台、切纸刀、镊子、普通剪刀、线、滑轮、辘轳模型、水龙头、小车、长木板、学习活动卡等。
2.演示实验器材：杠杆示教板、杆秤、一些水果等。
3.课件：自制PPT幻灯片、flash课件等。
4.录像：机器人、盾构、汽车发动机工作的情景；杠杆、滑轮、轮轴、斜面、机械传动等机械实际应用的情景。
五、教学设计思路
本设计的内容包括三个方面：一是杠杆的五要素、杠杆平衡的条件和杠杆的应用；二是滑轮；三是滑轮组、轮轴、机械传动、斜面等其它简单机械。
本设计的基本思路是：由“使用撬棒撬起重物、跷跷板”等活动引入杠杆，归纳出杠杆的支点、动力、阻力的概念；通过示教板的演示，讨论得出杠杆的力臂。由“用杆秤称水果质量”的活动引入杠杆的平衡状态，猜想杠杆平衡的条件是什么；通过“探究杠杆平衡的条件” 实验归纳出杠杆平衡的条件。出示切纸刀、镊子、普通剪刀等工具，由作图分析得出三类杠杆。由“升旗、起重机”的录像引入滑轮，通过学生组装滑轮提升重物，归纳出滑轮的两种使用方法；通过将滑轮演化为杠杆的课件展示，理解滑轮工作的原理。
*通过使用两个滑轮提升重物，并用弹簧测力计测量提升重物时的拉力、用刻度尺测量提升重物时重物和绳子自由端上升的距离，归纳出滑轮组的使用方法。由“比力气”这一小游戏引入轮轴，通过将轮轴抽象为杠杆的课件展示，感受建模的科学方法。通过阅读教科书，知道机械传动的三种方式以及机械传动在生产生活中的广泛应用。由录像“盘山公路”引入斜面，通过活动“用测力计拉着小车沿着竖直和斜面方向匀速直线运动”和“用测力计拉着小车沿长度不同的斜面拉上同一高度”，归纳得出斜面的公式。
本设计要突出的重点是：通过学生的探究实验，归纳出杠杆平衡的条件。方法是：通过教师演示用杆秤称水果的质量，得出杠杆的平衡状态。通过学生演示用杆秤称不同的两堆水果质量，引发学生猜想并主动探究，通过讨论交流归纳出杠杆平衡的条件。
本设计要突破的难点是：力臂概念的建立。方法是：通过学生使用螺丝刀撬起骑马钉，感受怎样做可以达到最省力的目的，引发学生思考：是否支点离力的作用点距离越大越省力？通过自制示教板演示支点到力的作用点的距离发生了改变，但杠杆仍然平衡，引导学生观察出支点到力的作用线的距离没有改变，从而建立力臂的概念。
本设计力图多让学生动手动脑，激发自主学习的兴趣，感受物理知识的广泛应用。通过将滑轮、轮轴抽象成杠杆，感受建模的科学方法。
完成本设计的内容约需6课时。
六、教学流程
杠杆的平衡状态
情景Ⅴ
演示实验3
情景Ⅳ
演示实验
2
力臂
活动Ⅱ
应用
情景Ⅲ
演示实验1
情景Ⅰ
录像1
情景Ⅱ
录像2
活动Ⅰ
学生实验1
支点、动力、阻力
简单机械
情景Ⅹ
课件演示2
活动Ⅷ
学生实验6
滑轮的
使用特点
活动Ⅶ
学生实验5
情景Ⅷ
课件演示1
滑轮的
工作原理
情景Ⅸ
演示实验5
轮轴的
工作原理
活动Ⅸ
学生实验7
滑轮组
的使用
轮轴
杠杆平衡的条件
情景Ⅵ
演示实验4
活动Ⅲ
学生实验2
三类
杠杆
活动Ⅵ
学生实验
4
情景Ⅶ
录像3
活动Ⅴ
学生实验3
滑轮
活动Ⅳ
应用
定滑轮
动滑轮
1.教学流程图
斜面
公式
情景Ⅻ
录像5
斜面
活动Ⅹ
阅读
情景Ⅺ
录像4
机械传动的方式
活动Ⅺ
学生实验8
2.教学流程图说明
情景Ⅰ 录像1
分别播放机器人、盾构、汽车发动机工作的情景和使用起子、剪刀、滑轮等工作的情景，引入课题——简单机械。
情景Ⅱ 录像2
播放用硬棒撬起石块、使用镊子、玩跷跷板的情景，归纳出杠杆的概念以及杠杆的支点、动力、阻力。
活动Ⅰ 学生实验1
学生先只用螺丝刀将骑马钉撬起，再用螺丝刀垫着小木块将骑马钉撬起，比较用力的方向有什么不同，怎样用力更省力。
情景Ⅲ 演示实验1
示教板演示，讨论得出力臂概念。
活动Ⅱ 应用
画出舂的杠杆示意图。
