1.4《人與機械》(魯科)

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1、第4節(jié) 人與機械 【內(nèi)容與地位】 本節(jié)為《普通高中物理課程標準》共同必修模塊“物理2”中第一個二級主題“機械能和能源”中所涉及到的內(nèi)容。內(nèi)容標準中有關的條目是：“理解功和功率，關心生活和生產(chǎn)中常見機械功率的大小及其意義?！? 本節(jié)主要講述功率與機械，以及機械的使用兩個方面的內(nèi)容。前面已經(jīng)學習了機械功和功率的基本概念以及機械功的原理，而我們引入這些物理概念的目的就在于研究機械做功的問題。談到機械做功就不得不談到機械效率的問題，所以這節(jié)課將更多地和生活相聯(lián)系。 機械的使用就是為了代替人力做功，所以我們要認真了解和認識我們身邊的機械。 初學“機械效率”，往往對這些概念陌生難懂，思維不

2、通、前后矛盾，甚至與學過的功率相混淆。通過分析闡述，幫助學生理解機械效率的物理含義，認識機械效率的高低是反映機械性能優(yōu)劣的重要指標之一。通過剖析額外功產(chǎn)生的原因，從而了解提高機械效率的辦法和途徑，突破掌握這一概念的難點。 【教學目標】 知識和技能 1．鞏固機械功的原理； 2．能熟練計算機械效率，并知道其代表的物理意義； 3．理解功率和機械效率是從不同方面反映機械性能的兩個物理量，它們之間無必然的聯(lián)系； 4．了解現(xiàn)代機械的發(fā)展水平。 過程和方法 注意初中舊知識的擴展、遷移。通過舉例和分析來解決重點，突破難點。理解功率和機械效率的不同物理意義。 情感態(tài)度與價值觀 1．通過對機械

3、效率的學習，領悟到不論什么情況下提高機械效率都是十分重要的，它不僅有很高的經(jīng)濟價值，還能提高人們的效率意識，而講究效率正是現(xiàn)代人必須具備的基本素質(zhì)之一。 2．樹立崇高的理想，大膽地發(fā)明、創(chuàng)造，以不斷改造人類自己的生存條件，最終達到人與自然的和諧發(fā)展。 【教學重點】 1．能熟練計算機械效率，并知道其代表的物理意義； 2．理解功率和機械效率是從不同方面反映機械性能的兩個物理量，它們之間無必然的聯(lián)系。 【教學難點】 1．理解功率和機械效率是從不同方面反映機械性能的兩個物理量，它們之間無必然的聯(lián)系； 2．辨證認識智能化機械使用的利與弊。 【教學時數(shù)】 1課時 【教學器材】 投影儀

4、、投影片、視頻資料、自行車、小型機器人模型等簡單機械。 【教學過程】 新課導入 教師：前面我們已經(jīng)學習了功率的概念，請同學們回顧一下引入功率這一概念的物理意義是什么？ （引發(fā)學生思考，讓學生加深對功率的理解，為更好地了解機械效率與功率的異同服務。） 預測學生的回答可能有： 1、功率是描述做功快慢的物理量； 2、功率大就意味著單位時間內(nèi)做的功就越多； 3、…… 教師：機械是不是可以隨意地增大自己的功率呢？ 預測學生的回答可能有： 1、不可以隨意地增大自己的功率，任何機械都有一個最大的輸出功率，即額定功率 2、可以增大自己的功率，只要加大油門； 3、可以增大自己

5、的功率，只要換個發(fā)動機就行了； 4、…… （引發(fā)學生聯(lián)系實際地思考，培養(yǎng)學生的發(fā)散思維能力，又能更好地激發(fā)學生的學習興趣，教師再加以指導，指明加大油門只能是實際功率未達到額定功率時可行，換功率更大的發(fā)動機在實際中不切實可行，除非另行安裝發(fā)動機備用，從而得出不可以隨意地增大自己功率的結論） 新課推進 一、功率與機械效率 教師：功率的大小是衡量一個機械做功能力的重要物理量，功率越大說明該機械單位時間內(nèi)做的功就越多，那是不是功率越大的機械就越好呢？ 大家不妨思考這樣一個我們熟悉的例子：是不是學習時間越長的同學，學習成績就越好呢？事實是不一定的，為什么呢？除了要有時間保證，還要有科學的學習

