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六年级上科学教参(工具和机械)

发表时间:2015-1-5  浏览次数:8654  
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工具和机械
一、单元概述
机械指的是利用力学原理组成的各种装置。杠杆、滑轮、斜面等都是机械。简单机械又被人们习惯地称为工具。
到六年级时,学生们已经能够比较独立地进行一些探究活动。他们开始对一些问题进行具有挑战性的思考,能够选取自己认为可以进行的方式对一些问题进行探究,开始有选择地利用观察、实验所获取的证据对所探究的问题进行解释。
在本单元的整个学习过程中,学生们将有机会对各种简单机械进行实验,包括设计和制作一些简单装置,并对其进行观察和加以解释,认识机械的各个部件,了解它们各自的功用,尝试着解决生活中的实际问题。
在我们的生活中随处可见各种工具和机械。人们经常使用各种各样的工具和机械。很多时候,工具和机械为我们赢得了时间和精力,帮助我们完成了一些力所不能及的工作。随着社会的进步,人们发明了更多的工具和机械,推动着社会不断向前发展。
人们在生活中是如何使用工具和机械的?它们到底发挥了什么作用?是怎样发挥作用的?我们应该怎样科学地使用它们才能发挥更大的作用?这些既是本单元所要研究的问题,也是我们的教学引领学生们所要经历的科学认识历程。
本单元内容可以分为三个部分。
第一部分(第1课):通过使用工具,发现关于工具和机械的问题,激发学生研究工具和机械的兴趣。
第二部分(第2~7课):通过设计、观察、研究杠杆等不同类型的简单机械,认识这些机械的构成及其功能。
第三部分(第8课):通过研究自行车这一常见的交通工具(也是一种由简单机械组合成的机器),总结和提升有关工具和机械的认识。
通过本单元的8个主题活动,我们期望学生能真正动起手来,在实践中去体验、发现工具和机械的作用及其运用,教师在教学过程中要重视器材的准备,给学生创造实践的机会,并做好探究活动的组织者和支持者。
二、单元教学目标
科学概念
●机械指的是利用力学原理组成的各种装置。杠杆、滑轮、斜面等都是机械。简单机械又被人们习惯地称为工具。
●有的机械可以省力,有的机械不能省力但能发挥其他作用。
●不同的机械具有不同的结构和不同的功能。
●解决生活中的实际问题需要选择合适的工具和机械。
过程与方法
●进行研究各种机械作用的实验,收集能够解释机械作用的数据。
●通过实验和收集数据,发现问题并作出自己的分析解释。
●用文字、数据、图表等对所观察到的内容进行记录、整理与分析。
●通过文字、图画和讨论来表达自己的想法,并与同学进行交流。
情感、态度、价值观
●认识到工具和机械对于推动社会发展和技术应用的重要性。
●能够将工具和机械的作用、安全与可靠性等与现实社会联系进来。
●获得对各种机械功能的认识,以应付各种实际问题,并意识到工具和机械是随生活的需要而不断发展的。
●形成积极对待科学技术的态度。
●认识到科学与技术是相互影响和相互促进的。
三、分课时教学建议

第1课  使用工具
(一)背景和目标
在这一课中,学生将通过对生活中使用工具经验的回顾和用熟悉的工具解决具体问题,感受工具能帮助我们省力或提供方便,形成初步的工具和机械的概念。教师可以通过本课的教学对学生进行单元前评价,了解学生对工具的已有认识和鼓励学生提出一些涉及简单机械原理的问题。
人类很早就开始使用简单机械了。使用各种机械,就如同延长了人类的臂膀,增强了人类的工作能力。随着各种机械的广泛使用和进步发展,人类的本领越来越大,完成了许多宏伟的工程。机械是神奇的,它是人类的伟大创造,是人类智慧的结晶。
再复杂的机械也是由简单的机械组成的。常用的一些工具就是一些简单机械。学生都使用过工具,所以,他们对简单机械并不陌生。但是,他们可能不知道这些工具的工作原理,甚至不能科学合理地使用这些工具,或者没有意识地去研究这些工具,因此选择这些学生熟悉、常用的工具作为学习研究机械的开端,可以引起学生的共鸣,降低学习的门槛,将机械单元的研究融入学生的生活中去。
科学概念
●机械指的是利用力学原理组成的各种装置。杠杆、滑轮、斜面等都是机械。简单机械又被人们习惯地称为工具。
过程与方法
●尝试在实践中解决指定的科学问题(拔图钉、铁钉和木螺钉),发现做同样的事情,用不同的工具效果是不同的,并从中了解更多的常用工具。
情感、态度、价值观
●意识到工具和机械可以帮助我们做一些事情,恰当地选用工具和机械可以提高我们的工作效率。
(二)教学准备
为每位学生准备:记录用的表格和笔。
为每组学生准备:各种常用的工具一套(剪刀、螺丝刀、开瓶器、羊角锤、小刀、镊子、剥线钳、钳工锤等),钉有三个图钉、两颗铁钉和两颗木螺丝钉的木板一块。
(三)教科书说明
教科书共两页,分为两个部分。
第一部分:我们用过什么工具
在生活中,我们常常使用工具来帮助我们做一些事,回忆我们曾经使用过的工具,以填调查表的形式展示出来。学生对生活中各种工具有观察和使用的经历,让学生统计工具,可以引发学生对工具的一些思考。观察后思考是产生科学问题的前提。
在教学中要注意激发引导学生统计的积极性,鼓励学生把他们了解的工具全部填写出来。要重视学生描述各种工具的作用,期望学生在描述中能就工具产生一些问题,为后面的学习进行准备。
第二部分:选用什么工具好
面对身边种类繁多的工具,我们应该怎样引导学生来研究呢?教科书选取了一组典型的有结构的材料:钉有三个图钉、两颗铁钉和两颗木螺丝钉的木板一块;剪刀、螺丝刀、开瓶器、羊角锤、小刀、镊子、剥线钳、钳工锤等工具。让学生试一试,要想将木板上的图钉、铁钉和螺丝钉拔出来,选择什么工具会更方便、省力,用不同的工具效果会有什么不同。在研究过程中可以先让学生观察木板上的几种钉子有什么不同,然后根据“生活经验”选择认为可以完成任务的工具。取图钉比较方便的办法是用小刀或剪刀来撬;取木螺钉比较省力的工具是用螺丝刀;取钉子比较省力的工具是用羊角锤来撬。在交流探讨中要使学生初步认识到:不同的工具有不同的用途,完成同样的事情,使用恰当的工具能给我们带来方便和省力。
教科书后面呈现的几项工作涉及到了滑轮、斜面、杠杆等机械。油桶通过斜面推上车,比较省力;大石头用撬棍当杠杆去撬动比较省力;利用绳子和轮子组成定滑轮可以很方便地将国旗挂到旗杆顶上。
通过以上的实践研究活动,学生对工具和机械进行了再一次的观察和使用,这为科学问题的提出奠定了基础,所以教科书在最后安排了让学生提出关于简单机械的问题这一活动。这也是教师了解学生关于机械的已有认识的好时机,可以作为教师对学生的单元前评价内容。
(四)教学建议
引入
出示剪刀:会用剪刀吗?用它能做些什么事情?