情景Ⅳ 演示实验2
教师演示用杆秤称量水果质量，得出杠杆的平衡状态。
情景Ⅴ 演示实验3
由两位学生演示用杆秤称量两堆质量不同的水果的质量，请学生根据刚才称量的情景猜测杠杆平衡的条件可能是什么。
活动Ⅲ 学生实验2
用带刻度的杠杆、钩码、弹簧测力计、弹簧夹、铁架台等实验器材研究杠杆平衡的条件。
情景Ⅵ 演示实验4
出示切纸刀、镊子和普通剪刀，请学生画出它们的杠杆示意图，由此归纳出杠杆的三种类型。
活动Ⅳ 应用
画出一些常用工具（如胡桃夹、钢丝钳、食品钳、扳手、钓鱼杆等）的杠杆示意图，并判断它们属于哪种类型的杠杆。
情景Ⅶ 录像3
播放起重机、升旗的情景，引入滑轮。
活动Ⅴ 学生实验3
观察滑轮，得出滑轮的概念。
活动Ⅵ 学生实验4
使用铁架台、细线和一只滑轮提升钩码，学生交流后归纳出滑轮的分类——定滑轮和动滑轮。
活动Ⅶ 学生实验5
使用定滑轮和动滑轮提升钩码，分别用弹簧测力计测量拉力、用刻度尺测量钩码和绳子自由端上升的高度，学生交流后归纳出定滑轮和动滑轮的使用特点。
情景Ⅷ 课件演示1
播放定滑轮演变为等臂杠杆、动滑轮演变为省力杠杆的课件，引出定滑轮和动滑轮的工作原理。
活动Ⅷ 学生实验6
用细绳以两种方法连接两个轻质滑轮，将它们组成滑轮组。将弹簧测力计固定在细绳的一端缓缓提起钩码，记下测力计的读数。比较两种不同方法中将钩码提起的高度h和拉力通过的距离s之间的关系。由此得出滑轮组的使用。
活动Ⅸ 学生实验7
两人一组，一人手握螺丝刀柄，一人手握螺丝刀金属杆，二人向相反方向扭，看谁力量大。由此引入轮轴概念。
情景Ⅸ 演示实验5
出示辘轳模型、自来水龙头，请学生指出哪些部分是（外围的）轮，哪些部分是（中间的）轴。
情景Ⅹ 课件演示2
播放轮轴演变为杠杆的课件，引出轮轴的工作原理。
情景Ⅺ 录像4
播放皮带传动、自行车中的链传动、机械钟表中的齿轮传动等情景，引出机械传动。
活动Ⅹ 阅读书本
阅读书本P10页，了解机械传动最简单的三种方式。
情景Ⅻ 录像5
播放残疾人的坡道、盘山公路、搁在卡车上的长木板等情景，引入斜面这一简单机械。
活动Ⅺ 学生实验8
用弹簧测力计拉着小车沿竖直方向和光滑斜面分别匀速拉到同一高度，比较测力计的读数；用弹簧测力计拉着小车沿不同长度的光滑斜面匀速拉到同一高度，比较每次测力计的示数。分析比较上述两实验的数据，归纳出斜面公式。
3.教学的主要环节
本设计可分为八个主要环节
第一环节，创设情景引入课题，介绍杠杆的五要素。
第二环节，通过演示实验和学生实验，探究杠杆平衡的条件。
第三环节，创设情景引入三类杠杆。
第四环节，创设情景引入滑轮概念，通过学生实验，得出滑轮的应用，结合课件，理解滑轮的工作原理。
第五环节，通过学生实验，得出滑轮组的工作特点。
第六环节，创设情景引入轮轴的工作原理。
第七环节，通过情景和学生阅读书本，知道机械传动的三种方式。
第八环节，通过学生实验，分析比较，得出斜面公式。
七、教案示例
第一课时
（一） 引入
1．情景1
播放机器人、盾构、汽车发动机工作的情景和使用起子、剪刀、滑轮等工作的情景，说明机器人等复杂机械都是由简单机械组合而成的。
（二）新课
2．杠杆的概念
播放用硬棒撬起石块、使用镊子、玩跷跷板的情景，思考这三个杠杆有什么共同之处。学生讨论后总结为：（1）必须是硬棒；（2）都有一个绕着转动的固定点；（2）都受到两个力的作用，一个力促使杠杆转动，一个力阻碍杠杆转动。
由此得出杠杆的概念：在力的作用下能绕固定点转动的硬棒叫杠杆。
促使杠杆转动的力叫做动力；阻碍杠杆转动的力叫做阻力。
3．杠杆的力臂
（1）活动1 学生实验
学生先只用螺丝刀将骑马钉撬起，再用螺丝刀垫着小木块将骑马钉撬起，比较用力的方向有什么不同，怎样用力更省力，是否支点离力的作用点距离越大越省力。