6、方法，有較高的學習效率才可以。由此聯(lián)想到機械做功是否也有一個效率問題呢？ （提出懸念，引發(fā)思考，讓學生在初中學習的機械效率基礎上，通過閱讀教材P16內(nèi)容，經(jīng)過思考、整理、歸納得出結論，實現(xiàn)初、高中物理知識的銜接和平穩(wěn)過渡。） 1.機械效率的計算：η=（板書） 教師：如何理解“機械效率”呢？請舉例說明有用功、額外功和總功。 預測學生結合初中所學可能列舉的實例有： （1）利用滑輪組在豎直方向提高重物，克服重物的重力所做的功是有用功，即W有用=G物h；克服滑輪與其轉軸之間的摩擦力做功、克服動滑輪及繩子重力所做的功是額外功。 （2）利用滑輪組在水平方向勻速移動物體，克服物體所受阻力做的功是

7、有用功，即W有用=f阻s；克服滑輪與其轉軸之間的摩擦力做功是額外功。 （3）利用滑輪組在斜面上移動重物，克服重物的重力所做的功是有用功，即W有用=G物h；克服滑輪與其轉軸之間的摩擦力做功、克服動滑輪及繩子重力所做的功是額外功。 （4）…… 說明：對學生所舉的各種實例可能有問題或不完整，教師應鼓勵學生在交流中補充完善自己的認識。 教師：上述實例中，我們把重物提高到一定高度，或在水平、斜面上使重物移動一定的距離，就是我們使用簡單機械的目的，對使用機械是有利用價值的，所做的功是有用功；而滑輪組克服滑輪與其轉軸之間的摩擦力做功、提升重物過程中克服動滑輪及繩子重力所做的功等是額外功；作用在機械上

8、的動力對機械做的功就是總功，即W總=F動s，或W總=W有用+W額外。 教師：機械效率是不是總小于1？ 學生經(jīng)分析不難得出正確的答案：是的，因為W有用總是要小于W總。 教師：引入機械效率的物理意義是什么？它和功率又有什么區(qū)別呢？ （提出問題，引發(fā)思考和比較，讓學生通過閱讀教材P16～P17內(nèi)容，經(jīng)過思考、歸納、自主得出結論，體現(xiàn)新課程中提倡的自主性學習。） 2.功率和機械效率的區(qū)別：功率是表示做功的快慢；機械效率是表示機械對總能量的利用率。它們之間沒有什么必然的聯(lián)系。（板書） 教師：機械效率是表示機械做功或利用機械實現(xiàn)能量轉化的有效程度的物理量，機械效率越高，有用功所占的比例就越多，

9、額外功所占的比例就越少，同學們能否找到提高機械效率的例子呢？ （讓學生列舉例子，并歸類總結） 預測學生可能列舉的實例有： （1）在建筑工地上把一車水泥運到樓頂，采用吊車比工人用手搬運省時、省力，提高工作效率。 （2）用水泵抽水比人工提水灌溉農(nóng)田省時、省力，提高工作效率。 （3）乘自動扶梯或電梯上樓比直接走上樓更省時、更輕松。 （4）…… 二、機械的使用 1、機械使用的意義 教師：我們生活中無處不在使用著機械，可以說人類已經(jīng)很難離開機械了，那么人類使用機械的目的是什么呢？ 預測學生的回答可能有： （1）可以代替人力做功 （2）可以完成超越人力的工作 （3）可以使人們的工

10、作變得更輕松更有效率 （4）…… 說明：讓學生通過思考自己身邊所熟悉的問題，認識機械的使用和人們的生活息息相關，從而認識到提高機械效率具有十分重要的意義，增強效率意識。 2．學生進行交流活動 教師：同學們能聯(lián)系實際說說使用機械的好處嗎？ 將學生分為若干小組，每組各找一個熟悉的機械為研究對象，并進行交流總結所研究的機械使用的妙處，最后每組選一個代表總結小組研究的成果。 （激勵積極思考，尋找熟悉的機械使用例子，體驗合作交流學習方法的益處，拓寬各自的知識面，感受得出研究成果的喜悅，達到內(nèi)化知識，提升能力，培養(yǎng)學生應用物理知識解決實際問題能力，促進學生各方面的發(fā)展，提高學生學習的興趣。）

11、 3．知識拓展 接著教師播放視頻介紹現(xiàn)代機械的發(fā)展，播放結束后進行總結：毫無疑問，智能化機械的使用給人類帶來了很多的便利，但如果不能合理地利用這些成就，也同樣會給人類帶來危害。 你能想象嗎？在醫(yī)院的手術臺前，機器人在為病人做開顱手術；在遠離地球的月球表面，機器人在代替人類采集月球標本；在未來的戰(zhàn)場上，可能有一種體積宛如昆蟲的武器，竟能使一座城市的電力全部癱瘓……這些并非是科學幻想，而是正在或?qū)⒁蔀楝F(xiàn)實。機器人是人類創(chuàng)造的一種機器，也是人類創(chuàng)造的一個偉大奇跡，機器人的出現(xiàn)滿足了人類的一種幻想。這就是說，在某些方面，機器人具有超人的能力。那么，目前世界上機器人技術發(fā)展到了一個什么樣的水平，又