出示螺丝刀:会用螺丝刀吗?用它能做些什么事情?
(通过学生熟悉的工具的使用问答,开始指向本单元我们将探讨的工具问题。)
我们用过什么工具
在我们的学习、生活中经常要用到各种各样的工具,我们的生活离不开这些工具。今天我们就来研究我们常用的工具。
说一说我们曾经使用过的工具:我们是怎样使用这些工具的,这些工具可以帮助我们完成哪些事情?学生分组讨论,相互介绍相互启发。要求学生将讨论结果记录在课本上的表格内。
选用什么工具好
1.拔钉子活动。
(1)教师出示钉有三种钉子的木板,提出问题:要将这些不同的钉子从木头里取出来,选择什么工具比较好?请各小组同学代表到材料中心领取材料,要求学生先开展观察然后试一试,哪种工具更方便?
(2)请学生在实践后分别选出拔三种钉子最合适的工具,并说说选择的理由。
2.完成三项任务的工具选择。
让学生观看教科书中的三幅图片,选择适合的工具完成相应的工作,说说选择工具的理由。
(1)油桶通过斜面推上车,比较省力;
(2)大石头用撬棍当杠杆去撬动比较省力;
(3)利用绳子和轮子组成定滑轮可以很方便地将国旗挂到旗杆顶上。
在学生实践活动后,向学生揭示“机械”及“简单机械”的概念。
引导学生思考:对于简单机械,我们还有什么问题。
第2课杠杆的科学
(一)背景和目标
在前一课,学生在使用工具解决问题的实践中已经初步认识了什么是简单机械。从本课开始,学生将通过一系列的探究活动,认识杠杆、轮轴、滑轮及斜面等几类简单机械。本课将专门引导学生认识杠杆,并通过实验研究发现杠杆省力与不省力的规律。
在生活中,使用工具来完成一些事情的经历是很多的,如用剪刀剪纸、用老虎钳夹断铁丝、用螺丝刀拧螺钉、用镊子夹东西,等等。会使用这些工具很大程度上来源于经验的积累,学生们可能并不清楚或者没有思考过这些工具的工作原理。本课的教学将结合学生的生活经历,分析使用撬棍的过程,观察撬棍工作的特点,从而认识杠杆类工具。
杠杆这类简单机械可按省力情况分成三类:省力、费力、不省力也不费力。省力杠杆的特点是:用力点到支点的距离大于阻力点到支点的距离;费力杠杆的特点是:用力点到支点的距离小于阻力点到支点的距离;不省力也不费力杠杆的特点是:用力点到支点的距离等于阻力点到支点的距离。
通过杠杆尺开展实验研究活动,我们要让学生初步认识到杠杆是省力还是不省力与它的三个点之间的距离有关,并在探究中认识到收集数据的重要性,发展利用数据来说明问题的能力。
科学概念
●杠杆有三个点:用力点、支点和阻力点。
●有的杠杆能省力,有的杠杆不省力,有的杠杆不省力也不费力。
过程与方法
●用杠杆尺做实验、收集并整理数据,分析认识杠杆省力、费力和不省力也不费力的规律。
情感、态度、价值观
●体会到收集数据的重要意义,并且意识到相互合作的重要性。
(二)教学准备
给每组学生准备:杠杆尺、钩码1盒、记录单。
给全班学生准备:撬棍撬石头的图片、杠杆类和非杠杆类工具3~5种。
(三)教科书说明
教科书共3页,分为两部分。
第一部分:认识杠杆
教科书选用撬棍撬木箱这个情景开始这节课的研究,是因为这是杠杆类工具在生活中运用最广泛、最直观的表现形式,学生有类似的生活经历,利于学生观察并引发思考。通过对教科书中这张示意图的研究,学生对杠杆的用力点、支点和阻力点能有较直观、清晰的认识。
像撬棍那样的简单机械叫做“杠杆”,这是“杠杆”的描述性概念,是适于小学生的认识水平的。工作的杠杆都有三个重要位置:支撑杠杆,使杠杆能绕着转动的位置叫支点。杠杆上用力的位置叫用力点。杠杆克服阻力的位置叫阻力点。
下面是将杠杆这一概念进行推广应用。压水井的压杆、跷跷板是学生们熟悉的事物,引导学生分析它们工作时发挥作用的位置,并标出它们作为杠杆的三个点的位置。
不同的杠杆类工具,三个点的位置也常常不同。找一找身边的常用工具,观察分析羊角锤、钳子、剪刀、天平、锥子、擀面棍等是不是杠杆工具(只有锥子和擀面棍不是杠杆工具,其他4个均是杠杆类工具),说一说理由(不一定非要学生标出这些杠杆工具的三个点),是为了使学生对杠杆类工具有初步的识别能力。
第二部分:研究杠杆的秘密
学生对杠杆类工具的作用进行思考,会产生一系列问题:用撬棍撬起重物一定能省力吗?怎样做才能省力,怎样做就不能省力?
教科书向学生介绍研究杠杆的好工具——杠杆尺,可以把左边挂上的钩码当作被撬动的重物,把右边挂上的钩码当作撬动时我们用的力。
学生可先在两端相同的位置挂两个钩码试用一下杠杆,然后分组讨论什么样的情况能说明用杠杆做事情能省力,什么样的情况不能省力。要学生充分讨论并思考在此过程中应收集哪些数据来说明问题。
在学生研究杠杆尺的活动中,要由学生自主决定两端挂钩码的位置和数量(只在左右各选一个位置挂钩码)。当杠杆尺静止不动时,要把杠杆尺挂钩码的位置和数量记录在书上或活动手册上。
取得一系列的数据后可以对记录进行分析。
(四)教学建议
引入
教师出示撬棍撬木箱的活动图,演示并介绍新工具——木棍完成工作的情况。告诉学生像撬棍这样的简单机械叫做杠杆。今天大家将要来研究杠杆的科学。
认识杠杆
1.让学生结合生活中的经历,仔细观察撬棍撬木箱的情况,找出撬木箱过程中发挥重要作用的三个位置。要求学生认识杠杆的用力点、支点和阻力点,并简单描述完成工作时各个位置承担的作用。
2.让学生尝试对生活中其他杠杆类工具:压水井的压杆和跷跷板进行分析,找出它们作为杠杆类工具的三个点。
3.结合教科书图片,识别图中的羊角锤、钳子、剪刀、天平、螺丝刀、擀面棍等常用工具是不是杠杆,说一说理由(不一定非要学生标出这些杠杆工具的三个点,重在识别),培养学生对杠杆工具有初步的识别能力。
研究杠杆的秘密
1.杠杆工具有什么作用呢?它省力吗?向学生提出杠杆与力的科学问题。
2.向学生介绍可以研究杠杆的好工具——杠杆尺。杠杆尺上有均匀的刻度,很方便在需要的位置挂上重物,是科学研究的好材料。使用时,教师首先应提醒学生将杠杆尺调到平衡状态,通过对比,可以把挂在杠杆尺左边的钩码当成阻力,把挂在杠杆尺右边的钩码当成使用的力,支架中部的轴就是支点。这里要求在杠杆尺左右只选一个位置挂钩码,便于学生掌握也利于交流讨论。
学生可先在两端相同的位置挂两个钩码试用一下杠杆,然后分组讨论怎样用杠杆尺做实验,并计划一个合理的方法步骤收集数据。建议学生多做几次实验收集更多的实验数据,并将各小组收集的数据汇总在一起来进行研究分析。
3.在实践活动中,应由学生自主决定两端挂钩码的位置和数量(要求只在左右各选一个位置挂钩码),当杠杆尺静止不动时,把杠杆尺挂钩码的位置和数量记录在书或活动手册上(可用斜线或横线记录杠杆尺的状态)。
4.这里采用的是随机组合收集实验数据的方法,取得一系列的数据后学生就可以对记录数据进行分析讨论了。
(1)在什么情况下杠杆省力?
