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八年级物理《第五章人与机械》教材分析
密云三中 段容民
一、知识体系与单元划分
1．知识体系：
2．过程与方法
（1）探究影响杠杆转动的因素
（2）探究杠杆平衡条件
（3）探究滑轮、滑轮组的绳子自由端与物体移动距离的关系及它们的速度关系
（4）探究滑轮、滑轮组绳子自由端的拉力和物重的关系
（5）探究链传动的传动比
3．单元划分
这一章共分三个单元：第一单元，杠杆；第二单元，滑轮；第三单元，机械传动。
二、教学目标
（一）《课标》要求
1．通过实验探究，学会使用简单机械改变力的大小和方向
学生要在探究中学会使用杠杆、滑轮或其他简单机械中的任何一种，来改变力的大小和方向。按照《标准》的要求，最低要求是定性地学习一种简单机械。但是，学生通过探究知道了杠杆的平衡条件或定滑轮、动滑轮的规律，并能用来省力或使工作方便，也属于“学会”的范畴之内，《标准》是允许的。
2．了解机械使用的历史发展过程。认识机械的使用对社会发展的作用。
“了解机械使用的历史发展过程”。体现了课程基本理念中“注意学科渗透，关心科技发展。了解科学·技术·社会（STS），逐步树立科学的世界观“的思想。“认识机械的使用对社会发展的作用”，目的在于通过机械的使用对社会发展的作用的了解，使学生关心科学技术的新进展和新思想，逐步树立科学的世界观的意识。有将科学服务于人类的使命感与责任感。标准主要是关注学生在情感、态度与价值观方面的发展，而不是具体的知识和技能，可以通过一些机械使用和发展的典型实例，让学生体验科学、技术和社会的关系。
（二）具体要求
考试内容 知识点 分项细目 考试水平
知道 理解 会
人与机械 杠杆 1．杠杆 √
2．力臂的概念 √
3．杠杆的平衡条件 √
4．运用杠杆的平衡条件解决有关问题 √
滑轮 5．定滑轮及其作用 √
6．动滑轮及其作用 √
7．滑轮组及其作用 √
8．组装简单的滑轮组 √
机械传动 9．带传动、齿轮传动、链传动、螺旋传动 √
【第五章 人与机械】复习要点及要求
1、杠杆的种类：省力杠杆、费力杠杆、等臂杠杆的判断及其举例；
2、杠杆的力臂的画法及其应用；
3、定滑轮的实质及其作用；
4、滑轮组绕线、滑轮组的组装及其作用；
5、杠杆平衡条件的文字和字母表示，杠杆平衡条件的实验，运用杠杆平衡条件解决有关问题；
6、机械传动的种类，各种传动的举例及其判断。
三、本章教材重点、难点分析
前面学习了力的三要素，力的示意图，平衡力，这些知识是学习本章知识的基础。本章知识又是研究机械效率的基础。力臂概念是本章最重要、最难理解的概念，学生对力臂概念是否理解关键是看他们能否在实物中辨认出动力臂和阻力臂。滑轮和滑轮组的重点应该是绳子自由端与物体移动距离的关系及它们的速度关系及绳自由端的拉力和物重的关系，这三个关系解决机械效率问题的基础。机械传动是本教材新增加的内容，上世纪七十年代北京市教材中有过。这节内容不是本章的重点，但是，由于这部分内容资料少，对这部分内容的教学经验也少，重视程度不够，有可能会成为学生学习的难点。
本章的第二个重点和难点是实验与探究的过程与方法。
四、教学建议与说明
§5-1杠杆
1．关于杠杆定义的说明
杠杆是最重要的一种简单机械，它也是滑轮、轮轴等其他一些简单机械的基础。教材中对杠杆是这样定义的：我们把绕着固定点转动的棒、杆或硬件叫杠杆。老教材对杠杆的定义是：一根硬棒，在力的作用下能够绕固定点转动，这根硬棒就叫做杠杆。建议改为：在力的作用下能够绕着固定点转动的棒、杆或硬件叫杠杆。理由是这样能够体现出它们只有在使用时才可称之为杠杆。
在认识什么是杠杆的教学中，可利用投影、录像、实物等方式向学生展示各种工具，给学生足够的感性认识，以利于学生从实物中抽象出杠杆模型。