12、在哪些領域得到應用？在機器人時代向我們走來的同時，讓我們走進機器人，了解一下機器人的世界吧！ 被稱為人類生活和生產(chǎn)“最忠實的伴侶”的機器人，近幾年來取得飛速發(fā)展，引起世人的關注。 經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，機器人已初步形成了一個近百萬人的“王國”，機器人發(fā)展迅速、種類繁多，國際上依據(jù)其技術特點和規(guī)模大小的不同，對它們進行了分類。1990年在工業(yè)機器人國際標準大會上把機器人分為四類： （1）順序型。很多固定作業(yè)的裝配機械手都屬于此類。 （2）沿軌道作業(yè)型。這類機器人能執(zhí)行受控過程。 （3）遠距離作業(yè)型。這類機器人可接受遙控，對操作者的行為反應可通過編程實現(xiàn)，應用于核工業(yè)、真空、宇宙、海洋開發(fā)

13、等應用領域。 （4）適應型或者智能型。它們具有感知、適應或?qū)W習功能。具體可分為工業(yè)機器人、農(nóng)業(yè)機器人、特種工作機器人、醫(yī)療機器人、體育機器人、講解機器人、服務機器人、戰(zhàn)場機器人、“小人國”機器人等等，其中“特種機器人”又可分為太空機器人、核工業(yè)機器人、深海機器人以及救災機器人等。 在這個機器人王國中，目前主要成員是工業(yè)機器人，它占總數(shù)的70﹪以上，全球正在工作的工業(yè)機器人共有74萬，我國有3000臺左右。這只新興工業(yè)大軍的形成，必將為人類的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作出突出貢獻。 工業(yè)機器人已經(jīng)廣泛地應用于各種自動化的生產(chǎn)線上，它是機器人家族中最重要的成員。最初主要是為了解決工業(yè)生產(chǎn)中的自動化問題，由機

14、械手臂、控制裝置、機座、能源裝置和驅(qū)動裝置等幾部分構成。工業(yè)機器人大部分在汽車制造、電子、機械等行業(yè)從事焊接、油漆、裝配、包裝、零件加工、搬運等專業(yè)性工作。 機器人是人類創(chuàng)造的一種特殊機器，在生產(chǎn)和生活等方面，特別是在危險和極限環(huán)境作業(yè)中，有著廣泛的應用前景。機器人正發(fā)展成為一個龐大的家族，代替人們從事各種各樣的工作。 1．核事故機器人 （板書） 在法國希農(nóng)A2號核反應堆的一個特別場地，聚集著各種負責核干預任務的機器人，一旦發(fā)生放射性物質(zhì)泄漏的嚴重事故，人們就可以借助它們對事故進行處理。這些機器人可以進行認知、提取和測量。 2．仿生機器人 （板書） “仿生機器人”是指模仿生物、從事生

15、物特點工作的機器人。目前在西方國家，機械寵物十分流行，另外，仿麻雀機器人可以擔任環(huán)境監(jiān)測的任務，具有廣闊的開發(fā)前景。21世紀人類將進入老齡化社會，發(fā)展“仿人機器人”將彌補年輕勞動力的嚴重不足，解決老齡化社會的家庭服務和醫(yī)療等社會問題，并能開辟新的產(chǎn)業(yè)，創(chuàng)造新的就業(yè)機會。 美國研制出一種機器金槍魚，它身長6m，軀體由鋁鏈環(huán)組成，游動時它的時速只有9.7km，但可以橫渡大西洋漫長的海域。它主要用來測量海水的溫度、密度和流速，并把這些數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星傳送到世界各地。 3．昆蟲機器人 （板書） 美國麻省理工學院研制出一種有趣的昆蟲機器人，它的特點在于能夠由感應的信息直接導致類似人類條件反射活動的反應

16、。 最先進的步行智能機器人“埃爾瑪”，是一種形似蝗蟲的智能多腦機器人，每條腿上都有自己獨立的人造神經(jīng)系統(tǒng)，它的智力水平與昆蟲大致相當，它是目前世界上步行智能機器人中最先進的。 4．飛行機器人 （板書） 又名無人駕駛飛行器，這種機器人真正令世人刮目相看是在20世紀80年代中期，它用來巡查森林、防治火災。 5. 太空機器人 （板書） 在人類建造大型的宇宙空間站的工作中，機器人是不可缺少的。它們由航天飛機送往與太空站相同的軌道上，宇航員可以在太空站工作臺上操縱這些太空機器人?？茖W家把機器人送往太空，讓它們清掃太空垃圾，建造太空站以及修理人造衛(wèi)星。 日本研制的修理人造衛(wèi)星的高性能太

