1、第 4 节 人 与 机 械 永春华侨中学 李昭明 【内容与地位】 本节为普通高中物理课程标准共同必修模块“物理 2”中第一个二级主 题“机械能和能源 ”中所涉及到的内容。内容标准中有关的条目是：“理解功和功 率，关心生活和生产中常见机械功率的大小及其意义。 ” 本节主要讲述功率与机械，以及机械的使用两个方面的内容。前面已经学 习了机械功和功率的基本概念以及机械功的原理，而我们引入这些物理概念的 目的就在于研究机械做功的问题。谈到机械做功就不得不谈到机械效率的问题， 所以这节课将更多地和生活相联系。 机械的使用就是为了代替人力做功，所以我们要认真了解和认识我们身边 的机械。 初学“机械效率 ”，
2、往往对这些概念陌生难懂，思维不通、前后矛盾，甚至 与学过的功率相混淆。通过分析阐述，帮助学生理解机械效率的物理含义，认 识机械效率的高低是反映机械性能优劣的重要指标之一。通过剖析额外功产生 的原因，从而了解提高机械效率的办法和途径，突破掌握这一概念的难点。 【教学目标】 知识和技能 1巩固机械功的原理； 2能熟练计算机械效率，并知道其代表的物理意义； 3理解功率和机械效率是从不同方面反映机械性能的两个物理量，它们之 间无必然的联系； 4了解现代机械的发展水平。 过程和方法 注意初中旧知识的扩展、迁移。通过举例和分析来解决重点，突破难点。 理解功率和机械效率的不同物理意义。 情感态度与价值观 1
3、通过对机械效率的学习，领悟到不论什么情况下提高机械效率都是十分 重要的，它不仅有很高的经济价值，还能提高人们的效率意识，而讲究效率正 是现代人必须具备的基本素质之一。 2树立崇高的理想，大胆地发明、创造，以不断改造人类自己的生存条件， 最终达到人与自然的和谐发展。 【教学重点】 1能熟练计算机械效率，并知道其代表的物理意义； 2理解功率和机械效率是从不同方面反映机械性能的两个物理量，它们之 间无必然的联系。 【教学难点】 1理解功率和机械效率是从不同方面反映机械性能的两个物理量，它们之 间无必然的联系； 2辨证认识智能化机械使用的利与弊。 【教学时数】 1 课时 【教学器材】 投影仪、投影片、
4、视频资料、自行车、小型机器人模型等简单机械。 【教学过程】 新课导入 教师：前面我们已经学习了功率的概念，请同学们回顾一下引入功率这一 概念的物理意义是什么？ （引发学生思考，让学生加深对功率的理解，为更好地了解机械效率与功率 的异同服务。） 预测学生的回答可能有： 1、功率是描述做功快慢的物理量； 2、功率大就意味着单位时间内做的功就越多； 3、 教师：机械是不是可以随意地增大自己的功率呢？ 预测学生的回答可能有： 1、不可以随意地增大自己的功率，任何机械都有一个最大的输出功率，即 额定功率 2、可以增大自己的功率，只要加大油门； 3、可以增大自己的功率，只要换个发动机就行了； 4、 （引发
5、学生联系实际地思考，培养学生的发散思维能力，又能更好地激发 学生的学习兴趣，教师再加以指导，指明加大油门只能是实际功率未达到额定 功率时可行，换功率更大的发动机在实际中不切实可行，除非另行安装发动机 备用，从而得出不可以随意地增大自己功率的结论） 新课推进 一、功率与机械效率 教师：功率的大小是衡量一个机械做功能力的重要物理量，功率越大说明 该机械单位时间内做的功就越多，那是不是功率越大的机械就越好呢？ 大家不妨思考这样一个我们熟悉的例子：是不是学习时间越长的同学，学 习成绩就越好呢？事实是不一定的，为什么呢？除了要有时间保证，还要有科 学的学习方法，有较高的学习效率才可以。由此联想到机械做功
6、是否也有一个 效率问题呢？ （提出悬念，引发思考，让学生在初中学习的机械效率基础上，通过阅读 教材 P16 内容，经过思考、整理、归纳得出结论，实现初、高中物理知识的衔 接和平稳过渡。） 1.机械效率的计算：= （板书）总有 用总有 用 PW 教师：如何理解“ 机械效率 ”呢？请举例说明有用功、额外功和总功。 预测学生结合初中所学可能列举的实例有： （1）利用滑轮组在竖直方向提高重物，克服重物的重力所做的功是有用功， 即 W 有用 =G 物 h；克服滑轮与其转轴之间的摩擦力做功、克服动滑轮及绳子重力 所做的功是额外功。 （2）利用滑轮组在水平方向匀速移动物体，克服物体所受阻力做的功是有 用功，