即用力点距支点远,阻力点距支点近,这种杠杆是省力杠杆。
(2)在什么情况下杠杆费力?
即用力点距支点近,阻力点距支点远,这种杠杆是费力杠杆。
(3)在什么情况下杠杆不省力也不费力?
即用力点距支点的距离等于阻力点距支点的距离,这种杠杆是不省力也不费力的杠杆。
5.学生围绕书上提出的问题对数据进行统计、分析整理和反思:用什么样的方法步骤收集数据是更为合理的。
第3课杠杆类工具的研究
(一)背景和目标
在前一课,学生初步认识了杠杆类工具,并通过对实验数据的分析研究,发现杠杆省力、费力和不省力也不费力的规律。本课学生将通过对生活中杠杆类工具的省力情况进行分析、识别和分类,认识各类杠杆的作用。这一探究,能让学生对杠杆类工具的认识向生活迁移,帮助学生理解生活中熟悉的各种杠杆类工具的科学原理。
生活中的杠杆并不像杠杆尺那样简单直观,不同杠杆的用力点、支点和阻力点的位置是不相同的,即使是同一个工具,由于使用方法的不同,它的三个重要位置也会发生变化。
学生对杠杆类工具的认识是需要一个过程的。本课的探究将把学生对杠杆类工具的认识引向生活实际。学生将经历省力、费力和不省力也不费力杠杆的分析,既能找到各类杠杆工具的三个重要位置,也能根据省力情况进行分类。
科学概念
●杠杆可以分为省力杠杆、费力杠杆、不省力也不费力的杠杆。
过程与方法
●通过实验认识到杠杆是否省力是由它的三个点的位置决定的。
情感、态度、价值观
●意识到不同种类的杠杆有不同的用途,在不同条件下需要使用不同类型的杠杆。
(二)教学准备
为每位学生准备:1支长竹筷(秤杆)、螺丝帽或钩码(秤砣)、粗棉线或钓鱼线、小塑料圆盘(秤盘)、记录单。
为每组学生准备:撬盖的铁片、开瓶器和夹子。
为全班学生准备:铁片撬盖子、开瓶器开瓶子和夹子夹东西放大的情景图,传统杆秤。
(三)教科书说明
教科书分为两部分。
第一部分:杠杆类工具的比较
为帮助学生认识生活中的杠杆也和杠杆尺一样有省力、费力和不省力也不费力三种情况。教科书选择了代表省力杠杆的打开油漆桶的铁片、打开饮料瓶的开瓶器和代表费力杠杆的夹东西的夹子。这些杠杆都是学生较熟悉的工具,生活中应该有使用类似工具的经历。教学中从杠杆工具的三个重要位置着手进行比较,这是学生比较容易做到的。
教科书呈现了10种工具,依次是偏口钳、园林剪、镊子、切刀、剥线钳、剪刀、核桃夹、尖嘴钳、订书器、筷子。分析这些常用的杠杆类工具,按是不是省力的标准给它们分类:用比较分析的办法去判断哪些杠杆工具像开瓶器一样是省力的,哪些杠杆和夹子一样是费力的。
夹子等杠杆工具用起来不省力,为什么还要设计这样的杠杆工具呢?学生在这里可能很自然地提出这样的科学问题,所以有必要讨论,省力只是工具的一个作用,工具还有给人们带来方便的作用,如:延长手臂(指)、方便拿取等。
第二部分:小杆秤的研究
“秤砣虽小,能压千斤”,这是杠杆类工具运用的一个典型现象。学生在生活中也许没有很多机会见到杆秤,所以这里先通过实际的生活场景让学生了解杆秤:在中药房、农贸市场等地方都有可能见到杆秤的身影。如仍不容易见到杆秤,建议教师准备一把杆秤,让学生进行观察。
在学生仔细观察杆秤实物后,要让学生亲自动手制作一个杆秤,这样能很容易地分析杆秤这个杠杆工具的三个重要位置及其关系,让学生感受到杠杆是怎样省力的以及杆秤设计的巧妙。
附:小杆秤制作步骤
●把一根小手指粗的竹筷或直木棍(长约30~50厘米)打磨光滑;50克钩
码1~10个,其中一个用钓鱼线系好做秤砣。
●自制一个秤盘,系好三条一样长的细绳并固定在秤杆上。
●在秤砣与秤盘间选择适当的位置系上一个绳套,作为初次实验的平衡点。
●利用平衡原理制作托盘小杆秤刻度,在称盘内每次加一个砝码(50克),移动秤砣使秤平衡,并在秤杆的挂秤砣的位置做好标记,直到秤杆用完为止。
(四)教学建议
导入
回顾上节课对杠杆尺的研究,杠杆可以根据省力情况被分成哪几类?告诉学生:生活中我们使用的很多工具都是应用了杠杆原理,今天我们一起来研究生活中多种多样的杠杆类工具。
杠杆类工具的比较
呈现用铁片打开油漆桶盖、用开瓶器打开饮料瓶和用夹子夹菜的情景图,让学生判别一下它们是不是使用了杠杆类工具,然后比较这三种工具有什么相同和不同的地方。学生可以在小组内作简单的讨论,然后提出比较的建议。如:分别找出各种工具的三个重要位置进行对比观察;比较分析三种杠杆的省力情况,看看分别属于哪一类杠杆。
1.每个学生根据图片并结合生活体验,找出三种工具的支点、用力点和阻力点,在图片中标注出来。然后请小组同学进行三个位置的比较,找出三种工具的相同点和不同点,再全班交流探讨:这三个杠杆,哪个省力,哪个费力?为什么?
