有关滑轮组易混淆概念的辨析

1有关滑轮组易混淆概念的辨析内容提要:新课改的核心就是要教给学生发现问题、分析问题和解决问题的科学方法，而比较与分类法是物理学研究中认识研究对象的最基本方法之一。本文运用比较与分类法对滑轮组中的功、功率和机械效率等易混淆概念进行辨析，首先对比较与分类法进行了科学的介绍，接着参照《物理课程标准》对学生易错问题进行了分析，然后运用比较与分类法对功、功率和机械效率进行逐层辨析，通过辨析总结了解决相关问题的思路和方法，使各物理量之间的联系和区别更加明了,从而帮助学生更加准确地理解概念，为正确应用物理知识分析问题、解决问题奠定基础。主题词：比较与分类法科学方法物理教学古人云：“授之于鱼不如授之以渔”。近代教育家叶圣陶更是掷地有声：“教是为了不教！”课程标准也把“过程与方法”作为重要的课程目标维度，而对于物理学科来说，“过程与方法”的核心其实就是科学方法。正如法国科学家笛卡尔所说：“最有价值的知识，是关于方法的知识。”学生在校学习的知识有限，随着人类社会的进步和科学技术的迅猛发展，要求社会成员具有较强的独立获取新知识、掌握新技术、解决新问题的创新能力。“无论学校的教学大纲编得多么完善，学生毕业后必然会遇到他们不熟悉的科学上的新发现和新技术。那时候，他们将不得不独立、迅速地弄懂这些东西并掌2握它（赞可夫）。”要想迅速弄懂新知识、新发现，掌握新技术，如果没有一套行之有效的科学方法是很难达到的。所以在物理教学中，教师不仅要教给学生基本的科学文化知识，更重要的是要教给学生发现问题、分析问题和解决问题的科学方法。[3]观察、实验、猜想、探究等是物理学科的基本研究方法；分析、比较、归纳、演绎等是物理学科的基本思维方法。这些科学方法都是学生离开学校后学习和工作的有力工具。一、有关滑轮组中功、功率和机械效率的学生易错问题分析（一）《物理课程标准》对功、功率和机械效率的要求“滑轮组中的功、功率和机械效率”历来是学生掌握的难点，但又是初中力学学习的重点，在教育部新修订的《物理课程标准》的“科学内容”中，有关的要求是：3.1.3结合实例，认识功的概念。知道做功的过程就是能量转化或转移的过程。3.2.2知道机械功和功率。用生活中的实例说明机械功和功率的含义。3.2.3知道机械效率。了解提高机械效率的途径和意义。例2测量某种简单机械的机械效率。3.2.4了解人类使用机械的历程。了解机械的使用对社会发展的作用。[2]（二）北京市考试说明对功、功率和机械效率的要求以2014年北京市考试说明为例，该专题共涉及11个考点（7个“了解”3个“理解”1个“会”）。如表1所示：表1知识点分项细目考试目标了解理解3滑轮定滑轮、动滑轮和滑轮组的作用√功做功的两个必要因素√功的单位√运用功公式解决有关简单问题√功率功率√功率的单位及换算√运用功率公式解决有关问题√机械效率有用功、额外功、总功√机械效率√运用机械效率公式解决有关问题√会组装简单的滑轮组由此可见其在初中物理教学中的地位！从历年中考命题看，上述考点囊括了选择、填空、作图、实验和计算几乎所有题型，而且此部分知识与运动和力、压强、浮力等力学知识都有密切的联系，能考查学生的综合分析能力。因此，在北京历年中考和各区县模拟考试中均以考查综合能力试题为主。（三）学生易错问题分析从教学实践来看，学生对功、功率和机械效率容易发生错误的原因有五点：1.对各物理量的理解不到位，记不住定义，搞不清内涵。2.混淆有用功、总功和额外功，也区分不清有用功率与总功率的概念。3.对公式不理解，在运用公式时，各物理量的对应关系混乱。4.根据已知物理量选用适当公式的意识和能力欠缺。5.同一种机械做功，对有用功、总功、额外功不同的表述方4式不熟悉、不理解。二、比较与分类法简介比较是认识事物的基础，是人类认识、区别和确定事物异同关系的最常用的思维方法。比较法就是对事物进行对照,排除由于视角和主观因素造成的误差,从而揭示比较对象的共同点和差异点的科学方法。比较有三种类型，即异中求同、同中求异、同异综合。分类一般按照种类、等级或性质进行的分别归类，按照不同的特点、特征、特性对事物进行分类，有助于人们更好地认清事物之间的关系和把握事物的特征和个性。在教育科学研究中，比较与分类法早已是一种重要的研究方法。比较与分类法是物理学中常用的一种基本思维方法,它是确定研究对象之间差异点和共同点的思维过程和方法。由于物理是研究事物现象、规律和联系的科学,各种物理现象和过程都可以通过比较和分类确定它们的差异点和共同点,通过比较和分类可以建立物理概念、总结物理规律,利用比较和分类可以进行鉴别和测量等，这就决定了比较与分类法是物理学研究中认识研究对象的最基本的方法之一。物理学中有许多物理量和物理规律之间及研究问题的方法都具有可比性，教师可引导学生进行分析、比较，找出事物的本质特性，这样才能使学生更好地接受新概念、更深刻地理解概念，从而更准确地掌握概念。如有些概念，若只从定义上去认识，学生理解不深，往往把两个看似一样的不同的概念混为一谈。遇到这种情况就可引导学生运用比较的方法,来把握有关概念之间的区别和联系，从而认清它们的本质、加深对概念的理解。