7、即 W 有用 =f 阻 s；克服滑轮与其转轴之间的摩擦力做功是额外功。 （3）利用滑轮组在斜面上移动重物，克服重物的重力所做的功是有用功， 即 W 有用 =G 物 h；克服滑轮与其转轴之间的摩擦力做功、克服动滑轮及绳子重力 所做的功是额外功。 （4） 说明：对学生所举的各种实例可能有问题或不完整，教师应鼓励学生在交 流中补充完善自己的认识。 教师：上述实例中，我们把重物提高到一定高度，或在水平、斜面上使重 物移动一定的距离，就是我们使用简单机械的目的，对使用机械是有利用价值 的，所做的功是有用功；而滑轮组克服滑轮与其转轴之间的摩擦力做功、提升 重物过程中克服动滑轮及绳子重力所做的功等是额外功；
8、作用在机械上的动力 对机械做的功就是总功，即 W 总 =F 动 s，或 W 总 =W 有用 +W 额外 。 教师：机械效率是不是总小于 1？ 学生经分析不难得出正确的答案：是的，因为 W 有用 总是要小于 W 总 。 教师：引入机械效率的物理意义是什么？它和功率又有什么区别呢？ （提出问题，引发思考和比较，让学生通过阅读教材 P16P 17 内容，经过 思考、归纳、自主得出结论，体现新课程中提倡的自主性学习。） 2.功率和机械效率的区别：功率是表示做功的快慢；机械效率是表示机械 对总能量的利用率。它们之间没有什么必然的联系。 （板书） 教师：机械效率是表示机械做功或利用机械实现能量转化的有效程
9、度的物 理量，机械效率越高，有用功所占的比例就越多，额外功所占的比例就越少， 同学们能否找到提高机械效率的例子呢？ （让学生列举例子，并归类总结） 预测学生可能列举的实例有： （1）在建筑工地上把一车水泥运到楼顶，采用吊车比工人用手搬运省时、 省力，提高工作效率。 （2）用水泵抽水比人工提水灌溉农田省时、省力，提高工作效率。 （3）乘自动扶梯或电梯上楼比直接走上楼更省时、更轻松。 （4） 二、机械的使用 1、机械使用的意义 教师：我们生活中无处不在使用着机械，可以说人类已经很难离开机械了， 那么人类使用机械的目的是什么呢？ 预测学生的回答可能有： （1）可以代替人力做功 （2）可以完成超越人力
10、的工作 （3）可以使人们的工作变得更轻松更有效率 （4） 说明：让学生通过思考自己身边所熟悉的问题，认识机械的使用和人们的 生活息息相关，从而认识到提高机械效率具有十分重要的意义，增强效率意识。 2学生进行交流活动 教师：同学们能联系实际说说使用机械的好处吗？ 将学生分为若干小组，每组各找一个熟悉的机械为研究对象，并进行交流 总结所研究的机械使用的妙处，最后每组选一个代表总结小组研究的成果。 （激励积极思考，寻找熟悉的机械使用例子，体验合作交流学习方法的益 处，拓宽各自的知识面，感受得出研究成果的喜悦，达到内化知识，提升能力， 培养学生应用物理知识解决实际问题能力，促进学生各方面的发展，提高学
11、生 学习的兴趣。） 3知识拓展 接着教师播放视频介绍现代机械的发展，播放结束后进行总结：毫无疑问， 智能化机械的使用给人类带来了很多的便利，但如果不能合理地利用这些成就， 也同样会给人类带来危害。 你能想象吗？在医院的手术台前，机器人在为病人做开颅手术；在远离地 球的月球表面，机器人在代替人类采集月球标本；在未来的战场上，可能有一 种体积宛如昆虫的武器，竟能使一座城市的电力全部瘫痪这些并非是科学 幻想，而是正在或将要成为现实。机器人是人类创造的一种机器，也是人类创 造的一个伟大奇迹，机器人的出现满足了人类的一种幻想。这就是说，在某些 方面，机器人具有超人的能力。那么，目前世界上机器人技术发展到
12、了一个什 么样的水平，又在哪些领域得到应用？在机器人时代向我们走来的同时，让我 们走进机器人，了解一下机器人的世界吧！ 被称为人类生活和生产“ 最忠实的伴侣 ”的机器人，近几年来取得飞速发展， 引起世人的关注。 经过近几十年的发展，机器人已初步形成了一个近百万人的“王国” ，机器 人发展迅速、种类繁多，国际上依据其技术特点和规模大小的不同，对它们进 行了分类。1990 年在工业机器人国际标准大会上把机器人分为四类： （1）顺序型。很多固定作业的装配机械手都属于此类。 （2）沿轨道作业型。这类机器人能执行受控过程。 （3）远距离作业型。这类机器人可接受遥控，对操作者的行为反应可通过 编程实现，应