2．关于力臂的教学
为突破力臂这个难点和突出实验与探究的过程与方法，建议：
（1）利用图1所示的装置增加探究影响杠杆转动的因素的探究实验。猜想：探究影响杠杆转动的因素。综合结论：力的大小、方向、作用点都影响杠杆转动。
（2）增加如图2的演示实验。杠杆右侧力的大小、方向、作用点都相同时，杠杆转动左侧不水平。将作用点由A移至B点，杠杆不转动左侧水平。此实验也使学生直观地认识动力的作用效果不是由支点到动力作用点间的长度决定，而是由支点到动力作用线间的距离决定。最后得出我们把从支点到动力作用线间的距离叫做动力臂，臂从支点到阻力作用线间的距离叫做阻力臂．注意：第二次实验前杠杆平衡不好调。
（3）对力臂的画法，教师首先要给予示范，再让学生通过练习掌握作图的方法和规范．画力臂的步骤仍按照考试要求的画。①在杠杆的示意图上，确定支点O，找出力的作用线或力的作用线的延长线（用虚线表示）。②从支点O向力的作用线作垂线（用虚线表示），画出垂足，则支点到垂足的距离就是力臂。③支点到垂足用大括号勾出，并用l1、l2表示F1、F2的力臂。
（4）练习：①从实物中辨认出杠杆。②画力臂
§5-2探究——杠杆平衡的条件
1．杠杆平衡是指杠杆静止或匀速转动。通常我们是在杠杆平衡或非常接近平衡的情况下使用杠杆的。
2．建议：将《探究——杠杆平衡的条件》实验改为《探究在阻力和阻力臂一定时，动力和动力臂之间的关系》实验。使学生直接从实验中得到使用杠杆省力的原理。改变了过去从杠杆平衡条件出发演绎推理出结论的做法，用归纳推理的方法得出结论更符合现代教学理念和学生的认知规律。在以后的习题中也多是关于在阻力和阻力臂一定时，研究动力和动力臂之间的关系的问题。
3．杠杆的种类及应用。辨认方法：（1）比较动力臂和阻力臂大小（如工程车上的升降臂）。（2）假设没有此杠杆或不这样使用能否很好完成工作，不能很好完成工作该杠杆为省力杠杆（如起钉子时用的羊角锤、起瓶盖时的起子）。使用该杠杆是否需要很大的力，如果不需要则为费力杠杆（如镊子、垃圾桶踏板）。（3）以省力还是以省距离为目的（如剪铁皮时用的剪刀、剪纸时用的剪刀）。注意一个工具中有两个杠杆（如剪指甲刀）。
4．画最大动力臂。这就是关于在阻力和阻力臂一定时，研究动力和动力臂之间的关系的问题。如图3，欲在图中A点用最小的动力F使杠杆平衡，请画出力F。题中阻力和阻力臂一定且杠杆平衡，欲使动力F最小，则动力臂L1最大。最大的动力臂L1是支点到动力作用点的线段。则最小的动力F是以支点到动力作用点的线段为力臂的力。如图3，连接OA，过A点垂直于OA向下的力就为动力F。
5．杠杆的转动。若杠杆处于平衡状态，当然F1L1＝F2L2
但若杠杆F1L1≠F2L2，那么杠杆怎样转动？杠杆的转动情况，
不是由力的大小决定，而是力乘以力臂的积的大小决定，即
FL的大小决定。如图4，处于水平位置的杠杆若F1L1＞F2L2，具有较大的FL是F1L1，表现出来是F1影响杠杆的转动，杠杆的转动的方向应当与F1的方向一致，即杠杆左端下降右端上升或向逆时针方向转动。
6．轮轴
如图5所示，由轮和轴组成的简单机械叫轮轴。轮的半径大于轴的半径，轮和轴固定在一起，工作时，轮和轴都绕一个共同的轴线转动，轮的转动能带动轴的转动，同样，轴的转动也能带动轮的转动，并且转速相同。
轮轴的实质就是一个连续转动的杠杆，支点就是轮轴的中心Ｏ。如果作有在轮上的Ｆ１是动力，作用在轴上的Ｆ２是阻力，则ＯＡ就是动力臂，ＯＢ就是阻力臂。由杠杆平衡条件，Ｆ１·Ｒ＝Ｆ２·ｒ。由于Ｒ>ｒ，所以Ｆ１<Ｆ２，可见，动力如果作用在轮上则省力；反之，动力如果作用在轴上则费力。轮轴的应用很多，如汽车方向盘、辘轳、纺车、自行车的车把、轮子、铰盘等等。在实际应用中，轮或轴都可以变形为杆状，如自行车上的大腿（轮）（链盘是轴）。轮轴和滑轮都属于杠杆类的简单机械。