在复习课中运用比较与分类法也能取得意想不到良好效果。5下面就以“滑轮组中的功、功率和机械效率”这一初中学生很难掌握的教学难点为例，初步探索应用比较与分类法帮助学生辨析易混淆概念。三、运用比较与分类法对功、功率和机械效率进行辨析鉴于以上学生出现的易错问题，我们采用比较与分类法分四个步骤帮助学生突破难点、掌握重点。（一）弄清基本的物理量和关系式1.运用比较与分类法弄清基本的物理量与该部分知识有关的物理量达13个，学生不容易记住，也很容易混淆，很多学生连哪个物理量代表什么都搞不清楚。于是，为了学生更好地理解概念，解决问题，我们以最简单的滑轮组为例（如图1所示），结合多年的教学实践经验和与学生的深入交流，采用比较类型——“异中求同”的方法，将所有的物理量进行分类，共分为“三处”，如表2所示：表2通过上述比较与分类，同时每个物理量均以汉字做角标，学生对概念就很容易理解记忆。物体处绳端处动滑轮处物理量G物--物体重F--绳端拉力G动--动滑轮重H(S物)--物体提升高度（移动距离）S绳--绳端移动距离H--动滑轮提升高度v物--物体移动速度v绳--绳端移动速度W有--有用功W总--总功W额--额外功P有--有用功率P总--总功率62.绳端处与物体处的四个基本关系式：在解题过程中，经常会运用这四个基本关系式，即可归结为“绳端处”与“物体处”几个基本物理量之间的关系式。这也是应用该部分知识解决问题的最基本的四个关系式。（二）区分三种功和功率首先利用如图2所示的比较图，采用通俗易懂的描述使学生明确机械中三种功的基本定义。动物G＋Gn1＝FnhS＝绳物绳＝vvn总有＝ww（不计摩擦和绳重）G动FG物G动FG物图1总功W总动力对机械所做的功两个效果为实现目的而做的功有用功W有实现目的，对人们有用的功克服机械自身部件（如动滑轮、绳子）的重力和摩擦等而做的功额外功W额为达到目标，克服机械本身重力和摩擦，对人们无价值而又不得不做的功根据功的原理W总=W有+W额对于任何机械都存在额外功W额0，即W总W有图27有用功W有：为实现目的、对人们有用的功。额外功W额：对人们没有价值但为实现目的而又不得不做的功。总功W总：动力对机械所做的功，有用功与额外功之和。有用功与总功所对应的功率也就是相应的有用功率P有和总功率P总。进而，对于滑轮组中的功、功率也按“三处”划分就不难理解了。1.物体处：机械对物体所做的功是有用功，相对应的，机械对物体做功的功率即有用功率。W有=G物hP有=W有/t=G物v物2.绳端处：外界（人、卷扬机等）对机械所做的功是总功，相对应的，外界对机械做功的功率即总功率。W总=FS绳P总=W总/t=Fv绳3.动滑轮处：外界对动滑轮所做的功是额外功。W额=G动h（不计摩擦和绳重）（三）计算机械效率的导出式机械效率的计算更是初中物理的一个难点、重点，根据学生在实际解决物理问题中的应用，我们可将机械效率的定义式按用途推导出三个导出式，即：绳物总有＝FshGww（实验式）8这三个导出式是应用机械效率最常用的关系式，第一个实验探究时常用可起名为“实验式”；第二、三个在计算时常用可命名为“计算式”，两个计算式又可分为常规型和不计摩擦和绳重两种情况。这样通过比较与分类先把计算机械效率的基本导出式理解清楚。（四）扩展对于复杂的综合类问题，如当用滑轮组打捞水中的物体或物体被滑轮组水平拉动时，我们是这样处理的，如图3所示。设滑轮组对物体的拉力为“T”，则：常规情况下：T=G物；物体受浮力时：T=G物-F浮；物体被水平拉动时：T=f。这样，在应用以上关系式解决问题时，只需替换G物即可。以nFGww物总有＝动物物总有＝GGGww（计算式）（不计摩擦和绳重）图3T=G物T=G物-F浮T=f9下是替换前后的对比表格，如表3所示：表3举例对物体的力有用功/有用功率用滑轮组提升重物时物体重力G物W有=G物hP有=G物v物用滑轮组匀速提升浸在液体中的物体时物体重力G物和浮力F浮的合力W有=（G物-F浮）hP有=（G物-F浮）v物用滑轮组匀速拉物体前进时接触面对物体的摩擦力fW有=fS物P有=fv物运用比较与分类法我们将滑轮组中功和功率，以及机械效率的相关概念和公式进行了辨析，为学生解决这类型的问题提供了思路和方法，相信通过以上的辨析学生在解决有关问题时将不再迷茫，而是清晰顺达。掌握科学方法比掌握具体的科学知识更具有长远的意义，学生在物理教学中受到的科学研究方法和科学思维方法的教育和培养将终身受益。作为一名一线物理教师，在我们日常的教育教学实践中，针对不同的问题采用不同的科学方法进行教学将会受到事半功倍的奇妙效果。参考文献：[1]张宪魁．物理科学方法教育[M]．28－30，121－128．青岛：青岛海洋大学出版社．2000-3-1：10[2]中华人民共和国教育部制定．义务教育物理课程标准（年版）．20－21.北京：北京师范大学出版社．2011[3]徐志长．高中物理科学方法教育的研究宁波教科网[4]胡冲.浅谈比较法在初中物理教学中的应用[J]．中国校外教育下旬刊：99.教学方法.2007-08