13、用于核工业、真空、宇宙、海洋开发等应用领域。 （4）适应型或者智能型。它们具有感知、适应或学习功能。具体可分为工 业机器人、农业机器人、特种工作机器人、医疗机器人、体育机器人、讲解机 器人、服务机器人、战场机器人、“小人国” 机器人等等，其中 “特种机器人”又 可分为太空机器人、核工业机器人、深海机器人以及救灾机器人等。 在这个机器人王国中，目前主要成员是工业机器人，它占总数的 70以上， 全球正在工作的工业机器人共有 74 万，我国有 3000 台左右。这只新兴工业大 军的形成，必将为人类的工农业生产作出突出贡献。 工业机器人已经广泛地应用于各种自动化的生产线上，它是机器人家族中 最重要的成
14、员。最初主要是为了解决工业生产中的自动化问题，由机械手臂、 控制装置、机座、能源装置和驱动装置等几部分构成。工业机器人大部分在汽 车制造、电子、机械等行业从事焊接、油漆、装配、包装、零件加工、搬运等 专业性工作。 机器人是人类创造的一种特殊机器，在生产和生活等方面，特别是在危险 和极限环境作业中，有着广泛的应用前景。机器人正发展成为一个庞大的家族， 代替人们从事各种各样的工作。 1核事故机器人 （板书） 在法国希农 A2 号核反应堆的一个特别场地，聚集着各种负责核干预任务 的机器人，一旦发生放射性物质泄漏的严重事故，人们就可以借助它们对事故 进行处理。这些机器人可以进行认知、提取和测量。 2仿
15、生机器人 （板书） “仿生机器人 ”是指模仿生物、从事生物特点工作的机器人。目前在西方国 家，机械宠物十分流行，另外，仿麻雀机器人可以担任环境监测的任务，具有 广阔的开发前景。21 世纪人类将进入老龄化社会，发展“仿人机器人” 将弥补年 轻劳动力的严重不足，解决老龄化社会的家庭服务和医疗等社会问题，并能开 辟新的产业，创造新的就业机会。 美国研制出一种机器金枪鱼，它身长 6m，躯体由铝链环组成，游动时它的 时速只有 9.7km，但可以横渡大西洋漫长的海域。它主要用来测量海水的温度、 密度和流速，并把这些数据通过卫星传送到世界各地。 3昆虫机器人 （板书） 美国麻省理工学院研制出一种有趣的昆虫机
16、器人，它的特点在于能够由感 应的信息直接导致类似人类条件反射活动的反应。 最先进的步行智能机器人“埃尔玛” ，是一种形似蝗虫的智能多脑机器人， 每条腿上都有自己独立的人造神经系统，它的智力水平与昆虫大致相当，它是 目前世界上步行智能机器人中最先进的。 4飞行机器人 （板书） 又名无人驾驶飞行器，这种机器人真正令世人刮目相看是在 20 世纪 80 年 代中期，它用来巡查森林、防治火灾。 5. 太空机器人 （板书） 在人类建造大型的宇宙空间站的工作中，机器人是不可缺少的。它们由航 天飞机送往与太空站相同的轨道上，宇航员可以在太空站工作台上操纵这些太 空机器人。科学家把机器人送往太空，让它们清扫太空
17、垃圾，建造太空站以及 修理人造卫星。 日本研制的修理人造卫星的高性能太空机器人，它适于在失重的条件下工 作。 美国研制的新型星球探索机器人“亥伯龙” 号，这种机器人最特别的功能， 就是可以在发生故障和陷入困境的时候，智能化地自动追踪太阳从而继续获得 能量。听起来很像是中国古代的“夸父追日” 的故事。 6. 机器人医生 （板书） 麻醉，建立先进的闭式体外循环，在胸部打两个小孔，机械手伸了进来， “握”住了进入人体内的小摄像头。切口，开始做手术。这种名叫“利萨”的机械 手为近 30 位病人做过手术，“利萨” 在手术中负责 “抓” 着摄像头，“ 听”着大夫发 出的“上、下、左、右移动” 的指令，用电