2.给学生几分钟时间观察图片中更多的杠杆类工具,把图中的工具与前面的三种杠杆类工具进行比较。可以像分析前三种工具一样,用笔标注出每一个工具的支点、用力点和阻力点。然后比较出每一个工具与前三个杠杆类工具中的哪个更相似。
3.鼓励学生对另一组常用杠杆类工具进行独立分析,按省力不省力的标准判断它们分别是哪一类杠杆。
4.给学生几分钟时间思考,寻找并整理生活中的杠杆类工具,根据是否省力情况分别写出一些省力、费力和不省力也不费力杠杆的工具名称来。提出问题:机械是能帮助人们省力、方便做事情的工具,为什么有些杠杆类工具设计成费力的?学生进行探讨交流。
小杆秤的研究
1.向学生介绍中国传统的杆秤,杆秤也是一种杠杆。呈现杆秤结构图和生活中使用杆秤的图,让学生观察杆秤的构造,了解杆秤的使用。让学生尝试对“秤砣虽小,能压千斤”这句话作简单的解释。
2.让学生明确将通过制作一个小杆秤,研究它是怎样称量出物体重量的,杆秤运用的是哪一类杠杆原理。学生观察做一个小杆秤所需要的材料,然后领取一份制作小杆秤的材料,通过制作活动研究小杆秤作为杠杆类工具的特点,了解小杆秤省力的情况。解释“秤砣虽小,能压千斤”的道理。
3.拓展思考:提绳的位置对秤有什么影响?秤砣的轻重对秤有什么影响?学生可以带走自制的小杆秤。
第4课轮轴的秘密
(一)背景和目标
在这一课中,学生将探索另一种简单机械——轮轴。当学生面对一个新机械——轮轴时,可能会主动推测它的作用,是不是可以省力呢。用实验的方法是研究解决问题的一个好途径。当在轮和轴上分别挂上不同数量的钩码并使之保持平衡时,学生会意识到轮比轴省力。当他们讨论并对直径差别更大的轮轴进行测量后,学生会更肯定地认识到轮的大小对轮轴作用是有影响的,并对自己的生活经历进行整理,去找寻那些属于轮轴的简单机械。
科学概念
●在轮轴的轮上用力能够省力,轮越大越省力。
过程与方法
●通过在大小差别更大的轮轴上挂重物的实验分析,认识轮越大越省力。
情感、态度、价值观
●积极了解轮轴在生活中的应用,发展研究简单机械的兴趣。
(二)教学准备
为每位学生准备:记录单两份。
为每组学生准备:1盒钩码、2段粗线绳、1个铁架台、1个大轮、1个小轮、1个轴。
为全班学生准备:大号十字螺丝刀。
(三)教科书说明
教科书共两页,分为两个部分。
从回忆使用水龙头的经历开始,将学生的注意力吸引到观察水龙头的构造上来,认识像水龙头这样由轮子和轴固定在一起,可以转动的机械被称为轮轴。
第一部分:轮轴有什么作用
回忆、交流打开水龙头的经历,观察水龙头的构造,试想如果取下水龙头上的轮子,直接去拧轴,还容易打开水龙头吗?进而可能产生“轮轴为什么能省力”的科学问题,促成开展研究轮轴作用的活动。
通过组装一个轮轴实验装置,来研究轮轴的作用。把一定数据的钩码挂在轴上,看成要克服的阻力。在轮上也挂上钩码,看成是我们用力的大小。要学生记录下每次实验的数据,在小组内通过反复比较轮上钩码和轴上钩码的数量,并对实验数据进行分析,可以发现在轮上用力比较省力,轴上用力比较费力。
通过玩一玩“小个子战胜大力士”的游戏,让学生进一步感受在轮上用力比在轴上用力要省力。在游戏中应尽量选择大一点的螺丝刀,甚至可以制作一个像手榴弹一样的木棒来进行游戏,还可以找一些类似的轮轴来进行游戏。先让全班力量悬殊的学生进行游戏,再让同桌的学生试一试,让大家都来当一回“大力士”。
第二部分:轮的大小对轮轴作用的影响
组织学生在游戏活动后进行简单的对话讨论,期望学生们能提出螺丝刀能省力是因为轮比轴大,再进一步提出猜测,如果轮换成更大的,否会更省力呢?
学生分组改变轮轴装置,将轮换成更大的,研究轮的大小对轮轴作用的影响。保持轴上的钩码数量不变,轮上的钩码进行数量调整,记录下实验使用钩码数量的情况,分析使用更大轮的轮轴与前一次轮轴实验中钩码数量的不同。这里期望学生发现:轮越大,需要的钩码数越少,即:轮越大,轮轴越省力(比如小扳手扳一颗螺丝扳不动,换一个大扳手就可能扳动,这就是在更大的“轮”上用力,所以轮越大越省力)。
发动学生们找一找在我们身边应用了轮轴原理的地方。如汽车的方向盘、水龙头开关、门锁把手、扳手,等等,在找的过程中巩固对轮轴的认识。
(四)教学建议
引入
呈现打开水龙头的图片,学生观察水龙头的构造。告诉学生:像水龙头这样,轮子和轴固定在一起,可以转动的机械叫轮轴。
轮轴有什么作用
1.与学生谈话:如果取下水龙头上的轮子,直接去拧轴,还容易打开水龙头吗?推想轮轴机械的作用。学生根据生活经历作出自己的推测。
2.用一个轮轴实验装置来研究轮轴的作用。
出示轮轴装置,让学生简单设计轮轴机械是否省力的实验。学生明确实验的操作:可以用一个轮轴实验装置来研究轮轴的作用,把一定数量的钩码挂在轴上,看成要克服的阻力,在轮上挂钩码,看成是我们用力的大小,观察什么样的力量可以使轮轴两端达到平衡。(这时的平衡不一定是两边的位置一样高,可以是一边高一边低,但是两边的钩码在不用外力的情况下在空中应该是静止不动的。所以老师在选用材料的时候也要注意不能让轮轴本身的摩擦力太大)。要学生把每次实验的数据记录下来。
学生领取实验材料,分组开展实验活动,注意记录实验的数据,最后进行数据分析和整理出自己小组的发现。
各小组交流汇报实验的结果和发现,共同认识轮轴可以省力的现象。
3“小个子战胜大力士”的游戏。
玩一玩“小个子战胜大力士”的游戏,选几名力气小的同学握螺丝刀的刀柄旋转,力气大的同学握住螺丝刀的刀杆向相反的方向用力旋转,看谁能取得胜利。
先让全班力量悬殊的学生进行游戏,再让同桌的学生试一试,让大家都来当一回“大力士”。通过科学实验和游戏活动认识到,对螺丝刀而言,在刀柄(轮)上用力比在刀杆(轴)上用力省力。
轮的大小对轮轴作用的影响
与学生谈话:我们发现在轮轴的轮上用力比较省力,如果轴不变,把轮换大些会怎样呢?学生根据已有的直接经验进行推测。
教师在演示用的轮轴上更换更大的轮,明确实验的操作方法:同前一个实验一样,只是更换更大的轮,记录下更大的轮用多少钩码可以使轮轴达到平衡。
小组开展实验活动,注意记录实验数据,实验结束后分析整理,形成自己的新发现。
巩固应用
1.教师组织实验后的交流汇报活动,各组学生介绍实验发现:轮的大小对轮轴作用的影响。