（2）情景3 演示实验
示教板上有一杠杆AB，O是杠杆的支点，支点右侧每隔10厘米画了一条虚线。取4个等质量的钩码，三个挂在支点左侧，作为阻力，一个挂在支点右侧第三根虚线处，作为动力，杠杆刚好平衡，如图1所示。
将OB杆旋转30°，移动右侧钩码，发现当杠杆平衡时，右侧的钩码仍在第三根虚线的位置，如图2所示。
在其他条件都不变的情况下，虽然支点到动力作用点的距离发生了改变，但只要支点到动力作用线的距离保持不变，杠杆仍保持平衡。由此引出力臂概念。
A
O
B
图1
A
O
B
C
图2
（三）巩固
阅读教科书P5页“你知道吗？”，观察古书《天工开物》中记载的捣谷的舂，并画出舂的杠杆示意图。
（四）作业布置
略。
第二课时
（一）引入
1．情景4
教师演示用杆秤称量水果质量。移动秤砣的位置，当杆秤静止时，秤砣所在位置的示数就是水果的质量。
由此引入杠杆的平衡状态：使用杠杆时，如果杠杆静止不动或绕支点匀速转动，那么杠杆就处于平衡状态。
（二）新课
2．情景5
由两位学生演示用杆秤称量两堆不同质量的水果。当所称量的水果质量更大时，秤砣向远离支点方向移动，杆秤才能平衡。
请学生根据这个情景猜测杠杆平衡的条件可能是什么。
学生猜测可能与动力、阻力、动力臂、阻力臂有关。
3．学生实验2
用带刻度的杠杆、钩码、弹簧测力计、弹簧夹、铁架台等实验器材研究杠杆的平衡条件。
（1）把杠杆的中点支在铁架台上，调节杠杆两端的螺母使杠杆在水平位置平衡。将钩码挂在杠杆两侧的弹簧夹上，调节钩码的个数或在杠杆上的位置，使杠杆在水平位置仍然平衡。记录下力和力臂的数值。
（2）把钩码挂在杠杆的弹簧夹上，在同一侧用弹簧测力计竖直向上拉杠杆。改变钩码的个数或测力计在杠杆上的位置，使杠杆在水平位置仍然平衡。记录下力和力臂的数值。
（三）小结
杠杆平衡的条件为：动力×动力臂＝阻力×阻力臂。
上式表明，如果动力臂是阻力臂的几倍，动力就是阻力的几分之一。实验室的天平和杆秤都是利用杠杆平衡条件来测量物体的质量的。
关于杠杆的工作原理，我们的祖先早就研究过。《墨经》中就有关于天平平衡的记载。——阅读教科书第5页“你知道吗？”，了解《墨经》中的记载和长沙出土的古天平铜环权。
（四）作业布置
（1）鼓励学生动手制作一个能称头发丝质量的“小天平”。
（2）略。
第三课时
（一）引入
1．出示切纸刀、镊子和普通剪刀，请学生画出它们的杠杆示意图。
（二）新课
2．比较上述三个杠杆示意图的动力、阻力和动力臂、阻力臂的大小。
切纸刀工作时，动力臂大于阻力臂，动力小于阻力，称之为省力杠杆；
镊子工作时，动力臂小于阻力臂，动力大于阻力，称之为费力杠杆；
普通剪刀工作时，动力臂与阻力臂相等，称之为等臂杠杆。
由此归纳出三种类型的杠杆。
（三）巩固
3．画出一些常用工具（如胡桃夹、钢丝钳、食品钳、扳手、钓鱼杆、天平等）的杠杆示意图，并判断它们属于哪种类型的杠杆。
（四）作业布置
（1）完成学习活动卡。
（2）略。
第四课时
（一）引入
1．情景7
播放起重机、升旗等情景的录像。人们提升重物常使用一种简单机械——滑轮。
（二）新课
2．滑轮
学生观察桌上摆放的滑轮实物，通过交流观察情况，归纳得出结论：滑轮是周边有槽、能绕轴转动的小轮。
3．滑轮的分类
学生利用一个滑轮和一根绳子把钩码提到高处。
交流实验情况，并归纳得出：有两种方法可将钩码提到高处——使用时，轴固定不动的滑轮叫做定滑轮；使用时，轴随物体一起移动的滑轮叫做动滑轮。
4．两种滑轮的特点
（1）先用弹簧测力计测出两个钩码的重力，再使用定滑轮提升两个钩码，用测力计测出拉力，改变拉测力计的方向，观察测力计的示数。
交流实验情况，并归纳得出：使用定滑轮提升重物时不能省力，但可以改变用力的方向。