18、脑进行声控，使他通过电脑显示 屏，看清楚手术的视野，以便操作。 7. 替身机器人 （板书） 极限作业中替身机器人可上太空可下深海。它可以代替人类从事许多人所 不能及的工作，它除了能去人不能去的海底和太空外，如果在耳朵和眼睛上加 上特殊的感测器，它还能看见人所不能看见的东西，听到人所无法听到的声音。 8. 微型机器人 （板书） 机器人技术正在向微型化和超微型化方向发展，无数微型机器人将在广阔 的领域中工作。微型机器人又称为“明天的机器人 ”，它同智能机器人一起成为 科学家们追求的目标。 发展微型和超微型机器人的知道思想非常简单：某些工作若用一台结构庞 大、价格昂贵的大型机器人去做，不如用成千上万
19、个非常低廉、细小而极简单 的机器人去完成。机器人机器人技术正在向微型化和超微型化方向发展，无数 微型机器人将在广阔的领域中工作。超微型机器人是一种极度缩小了的机器人， 它只有人的头发丝那样粗细，可以在人体血管中穿行，消除癌变或修复损伤的 组织。 美国国家安全实验室制造出了有史以来世界上最小的机器人，这部机器人 质量不到 1 盎司，体积为四分之一立方英寸。它还拥有一个智慧的“大脑” 8K ROM 处理器，以及灵活的“腿”皮带传动装置。据悉袖珍机器人可以代 替人去完成许多危险的工作。 9. 纳米机器人 （板书） 纳米机器人是纳米生物学中最具有诱惑力的内容，第一代纳米机器人是生 物系统和机械系统的有
20、机结合体，这种纳米机器人可注入人体血管内，进行健 康检查和疾病治疗。还可以用来进行人体器官的修复工作、做整容手术、从基 因中除去有害的 DNA，或把正常的 DNA 安装在基因中，使机体正常运行。第 二代纳米机器人是直接把原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装 置，第三代纳米机器人将包含有纳米计算机，是一种可以进行人机对话的装置。 这种纳米机器人一旦问世将彻底改变人类的劳动和生活方式。 10. 消防机器人（板书） 消防机器人的发展受到各国重视，它可以在城市失火的时候排除险情，小 型的消防机器人移动方便，利于迅速靠近起火点，喷水压制火情。 总之，智能机器人已经发展到了非常惊人的地步，相信，
21、不久的将来会有更 多的机器人活动在我们的平常生活中。 三、小结 （多媒体展示） 1.功率和机械效率是从两个不同方面反映机械性能的两个物理量，它们之 间没有必然的联系，前者表示做功的快慢，后者表示机械对总能量的利用率。 2.机械的使用给人类带来了很多的便利，但如果不能合理地利用，也同样 会给人类带来危害。总之，我们要不断积极地去探索自然规律，并应用这些规 律大胆地发明和创造，不断改善人类自己的生存，并最终达到和自然和谐发展。 【案例评析】 本节课教学设计注重更多地和生活实际相联系，让学生通过学习明确机械 的使用就是为了代替人力做功，鼓励学生认真了解和认识身边的机械，而且在 教学过程中介绍了各种各
22、样的机器人，调动了学生自主学习的积极性和主动性， 激发了学生学习的积极性，教学设计注意体现物理学的价值，提高学生理论联 系实际、解决实际问题能力，在教与学过程中促进学生科学的价值观和世界观 形成。 本设计从学生熟悉的实例出发引导学生进一步的思考，发现问题，然后通 过实例分析揭示问题的本质；学生在学习的过程中充满问题意识和创新意识， 有效培养了学生的观察能力和探究问题的能力。针对学生初学“机械效率” 时， 往往对概念陌生难懂，思维不通、前后矛盾，甚至与“功率” 相混淆，教师利用 身边常见的现象，通过分析阐述，帮助学生理解机械效率的物理含义，认识机 械效率的高低是反映机械性能优劣的重要指标之一，通
23、过剖析额外功产生的原 因，从而了解提高机械效率的办法，有效突破掌握这一概念的难点。同时突出 体现生活中的物理，让学生体验到物理现象就在身边，物理知识不仅有趣，而 且还是很有价值的。 板 书 设 计 一、功率与机械效率 1.机械效率的计算：= 总有 用总有 用 PW 2.功率和机械效率的区别：功率是表示做功的快慢；机械效率是表示机械 对总能量的利用率。它们之间没有什么必然的联系。 二、机械的使用 极大地丰富和改善了我们的生活，但要注意机械的合理使用，最终达到与 大自然的和谐共处。 【相关链接】 1机器人简介 机器人技术作为 20 世纪人类最伟大的发明之一，自 60 年代初问世以来， 经历 40