7．练习
（1）杠杆分类判断
①．图6所示的是我国春秋时代已经应用的一种汲井水的工具——桔槔，它的作用
是[ ]
A．桔槔是等臂杠杆，应用它既不省力，也不费力
B．桔槔是不等臂杠杆，动力臂小于阻力臂，是费力杠杆
C．桔槔是等臂杠杆，提水过程中是省力的
D．桔槔好处是可增长力臂提取深井的水。
②列车上有出售食品的手推车（如图7所示）。若货物在车内摆放均匀，当前轮遇到障碍物A时，售货员向下按扶把，这时手推车可以视为杠杆，支点是______（写出字母）；当后轮遇到障碍物A时，售货员向上提扶把，这时支点是______，手推车可以视为______力杠杆。
③如图8所示，欲用最小的推力F，把一重力为G的均匀园柱体推上一个台阶，
试在图中画出推力F。
（2）利用杠杆的平衡条件计算
①从一端抬起200牛顿的水平放置的粗细均匀的钢管，至少需要用力[ ]
A、200牛顿 B、100牛顿 C、50牛顿 D、150牛顿
②地面上有一条大木杆，抬起A端需用力300牛，抬起B端需用力200牛。这条木杆的_________端较粗，整个木杆受的重力为_________牛。
③用一杆秤称物体，如果误用了一个较小的秤砣，所称出的质量与实际质量比较，则[ ]
A、偏大 B、偏小 C、相等 D、无法确定
（3）利用杠杆的平衡条件判断
①如图9所示，杠杆AB分别在F1、F2或F3作用下保持静止，A为支点，则关于三个力下列的说法中正确的是（ ）。
A．F1最小 B. F2最小 C. F3最小 D. 三个力一样大
②如图10所示杠杆，在A端施一个始终与杠杆垂直的力F，当杠杆由如图实线位置匀速转动到虚线位置时，F大小的变化情况是（ ）
A．大小不变 B．由小变大
C．先变大后变小 D．先变小后变大
③用撬棒撬一块大石头，已知棒AB=0.7米，BC=0.2米，CD=0.1米，撬棒在
C处受到石头压力为2000牛，欲撬动石头，所用的力必须大于多少牛？（棒
自重不计）如图11所示
④一米长的杠杆，左端挂80牛顿的物体，右端挂20牛顿的物体。要使杠杆
平衡，支点O应离左端A多少厘米？如果两端重力各增加10牛顿，要使杠
杆平衡，则支点应向哪个方向移动，移动多少厘米？
§5-3滑轮
本节知识内容编排的简单明了，只是通过图或实验演示使学生认识定滑轮、动滑轮和滑轮组，没有关于定滑轮和动滑轮实质的内容，这就极大地降低了学生学习的难度。也没有给出定滑轮不省力这样的结论，尤其是没有给出动滑轮能省一半力，滑轮组的F=1/nG物这样的非实验结论，实际上也降低了学生学习的难度。而是突出了是实验探究，通过实验探究使学生认识定滑轮、动滑轮和滑轮组的作用。同时也就突出了滑轮组上的距离关系和力的关系。这就为下一章研究滑轮组做的功、功率、机械效率打下基础。
1．认识定滑轮和动滑轮。建议：仍然对滑轮、定滑轮和动滑轮有一个明确的定义，可以使学生通过对图或演示实验的观察引导学生描述出滑轮、定滑轮和动滑轮的特征。这样既培养了学生的观擦能力，又锻炼了学生的语言表达能力。
滑轮是周边有槽，可以绕着装在框子里的轴转动的小轮。使用时，滑轮的轴固定不动，这样的滑轮叫定滑轮。使用时，滑轮和重物一起移动（滑轮的轴当然要随着移动），这样的滑轮叫动滑轮。
2．探究滑轮、滑轮组的绳自由端与物体移动距离的关系及它们的速度关系
重物移动的距离S物和拉力作用点移动的距离S绳之间的关系，除了为得到省力就要费距离这个外，主要是为下一章计算有用功和总功做准备。根据S绳=nS物，可以已知一个距离求另一个距离。重物移动的速度v物和拉力作用点移动的速度v绳之间的关系，也是为下一章计算有用功率和总功率做准备。根据v绳=nv物，可以已知一个速度求另一个速度。它们的速度关系是通过v=S/t推导出的，由于重物和拉力作用点同时移动同时停止，所以，所用的时间是相等的。