2.与学生探讨生活中的轮轴工具。请学生找一找,在我们的周围哪些地方应用了简单机械——轮轴,它们的哪一部分相当于轮,哪一部分相当于轴。轮轴给我们的工作带来了什么方便。
3.学生课后观察生活中更多的轮轴工具并分析它们的工作原理。
第5课定滑轮和动滑轮
(一)背景和目标
前面一课研究了轮轴机械,研究了轮轴省力的工作原理。在这一课中,学生将认识定滑轮和动滑轮这两种简单机械,并将分别通过观察钩码的数量和用测力计测量这两种方法研究滑轮的省力情况。旗杆的顶部有一个可以转动的轮子,在塔吊或吊车的吊钩上有一个一边转动一边随重物移动的轮子……在生活中这些现象不太常见,但只要留心也可能观察到。从生活中的实际事例出发,可以让学生感受到机械对生产生活的影响。在课堂上通过科学实验活动希望帮助学生认识定滑轮和动滑轮的机械原理,也将把学生引向滑轮组的探索中。
科学概念
●定滑轮固定在一个地方,不能随着重物的移动而移动。
●动滑轮不固定,可以随着重物的移动而移动。
●定滑轮和动滑轮的作用不相同。
过程与方法
●通过自行设计实验方案来研究定滑轮是否省力、定滑轮和动滑轮的不同作用。
情感、态度、价值观
●意识到定滑轮和动滑轮的不同作用,发展探究简单机械的兴趣。
(二)教学准备
为每组学生准备:1个铁架台、35厘米长的线、1个滑轮、1盒钩码、1个测力计。
为全班学生准备:1个铁架台、50厘米长的线、2个钩码、1个测力计、1个滑轮。
(三)教科书分析
教科书共两页,分为两个部分。
第一部分:旗杆顶部的滑轮
做一个模拟升旗的装置。
可以用铁架台做支架,用一个可以转动的轮子固定在支架顶部,用一根细线当升旗绳,用纸做一面旗帜固定在细线上,当向下拉动绳子时,旗帜就会随着绳子上升。这里强调通过演示让学生观察、体验这种向下拉绳子而旗帜能够向上升的现象,初步认识定滑轮的作用。
定滑轮能不能省力呢?鼓励学生设计实验方案,自主研究定滑轮是否省力。用铁架台做支架,安好定滑轮,在定滑轮上挂一根绳子,在绳子的两端任意挂上一些钩码,当绳子平衡时,两端的钩码数相同,由此可以说明定滑轮不能省力(请注意滑轮受到的摩擦力不能太大,否则会产生不同数量的钩码也平衡的现象)。学生还可能发现用轮子比不用轮子要省力,这是另一个单元要解决的问题。
第二部分:会移动的轮子
学生们已经清楚了定滑轮不能省力,但是可以改变力的方向。人们在搬运货物时,常使用一种随重物一起移动的滑轮来搬运。这种随重物移动的滑轮叫动滑轮。
动滑轮有什么作用?它和定滑轮有什么不同?这里可以参照研究定滑轮的实验进行,如用铁架台做支架,把绳子的一端固定在支架上,绕过动滑轮向上提(这里可用橡筋或测力计),动滑轮下挂重物。
(四)教学建议
引入
老师出示升旗的图片,和学生谈论升国旗的情况。
指出旗杆顶部有个帮助升旗用的机械装置——滑轮。
研究旗杆顶部的轮子——定滑轮
1.模拟升旗的装置,研究旗杆顶部的滑轮。
首先来做一个模拟升旗的装置,请一名学生当升旗手,大家一起观察、体验升旗的过程。
旗杆顶部的轮子是怎么运动的?
像旗杆顶部的滑轮那样,固定在一个位置转动而不移动的滑轮叫做定滑轮。
让旗手再次拉动线绳,让学生观察升旗的过程。向学生提出思考问题:当我们向下拉动绳子时,挂有旗帜的那部分绳子是怎样运动的。
2.做定滑轮有什么作用的实验
作进一步的推测,定滑轮还会有什么作用,定滑轮能不能省力呢。学生小组作简单交流,设计一个有关“定滑轮是否省力”的研究方案,形成一个共同的实验计划。如:用铁架台做支架,安装一个定滑轮,把一根绳子放到定滑轮上,在绳子的两端任意挂上一些钩码,直到平衡。(老师要注意选择转动自如、摩擦力小的滑轮。)
学生开展实验,注意在记录单上记录数据并在小组内分析整理自己的发现。
交流“关于定滑轮是否省力”实验的结果及发现。小结形成共识:定滑轮可以改变力的方向,但是并不省力。
研究会移动的滑轮——动滑轮
出示图片或视频资料(可以是描述吊车吊运重物的情境),告诉学生在生活中常常可以看到这种随重物移动的滑轮,这种滑轮叫动滑轮。
1.动滑轮有什么作用?参照定滑轮的实验,老师演示组装一个动滑轮实验装置,用它提起重物,测量用了多大的力。在这里复习测力计及使用方法以及力的单位:牛顿(N)。
2.学生到材料中心领取测力计,开展研究动滑轮是否省力的实验。注意让学生记录下实验中的数据。在实验结束时分析整理实验数据,获得新发现。
3.学生整理归还所有实验用的材料到材料中心。各小组汇报实验的结果及获得的发现,比较定滑轮与动滑轮的作用有什么不同。
拓展
想想我们在什么情况下使用定滑轮,在什么情况下使用动滑轮。
第6课滑轮组
(一)背景和目标
前一课学生认识并研究了定滑轮和动滑轮的作用。这一课学生将通过生产生活中的现象认识滑轮组,并亲手组装滑轮组,进行滑轮组作用的研究实验。将滑轮组合起来使用是生活中常用的省力机械。学生在前一课学习的基础上也可能已经作出滑轮组更省力的推测,组装一个滑轮组并进行实验验证,感受机械给人们带来的方便是有基础的。
科学概念
●定滑轮和动滑轮组合在一起构成滑轮组,滑轮组能够改变力的方向,而且可以成倍地省力。
过程与方法
●结合对滑轮组的研究,解释起重机的工作原理。
情感、态度、价值观
●能积极参与科学实验和游戏活动并与同学友好地合作研究。
(二)教学准备
为每组学生准备:1个铁架台、2个滑轮、约50厘米长的线、1盒钩码、测力计。
为全班学生准备:光滑的木棒(能有穿在木棒上的轮子更好)、约20米长的绳子、与起重机相关的图片或视频资料。
(三)教科书说明
教科书共两页,分为两部分。
第一部分:观察起重机上的滑轮
这部分是本课研究的前奏和“导火线”。有条件的(如附近有建筑工地、吊车、起重车等)可以组织学生在保障安全的前提下,进行现场观察,也可以收集一些图片或视频资料,展示出来让学生观察,还可以课前布置学生自行进行观察,但要特别强调安全。
观察之后要让学生进行充分的交流,观察的目的是让学生发现起重机上有许多定滑轮和动滑轮在组合起来使用。把动滑轮和定滑轮组合在一起,就构成了滑轮组。要思考这些滑轮组有什么作用。
第二部分:滑轮组的作用
需要在课堂上组装一些滑轮组,来模拟研究滑轮组的作用。