24、余年的发展已取得长足的进步，走向成熟的工业机器人，各种用途的特 种机器人的实用化，昭示着机器人技术灿烂的明天。 科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种 机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力 和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器” 。机器人技术综合了多学科 的发展成果，代表了高技术的发展前沿，它在人类生活应用领域的不断扩大正 引起国际上重新认识机器人技术的作用和影响。 随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深，机器人技术开始源源不断 地向人类活动的各个领域渗透。结合这些领域的应用特点，人们发展了各式各 样的具有感知、决策、行动和
25、交互能力的特种机器人和各种智能机器，如移动 机器人、微机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、空中空间机器人、 娱乐机器人等。对不同任务和特殊环境的适应性，也是机器人与一般自动化装 备的重要区别。这些机器人从外观上已远远脱离了最初仿人型机器人和工业机 器人所具有的形状，更加符合各种不同应用领域的特殊要求，其功能和智能程 度也大大增强，从而为机器人技术开辟出更加广阔的发展空间。 2机器人的发展 机器人的历史并不算长，1959 年美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一 台工业机器人，机器人的历史才真正开始。英格伯格在大学攻读伺服理论，这 是一种研究运动机构如何才能更好地跟踪控制信号的理论。德沃尔
26、曾于 1946 年 发明了一种系统，可以“ 重演 ”所记录的机器的运动。 1954 年，德沃尔又获得可 编程机械手臂专利，这种机械手臂按程序进行工作，可以根据不同的工作需要 编制不同的程序，因此具有通用性和灵活性，英格伯格和德沃尔都在研究机器 人，认为汽车工业最适合于用机器人干活，因为是用重型机器进行工作，生产 过程较为固定。1959 年，英格伯格和德沃尔联手制造出第一台工业机器人。它 成为世界上第一台真正的实用工业机器人。此后英格伯格和德沃尔成立了“尤尼 梅逊”公司，兴办了世界上第一家机器人制造工厂。第一批工业机器人被称为 “尤尼梅特”，意思是“万能自动”。他们因此被称为机器人之父。 196
27、2 年美国机 械与铸造公司也制造出工业机器人，称为“沃尔萨特兰” ，意思是“万能搬动”。 “尤尼梅特”和“ 沃尔萨特兰”就成为世界上最早的、至今仍在使用的工业机器人。 近百年来发展起来的机器人，大致经历了三个成长阶段，也即三个时代。 第一代为简单个体机器人，第二代为群体劳动机器人，第三代为类似人类的智 能机器人，它未来的发展方向是有知觉、有思维、能与人对话。第一代机器人 属于示教再现型，第二代则具备了感觉能力，第三代机器人是智能机器人，它 不仅有感觉能力，而且还具有独立判断和行动的能力，并具有记忆、推理和决 策的能力，因而能够完成更加复杂的动作。中央电脑控制手臂和行走装置，使 机器人的手完成作
28、业，脚完成移动，机器人能够用自然语言与人对话。智能机 器人在发生故障时，通过自我诊断装置能自我诊断出故障部位，并能自我修复。 今天，智能机器人的应用范围大大地扩展了，除工农业生产外，机器人应用到 各行各业，机器人已具备了人类的特点。机器人向着智能化、拟人化方向发展 的道路，是没有止境的。 机器人是虽然外表可能不像人，也不以人类的方式操作，但是可以代替人 力自动工作的机器。后来美国著名科普作家艾萨克阿西莫夫为机器人提出了三 条原则，即“机器人三定律”：第一定律机器人不得伤害人，或任人受到伤 害而无所作为；第二定律机器人应服从人的一切命令，但命令与第一定律 相抵触时例外；第三定律机器人必须保护自身的安全，但不得与第一、第 二定律相抵触。这些“ 定律 ”构成了支配机器人行为的道德标准，机器人必须按 人的指令行事，为人类生产和生活服务。