从实验中探究出S绳=nS物并推导出v绳=nv物并不难。实验结论得出后，还要进行理论分析，认为绳在拉力作用下，只是发生了微小形变，在忽略微小形变时，绳的总长度不变，所以才有S绳=nS物，n是与动滑轮连接绳的段数。
3．探究滑轮、滑轮组绳子自由端的拉力和物重的关系
滑轮和滑轮组绳子自由端的拉力和物重的关系是本节课的重点。建议在实验中将钩码和动滑轮一起测受到的重力可以分别计为G物和G动。这样更容易找到拉力F和物重G物的关系，否则很难找到拉力F和物重G物的数量关系。
4．定滑轮、动滑轮和滑轮组的作用
任何简单机械的作用无外乎就是两种，一种是省力，另一种是能给工作带来方便。对于杠杆来说，省力杠杆可以省力，费力杠杆可以通过省距离为工作带来方便。而对于滑轮来说，为工作带来方便除了省距离外，还可以改变拉力的方向。这些通过对实验结果进行分析很容易找到。使用定滑轮不省力，但是能改变力的方向，给工作带来方便。使用动滑轮可以省力，但不能改变力的方向，而且要费距离。使用滑轮组既能省力又可以改变力的方向，但要费距离。
5．对滑轮、滑轮组进行受力分析
滑轮、滑轮组绳子自由端的拉力和物重的关系，不仅要从实验结论得出，还要通过受力分析得出。采用对动滑轮进行受力分析的方法得出动滑轮、滑轮组省力的原因及拉绳的力和物重的关系，这样做一是容易突破数绳子段数这一难点，二是用平衡力的方法解决滑轮和滑轮组的力的关系问题，更有利于建立滑轮和滑轮组这样的特殊物体的物理模型，有利于联系实际，将具体的实际问题抽象出物理模型。另外可以从平衡力的条件出发，还可以强调为什么要匀速拉动弹簧测力计这一实验要点。
对滑轮、滑轮组进行受力分析，其关键是选择好研究对象。如图12所示以对动滑轮和重物为研究对象，重物和动滑轮受到的重力分别为G物和G轮，受到四段绳子向上的拉
力都是F，如果不考虑绳重和摩擦，在匀速提升重物时，向上的
拉力与重物和动滑轮受到的重力平衡，则有4F=G物+G轮。如果考
虑到绳重和摩擦的存在，则有4 F=G物+G轮+ G绳+f。不过，为使
问题简单化，在机械自重和摩擦远小于物重时，一般在滑轮组中
不考虑绳重和摩擦，则有nF=G物+G轮。
6．练习
（1）如图13所示,在水平地面上放置一个重1200牛的物体,
在用的滑轮组匀速拉动物体时.物体受到地面的阻力是物重的
0.3倍,人水平拉绳的力是____牛,(不计滑轮组自重和摩擦).
（2）图14是一种居民楼电梯结构的截面示意图。A为电梯，厢底有两个动滑轮B ．其功能相当于一个动滑轮，使用两个动滑轮的好处是能帮助电梯保持稳定。C 为配重，起平衡作用。在拉力F 作用下电梯厢能在电梯井中沿竖直通道上下运行。现有10 个人同时乘坐电梯（每个人的质量均按60kg计算），电梯厢以0.5m/s的速度匀速上升时，拉力F1为5000牛, ；电梯厢运行了12m 后，从电梯中下去了5个人，此后电梯厢以0.5m/s的速度匀速上升时，此时拉力F2为多少？（不计绳重及滑轮摩擦，g 取10N/kg）
（3）如图15所示，小型牵引车通过滑轮组匀速打捞起深井中的物体，已知物体重1．2×103N。测得物体在出水面前、后牵引车作用在绳子上的拉力分别为l00 N和450N。若不计摩擦、绳重及水的阻力，g取10N／kg，问：(1) 动滑轮重是多少? (2) 物体在出水面前受的浮力多大?
（4）如图16所示,正方体A对水平地面的压力为1620 N.在滑轮组的作用下,A沿水平地面以0.02米/秒的速度匀速前进.运动中正方体A受到的阻力为其自身重的0.2倍,加在绳末端的拉力F的拉力是144 N.(绳对物体A的拉力沿水平方向,绳对挂钩B的拉力沿竖直方向.不计滑轮的摩擦和绳重,g取10牛/千克)
求: (1) 动滑轮重是多少? (2)若只将重1452牛的物体挂于滑轮组挂钩B上,并将它匀速提升2米,加在绳末端的拉力是多少?