组装滑轮是一个比较困难的事,要激励学生与同伴合作,耐心细致地组装。滑轮的组装有两种方法,这里不强调方法的不同,也不需要让学生比较两种方法哪种更省力。为避免出现用力方向与重物上升方向一致而不便学生解释的现象,老师可以示范在定滑轮上固定线的方法组装滑轮组。
当学生组装好滑轮组后,首先测试用一个钩码作为重物,直接提起需要多大的力,然后再测试用滑轮组提起需要多大的力,并记录下来。随后多次改变钩码的数量,使用测力计进行测量,记录下每次的测量数据。
通过分析实验获得的几组数据,发现用力大小与滑轮组的结构的关系。
如果增加滑轮组的滑轮数量,用力大小会怎么变化呢?这一问题将学生对滑轮组作用的研究引向深入,也是本课内容的扩展和高潮。采用游戏的方式是为了增强学生的学习兴趣,并从游戏中进行体验。
这个游戏实际上是有关滑轮组的实验,两个大个子学生分别相当于重物和固定定滑轮的支架,小个子相当于使用滑轮组后施加的拉力。随着绳子绕的圈数越多,小个子处需要的拉力就越小。
这个游戏是本课的高潮,学生非常喜欢这样的活动,建议老师进行充分的准备,特别是器材的选择上要精心,实验效果要明显,还可以根据木棒大小找两个轮子以减少绳子与木棒之间的摩擦,效果会更好。
分析游戏和滑轮组实验,学生可以认识到滑轮组的组数(1个定滑轮和1个动滑轮组合在一起为1组)越多,就越省力。这也是起重机能够吊起很重的物体的原因。
(四)教学建议
引入——观察起重机上的滑轮
在建筑工地上,总少不了高大的起重机。观察起重机的工作,我们有什么发现?教师出示有关起重机的图片或视频资料,学生仔细观察,并结合自己的了解交流对起重机的认识。
研究滑轮组的作用
向学生介绍,把动滑轮和定滑轮组合在一起使用,就构成了滑轮组?/span>
滑轮组有什么作用?通过参与组装滑轮组和提升重物的对比测量来研究这个问题。
1.组装最简单的滑轮组。
出示组装滑轮组的材料并向学生介绍,演示组装一个滑轮组的方法:将一个滑轮固定在铁架台的上端,作为定滑轮;在定滑轮的固定钩上系上一根线,绕过另一个滑轮后再绕过已固定的定滑轮,组成一个简单的滑轮组。
学生分组组装简单滑轮组,这里可能需要花一定的时间。然后对滑轮组的作用开展实验研究,并记录好相关数据。
实验后,小组学生对实验数据进行分析整理,写出对滑轮组作用研究的发现。这里可能会出现第一次实验的省力效果并不明显,要引导学生通过观察发现,此时动滑轮本身也是重物的一部分,但是随着钩码重量的增加(滑轮本身的重量没增加),省力的效果就明显了。
2.组装由多个定滑轮和多个动滑轮组成的滑轮组。
提出如果增加滑轮组的滑轮数量,用力大小会怎么变化?用与前面实验相同的方法进行实验,记录实验情况,并分析实验数据,得出结论。
3.有趣的游戏——小个子战胜大力士。
教师介绍游戏的方式,学生学习教科书上的游戏方法与规则。出示游戏器材,找两个大个子学生和一个小个子学生参加游戏(受器材影响,当摩擦力较大时,大个子与小个子的力量悬殊不要大太)。要求没有直接参加游戏的学生对游戏的数据进行记录,寻找其中的规律。
最后组织学生根据本课的实验研究解释为什么塔式起重机能够吊起那么重的物体。
第7课斜面的作用
(一)背景和目标
这一课中,学生将通过观察生活现象认识一种新的简单机械——斜面。他们还将在实验中对比测量直接提升重物与用斜面提升重物所用力量的大小,也将在实验中更深入地对比研究同一重物在不同坡度斜面提升时的用力情况。在前面一系列简单机械原理及作用研究的帮助下,通过认识斜面,提出“斜面是否能够省力”的科学问题,设计出简单的对比实验并进行实验研究,学生可以获得对简单机械斜面的作用及省力原理的认识。
在漫长盘旋的公路上,汽车都能正常行驶,而在特别陡峭的山路上,马力小的车就感到吃力了;我们在走坡路时,走坡度大的斜坡明显比走平缓的斜坡吃力。但是怎样用科学的实验来说明斜面的作用及坡度的大小与用力大小的关系呢,这就是本课要探究和解决的问题。
科学概念
●像搭在汽车车厢上的木板那样的简单机械叫斜面,斜面可以省力。
过程与方法
●制订一个简单的研究计划并用实验的数据来说明斜面的省力规律。
情感、态度、价值观
●积极参与科学实验,愿意与同学进行合作交流。
(二)教学准备
为每组学生准备:1块搭斜面的平面板状材料、4个不同高度的小物品、1盒钩码、1个测力计。
为全班学生准备:有关斜面机械使用情境的图片或视频资料。
(三)教科书说明
教科书共两页,分为两部分。包括研究斜面有什么作用和不同坡度的斜面有什么不同两个主要活动。
第一部分:斜面有什么作用
本课的学习从生活现象引入,让学生形象地认识“斜面”这一新的简单机械。斜面概念的呈现也是描述性的。“斜面能省力吗”。教科书中四个学生的对话提示至少要做好四个方面的准备或研究:搭个斜面进行模拟实验;自己拟订科学实验计划;对比研究直接和用斜面提升重物的用力情况;用不同重量的物体在同一个斜面上对比研究。
在这个研究中学生们会发现同一物体从斜面拉上去用的力都小于直接把物体垂直提上去用的力。所以斜面可以省力。
第二部分:不同坡度的斜面有什么不同
斜面能省力是对斜面作用研究的发现。科学研究往往是在有了研究发现后又提出新问题,使研究更深入。那么斜面省力大小与斜面坡度大小有什么关系吗?按照教科书中的设计组织学生开展实验并记下相关数据。
对比表格中的实验数据,学生们可以清楚地看到坡度越小用力越小,坡度越大用力越大,直接垂直向上提重物相当于坡度为90°,用力最大。由此可以得出结论:斜面都能省力,坡度越小越省力,坡度越大越不省力。
生活中应用斜面的地方是很多的,这里让学生在生活经历中去发现。教科书中呈现的立交桥的引桥和螺丝钉,可以帮助学生从大的设施到很小的工具各
方面去寻找斜面。比如文具盒里的剪刀、卷笔刀等刀具的刀口;生活中的斧头、菜刀、楼梯、盘旋的山路、高速公路立交桥的引道、螺丝钉等。
一条直的上山的公路的坡度很大,而“S”形的盘山公路由于路程的延长而坡度变小。螺丝钉的螺纹相当于盘山路,延长了路程,坡度变得很小,因此用螺丝刀转一转就能轻松地将螺丝钉推进木头里。在前面取出钉子和螺丝钉的实验中,由于钉子没有螺纹,相当于坡度很大,用羊角锤使劲才能取出钉子;而螺丝钉有螺纹,坡度变得很小,用螺丝刀就能轻松地将螺丝钉取出。
(四)教学建议
引入
呈现有坡度山路的图片或视频。
我们走过盘山公路吗?