（2）使用动滑轮提升两个钩码，用测力计竖直向上测出拉力，拉住测力计缓慢上移，用刻度尺测出测力计上升的距离和钩码上升的距离。
交流实验情况，并归纳得出：使用动滑轮提升重物时，如果两边绳子平行，可以省力，但不能改变用力方向。
5．滑轮的工作原理
播放定滑轮演变为等臂杠杆的课件。定滑轮的轴是杠杆的支点，动力臂、阻力臂均等于滑轮的半径，由此得出定滑轮可以看作一个等臂杠杆。
播放动滑轮演变为省力杠杆的课件。动滑轮的动力臂是滑轮的直径，阻力臂是滑轮的半径，动力臂是阻力臂的两倍，由此得出动滑轮可以看作一个省一半力的杠杆。
（三）小结与巩固
（1）阅读的教科书P7、8页——滑轮。
（2）通过本堂课的学习，你有什么收获？你感觉自己还有什么问题没有解决？
（四）作业布置
略。
第五课时
（一）引入
1．问题：使用定滑轮不可以省力但能改变用力方向；使用动滑轮可以省力但不能改变用力方向。那么，怎样的机械既可以省力，又可以改变用力方向呢？
由此引入滑轮组的概念——定滑轮和动滑轮的组合叫做滑轮组。
（二）新课
2．滑轮组
用细绳以两种方法连接两个轻质滑轮，将它们组成滑轮组。将弹簧测力计固定在细绳的一端缓缓提起钩码，将实验数据记录在表格中。比较两种不同方法中将钩码提起的高度h和拉力通过的距离s之间的关系。
实验
钩码自重（牛）
弹簧测力计拉力（牛）
绳子股数n
绕法a
绕法b
各小组交流实验情况后，可以归纳得出：使用滑轮组时，重物由几股绳子共同承担，此时每股绳子的拉力只有重物重力的几分之一。
3．小游戏
两人一组，一人手握螺丝刀柄，一人手握螺丝刀金属杆，二人向相反方向扭，看谁力量大。
比赛中，凡手持螺丝刀柄的一方都取胜了，并不是这些同学力量都大，而是因为他们利用了螺丝刀这简单机械省力的原理，从而取胜对方。
由此引入轮轴——由（外围的）轮和（中间的）轴组成的能绕轴心转动的简单机械叫做轮轴。
4．情景9
出示辘轳模型、自来水龙头，请学生指出哪些部分是（外围的）轮，哪些部分是（中间的）轴。
5．情景10
播放轮轴演变为杠杆的课件。
·o
F1
F2
图3
·o
图4
F2
F1
辘轳工作时，动力作用在轮上，阻力作用在轴上，则动力臂大于阻力臂，该轮轴就是省力轮轴，如图3所示。
砂轮工作时，动力作用在轴上，阻力作用在轮上，则动力臂小于阻力臂，该轮轴就是费力轮轴，如图4所示。
（三）巩固
阅读教科书P9页“你知道吗？”，并判断盾构是省力轮轴还是费力轮轴。
（四）作业布置
观察了解生活中滑轮组和轮轴应用的实例。
第六课时
（一）引入
1．录像4
播放皮带传动、自行车中的链传动、机械钟表中的齿轮传动等情景，引出机械传动。
（二）新课
2．机械传动
阅读教科书P10页，了解机械传动最简单的三种方式——皮带传动、链传动和齿轮传动。
3．录像5
播放残疾人的坡道、盘山公路、搁在卡车上的长木板等情景。提问：为什么盘山公路要建成“之”字型，而不是一条大路笔直通向山顶呢？由此引入斜面这一简单机械。
4．斜面
（1）用弹簧测力计拉着小车沿竖直方向和光滑斜面分别匀速拉到同一高度，将弹簧测力计的读数记录在表格中；
（2）用弹簧测力计拉着小车沿不同长度的光滑斜面匀速拉到同一高度，将弹簧测力计的读数记录在表格中。
小车重力G＝________牛， 高度h=________厘米。
实验次数
斜面长度l（厘米）
弹簧测力计示数F（牛）
1
2
3
4
交流实验情况后，可以归纳得出斜面公式：拉力F＝l/Gh。
（三）巩固
5．阅读教科书P11页，了解斜面在金字塔和南浦大桥建造过程中的作用。
6．分析《学习活动卡》P15页图中分别运用了哪些简单机械。
（四）作业布置
观察了解生活中机械传动和斜面应用的实例。
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