（5）建筑工人在高层工地作业时，使用一种安装有滑轮组的“吊蓝”，如图17所示。该人的体重为540牛，“吊蓝”与动滑轮共重240牛，不计绳重和摩擦，当此人拉绳使“吊蓝”以0.2米/秒的速度匀速上升的过程中，试求下列数值：
（1）施加在绳末端的拉力。（2）若此人对“吊蓝”内水平地板的压力是多少。
§5-4机械传动
1．关于机械传动的说明
机械传动是机械运动的传递。这里的机械运动指的是与转动有关的
运动，目的是改变转动的力、速度、方向及运动的方式。常见的机
械传动有带传动、齿轮传动、链传动和螺旋传动。
带传动是指主动轮和从动轮用皮带连接，适合于转动速度较高的
机械，主要目的是改变转动的速度和力。设主动轮半径为R1，转速为
n1，线速度为V1=2πR1 n1，动力为F1；从动轮半径为R2，转速为n2，
线速度为V1=2πR1 n1，阻力为F2。在皮带不打滑的情况下，V1=V2，所
以2πR1 n1=2πR2 n2，有R1 n1=R2 n2，传动比为i12= n1/n2=R2/R1；类似于
轮轴，根据杠杆平衡条件有F1R1=F2R2。若R1＜R2，则F1＞F2 ，n1＞n2，可以降低转速，同时也减小了从动轮上的力；若R1＞R2，则F1＜F2 ，n1＜n2，可以提高转速，同时也增加了从动轮上的力。使用时可以根据具体的需要来选择主动轮和从动轮半径的大小。带传动还可以改变转动的方向。如图。带传动的优点是：传动比较大，两轮间距大，结构简单，噪声小，有柔韧性。缺点是：传动的力不能很大，整个装置体积较大，皮带使用寿命有限，在皮带松时因打滑而达不到理论计算的传动比。
齿轮传动的传动比可以由带传动的传动比导出，设主动轮齿数为Z1，从动轮齿数为Z2，由于每个齿轮的弧长相等，因此，轮的齿数与轮的半径成正比，即R2/R1= Z2/Z1。传动比为i12= n1/n2=R2/R1= Z2/Z1，齿轮传动的传动比可以有数齿轮的齿数算出，而且其传动比很稳定。齿轮和齿轮的传动的形式最多应该最广泛。主要有正齿轮传动、蜗轮蜗杆传动、斜齿轮传动、齿轮齿条传动。正齿轮传动与带传动相似，可以通过齿轮组来获得较大的传动比。钟表，电动玩具，汽车的变速箱都是正齿轮传动。蜗轮蜗杆传动、斜齿轮传动主要改变的是转动方向。高射炮的调节就应用了蜗轮蜗杆传动、斜齿轮传动。齿轮齿条传动可以使转动变成平动，显微镜，望远镜调节是齿轮齿条传动，坦克履带也相当于一种齿轮齿条传动。齿轮传动的优点是：传动比准确可靠，平稳性好；传递的功率和速度范围较大；可实现较大的传动比；传动效率高，使用寿命长。缺点是：结构复杂，自重大，需要良好的润滑和很高的加工精度。
链传动是将正齿轮传动与带传动相结合的一种传动形式。它集中了带传动结构简单、两轮间距大和齿轮传动传动比准确可靠的优点，缺点是：转速低，易磨损，链条松时易脱落，安装和维护要求较高。自行车应用的就是链传动。
螺旋传动由螺杆和螺母组成，它的作用是将螺杆的旋转运动转变为螺母的直线运动。常见的应用有活扳手、台钳、活动书、架迫击炮等。螺旋传动的优点是：结构简单、工作连续、平稳、承载能力大，传动精度高。缺点是：螺纹之间会产生较大的相对滑动，因而磨损大，效率低。
2．教学建议
本节内容在人教版教材中没有，在新课标中也没有做要求，教材中之所以增加这部分内容，我认为是为了延展简单机械的内容，为更好地认识理解复杂机械打基础。建议：①在教学中多举学生见过的例子，尽可能的出示实物，重点是要渗透从生活走向物理，从物理走向社会的基本理念。并通过机械传动的应用渗透价值观教育。②布置学生课下对于自行车的链传动比进行探究。
四、课时安排建议
杠杆1课时；探究——杠杆平衡条件1课时；滑轮2课时；机械传动1课时。
总说明：本章教材分析中，讲了很多扩展和深挖的内容，是新课教学时无法达到最高要求，目的是使老师们明确本章内容可以扩展和深挖的内容很多，明确本章最终要达到的目标和努力方向。并不搞一步到位，要发挥教学三个不同层次各自的作用。第一个层次：新课，应达到基本要求。进行基本训练，不要用难题难为学生。第二个层次：单元复习、期中期末复习深化和提高。第三个层次：中考总复习，达到最高要求。
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