让学生描述他们的经历和感受(可以出示相关的图片或视频帮助学生回忆)。并说说还有哪些接触斜坡的经历。
斜面有什么作用
出示在人行天桥上推自行车或沿木板推货物上车的情景图,提示:人行天桥的斜坡、搭在汽车车厢上的木板也是一种简单机械,叫斜面。
学生进行关于斜面机械的简单探讨,提出问题:斜面能省力吗?
1.制订一个研究计划。
首先需要建造一个斜面。组织学生交流自己的研究方法和步骤。
不同物体在用斜面和不同斜面的情况下提升,它们的用力情况会怎样?我们可以作个比较。
2.学生分组实验,并记录每一次实验数据。
分析实验数据,整理小组的发现并集中交流,认识斜面的作用。
研究不同坡度的斜面
帮助学生深入思考:不同坡度的斜面省力情况有什么不同。
学生交流、完善计划,并开展实验活动。
分析实验数据:坡度越小用力越小,坡度越大用力越大,直接垂直向上提重物相当于坡度为90°,用力最大。所以得出结论:斜面都能省力,坡度越小越省力,坡度越大越费力。
斜面在生活中的应用
找一找我们的教室里哪些地方应用了斜面的原理。
找一找教室以外的环境中应用斜面的地方。
解释用螺丝刀比用钉锤能轻松地将螺丝钉钉入或取出的原因。
解释盘山公路为什么要修成“S”形。
第8课自行车上的简单机械
(一)背景和目标
最后一课,是让学生通过观察,研究他们所熟悉的自行车这个综合运用简单机械的交通工具,将自己前几课所学的原理运用到实际生活中去。通过本课的活动,可以评价学生运用所学到的有关简单机械原理的能力。每一个学生将分析自行车上的链条和齿轮两个机械结构,然后寻找自行车上更多的简单机械,最后集中探讨本单元所认识过的简单机械的种类和它们的作用,形成对简单机械的总体认识。
科学概念
●自行车运用了轮轴、斜面、杠杆等简单机械的原理,是应用广泛的交通工具。
过程与方法
●发现并分析自行车上更多的机械种类和作用。
情感、态度、价值观
●通过整理已认识的各类机械和机械的作用,意识到机械与我们的生活密切相关。
(二)教学准备
为每组学生准备:1辆自行车或完整的自行车结构图。
为全班学生准备:至少1辆变速自行车。
(三)教科书说明
教科书共3页,分为三部分。
教科书首先介绍了自行车是一种简单、方便、环保的交通工具,很多人都喜欢使用它。老师可以让学生观察自行车,告诉学生自行车是简单机械的巧妙结合,从而激发学生了解自行车机械原理的兴趣。
第一部分:自行车上的链条和齿轮
让学生自行组合,组成几个自行车研究小组(根据情况,若不能备齐每组一辆自行车,可为全班学生找到一辆变速自行车,各小组研究自行车结构图)。老师引导学生关注“人的力量是怎样传到车轮上去的”,让学生分组对自行车进行细致的观察,找出要分析的各个部位,探讨自行车上链条和齿轮的作用。
通过观察思考两个齿轮的大小对改变轮子转动快慢的作用,促进学生展开比较测量的实验研究活动。在具体的实验研究中发现,轮轴机械原理在自行车上的应用(以三挡变速自行车为例):自行车脚踏板的大齿轮带动最小的驱动轮齿轮,转速最快,但是用力最多;自行车脚踏板的大齿轮带动中驱动轮齿轮,转速变慢,但是比较省力;自行车脚踏板的大齿轮带动最大的驱动轮齿轮,转速最慢,但是省力最多。
在学生对齿轮有所认识的基础上,老师和学生共同观察研究变速自行车多个齿轮的作用,即大小齿轮间轮换的作用及机械原理,感受到简单机械的巧妙作用。
第二部分:寻找自行车上的简单机械
在对自行车链条和齿轮研究的基础上,鼓励学生寻找观察自行车上其他部位更多的机械。
第一步,分小组在自行车上寻找运用简单机械的部位,选择一个本组感兴趣的机械问题,教科书上3个学生的发言是一些提示。
第二步,根据选择的机械种类,小组开展实验研究。教科书上呈现的三幅图中车把是轮轴、刹车是杠杆、脚蹬子是轮轴。学生可以观察分析更多的机械部位,并整理记录下来。
第三步,对观察研究进行交流。学生可能会发生一些争论。通过交流,可以对各小组的观察分析进行评价。
第三部分:讨论
这里再进行一次对简单机械的讨论,可以帮助学生对获得的相关信息进行整理,教师也可以通过这一活动,评价学生在经历了一单元的学习后对机械的认识是否得到了发展。
(四)教学建议
引入:出示一辆自行车
自行车是简单、方便、环保的交通工具,很多人都喜欢使用它。我国就是一个自行车大国。今天我们就来对自行车进行观察研究。
研究自行车上的链条和齿轮
我们知道自行车是简单机械巧妙的组合,可以依靠人的力量前进。人的力量是怎样传到车轮上去的?
1.将全班学生分成小组,以组为单位进行研究。学生观察自行车上的链条和齿轮,分析它们的作用和原理。教师可以用以下问题帮助学生研究:(注:两齿轮是指脚踏板大齿轮和驱动轮小齿轮)
两齿轮的大小对改变转动的快慢有什么作用?
自行车大齿轮转动一圈,小齿轮转动多少圈?
小齿轮转动一圈,大齿轮转动多少圈?
2.学生进行细致的观察实验。讨论齿轮转动的快慢与齿轮的大小是怎样的关系?
3.出示自行车实物,研究变速自行车上多个齿轮的作用,尝试总结自行车变速过程中轮轴机械原理的运用。
寻找自行车上的简单机械
鼓励学生在自行车上寻找更多的简单机械进行研究。
1.学生分组开展观察研究活动,注意记录下简单机械的位置、机械的类型和机械发挥的作用。这里可能需要给学生更多自主的时间和空间,老师要参与到学生的探讨中去,了解学生对简单机械的认识情况和可能出现的问题。
2.全班进行交流,讨论各种类型简单机械在自行车上的运用,补充记录本组没有发现的简单机械的应用。
拓展研究
引导学生讨论在本单元研究过的简单机械及它们的作用,学生对自己的认识进行记录整理。鼓励学生对简单机械提出新的问题,促进学生继续对简单机械进行课外研究。
四、评价建议
在单元教学结束的时候,建议对学生们的学习作一次单元评价。评价可以是多元的,学生们可以自己评价,同学间也可以相互评价,但这些评价都要在老师的引导下进行。评价内容建议从以下这些方面去考虑:
1.“机械”及“简单机械”的概念,包括杠杆、轮轴、定滑轮、动滑轮、滑轮组、斜面这几类简单机械的描述性概念。
2.杠杆的原理、分类及运用。
3.轮轴的原理及运用。
4.定滑轮、动滑轮的原理及运用。
5.滑轮组的原理及运用。
6.斜面的原理及运用。
7.观察分析自行车上一些简单机械的运用及原理。
8.设计并开展测量实验、对比实验的情况,整理分析实验数据并形成解释的能力。
五、参考资料
关于机械
使用机械的目的:省力或加快速度(省时)或操作方便(改变力的方向),使用机械绝对不能省功,也不会产生功,而只能传递或转换功和能。
简单机械:常用的机械大都是由杠杆、轮轴、滑轮以及斜面等几种基本组件组合而成的。上述的几种组件,可称之为简单机械。
杠杆的种类及作用
杠杆是一种简单机械;一根结实的棍子(最好不会弯又非常轻),就能当作一根杠杆了
上图中,方形代表重物、圆形代表支点、箭头代表用力点,这样,你看出来了吧?在(图1)中,在杠杆右边向下用力,就可以把左方的重物抬起来了;在(图2)中,在杠杆右边向上用力,也能把重物抬起来;在(图3)中,支点在左边、重物在右边,力点在中间,向上用力,也能把重物抬起来。
请注意,在(图1)中,支点在杠杆中间,在物理学里,把这类杠杆叫做第一类杠杆;(图2)是阻力点在中间,叫做第二类杠杆;(图3)是用力点在中间,叫做第三类杠杆。
第一类杠杆,例如:撬棍、剪刀、钉锤、拔钉器……这类杠杆可能省力可能费力,也可能既不省力也不费力。这要看用力点和支点的距离,用力点离支点愈远则愈省力,愈近就愈费力;如果阻力点、用力点距离支点一样远,就不省力也不费力,只是改变了用力的方向。
第二类杠杆,例如:开瓶器、榨汁器、核桃夹、独轮手推车……这类杠杆的用力点一定比阻力点距离支点远,所以永远是省力的。
第三类杠杆,例如:镊子、烤肉夹子、筷子……这类杠杆的用力点一定比阻力点距离支点近,所以永远是费力的。
轮轴
轮轴:由两个半径不等的圆轮,固定在同一轴心上,这种机械称为轮轴。
轮轴事实上是杠杆的变体,若把轴心当作支点,则轮半径R是轮上作用力的力臂,而轴半径r是轴上作用力的力臂,此时的轮轴恰为支点在中间的杠杆。
轮轴的应用:
1.若动力在轮上时,由于动力臂较大,因此动力会小于阻力,此时的轮轴必省力,而代价则是动力移动距离加长。
2.若动力在轴上时,由于动力臂较小,因此动力会大于阻力,此时的轮轴必费力,但动力的移动距离较短。
3.门的球形锁是轮与轴的例子。圆形把手的半径较穿过门的心轴为大,使我们能以较小作用力来旋转心轴。若是取掉圆形把手只靠心轴本身来旋转,将发现没有轮轴机械的帮助,旋转心轴非常困难。其他如:方向盘、螺丝刀、绞盘等也是轮轴的应用。
滑轮
滑轮:边缘有凹槽,能绕中心轴自由旋转的轮,称为滑轮,可分为定滑轮与动滑轮两种。
定滑轮:滑轮的轴固定不动的,称为定滑轮。
1.定滑轮可视为支点在中间,且两臂等长的杠杆应用。以定滑轮吊起重物时,绳上作用力与负荷相等,即不会省力。
2.使用定滑轮吊起物体时,只是为了改变力的作用方向,达到操作方便的目的。
3.使用定滑轮时,绳子拉力的方向和拉力的大小无关,此时因拉力的方向总是和臂垂直,故物体被拉升的方向与拉绳子的方向无关。
动滑轮:滑轮的轴可随物体上下移动,称为动滑轮。
1.动滑轮可视为阻力点在中间,且动力臂为阻力臂两倍长的杠杆的应用。
2.以动滑轮吊升物体时,绳上作用力的大小约为负荷的一半,可以达到省力的效果。
3.使用动滑轮时,拉力的大小和拉绳的方向有关。拉力的大小视拉绳方向和垂直方向之夹角的增加而增大。
滑轮组:定滑轮和动滑轮可用许多不同组合方式得到滑轮组,不同的滑轮组有不同的机械利益比。换个说法,滑轮系统中机械利益比是由滑轮的数目与组成位置而决定的。
斜面
斜面:与水平面成倾斜的光滑平面,称为斜面。
1.以斜面装置拉动滑车至高处的作用力,比直接吊起滑车至高处的作用力要小,也就是说,斜面可以用较小的力将物体抬至高处。
2.斜面越长或斜面高越短即斜角越小,则越省力。
3.斜面的应用。
(1)日常生活中有很多事物应用斜面的原理而达到省力的目的,如楼梯、蜿蜒而上的山路等。
(2)若将两个斜面结合在一起,则形成一种称为楔(或称为劈)的简单机器。楔在切割并分裂东西时非常有用。刀、斧及人类门牙均为楔的例子。
(3)若将斜面围绕在圆柱上,则形成称为螺旋的简单机器。常用来固定物体的螺丝、附螺纹的瓶盖、螺旋式汽车千斤顶等都是应用螺旋的装置。
斜面虽然已被人类使用数世纪之久,但直到1586年,斯蒂文才提出理论上的说明,当一物体沿一光滑斜面向上推时,将其提高到斜面顶端所需的力是F=wh/d,其中F是平行于斜面方向施加于物体的外力,W是物重,h是斜面的高度,d是斜面长度。斜面减少了提高物体所需之外力,是因斜面具有机械利益,即d/h比值。斜面越平缓,机械利益越大。
拉链也是斜面应用的一种,斜面使拉拉链的微小力量转换成足以分合链齿的强大力量。