17、空機器人，它適于在失重的條件下工作。 美國研制的新型星球探索機器人“亥伯龍”號，這種機器人最特別的功能，就是可以在發(fā)生故障和陷入困境的時候，智能化地自動追蹤太陽從而繼續(xù)獲得能量。聽起來很像是中國古代的“夸父追日”的故事。 6. 機器人醫(yī)生 （板書） 麻醉，建立先進的閉式體外循環(huán)，在胸部打兩個小孔，機械手伸了進來，“握”住了進入人體內(nèi)的小攝像頭。切口，開始做手術。這種名叫“利薩”的機械手為近30位病人做過手術，“利薩”在手術中負責“抓”著攝像頭，“聽”著大夫發(fā)出的“上、下、左、右移動……”的指令，用電腦進行聲控，使他通過電腦顯示屏，看清楚手術的視野，以便操作。 7. 替身機器人 （板書）

18、 極限作業(yè)中替身機器人可上太空可下深海。它可以代替人類從事許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測器，它還能看見人所不能看見的東西，聽到人所無法聽到的聲音。 8. 微型機器人 （板書） 機器人技術正在向微型化和超微型化方向發(fā)展，無數(shù)微型機器人將在廣闊的領域中工作。微型機器人又稱為“明天的機器人”，它同智能機器人一起成為科學家們追求的目標。 發(fā)展微型和超微型機器人的知道思想非常簡單：某些工作若用一臺結構龐大、價格昂貴的大型機器人去做，不如用成千上萬個非常低廉、細小而極簡單的機器人去完成。機器人機器人技術正在向微型化和超微型化方向發(fā)展，無數(shù)微

19、型機器人將在廣闊的領域中工作。超微型機器人是一種極度縮小了的機器人，它只有人的頭發(fā)絲那樣粗細，可以在人體血管中穿行，消除癌變或修復損傷的組織。 美國國家安全實驗室制造出了有史以來世界上最小的機器人，這部機器人質(zhì)量不到1盎司，體積為四分之一立方英寸。它還擁有一個智慧的“大腦”——8K ROM處理器，以及靈活的“腿”——皮帶傳動裝置。據(jù)悉袖珍機器人可以代替人去完成許多危險的工作。 9. 納米機器人 （板書） 納米機器人是納米生物學中最具有誘惑力的內(nèi)容，第一代納米機器人是生物系統(tǒng)和機械系統(tǒng)的有機結合體，這種納米機器人可注入人體血管內(nèi)，進行健康檢查和疾病治療。還可以用來進行人體器官的修復工作、做

20、整容手術、從基因中除去有害的DNA，或把正常的DNA安裝在基因中，使機體正常運行。第二代納米機器人是直接把原子或分子裝配成具有特定功能的納米尺度的分子裝置，第三代納米機器人將包含有納米計算機，是一種可以進行人機對話的裝置。這種納米機器人一旦問世將徹底改變?nèi)祟惖膭趧雍蜕罘绞健? 10. 消防機器人（板書） ?消防機器人的發(fā)展受到各國重視，它可以在城市失火的時候排除險情，小型的消防機器人移動方便，利于迅速靠近起火點，噴水壓制火情。 總之，智能機器人已經(jīng)發(fā)展到了非常驚人的地步，相信，不久的將來會有更多的機器人活動在我們的平常生活中。 三、小結 （多媒體展示） 1.功率和機械效率是從兩個不

21、同方面反映機械性能的兩個物理量，它們之間沒有必然的聯(lián)系，前者表示做功的快慢，后者表示機械對總能量的利用率。 2.機械的使用給人類帶來了很多的便利，但如果不能合理地利用，也同樣會給人類帶來危害?？傊覀円粩喾e極地去探索自然規(guī)律，并應用這些規(guī)律大膽地發(fā)明和創(chuàng)造，不斷改善人類自己的生存，并最終達到和自然和諧發(fā)展。 【案例評析】 本節(jié)課教學設計注重更多地和生活實際相聯(lián)系，讓學生通過學習明確機械的使用就是為了代替人力做功，鼓勵學生認真了解和認識身邊的機械，而且在教學過程中介紹了各種各樣的機器人，調(diào)動了學生自主學習的積極性和主動性，激發(fā)了學生學習的積極性，教學設計注意體現(xiàn)物理學的價值，提高學生理

22、論聯(lián)系實際、解決實際問題能力，在教與學過程中促進學生科學的價值觀和世界觀形成。 本設計從學生熟悉的實例出發(fā)引導學生進一步的思考，發(fā)現(xiàn)問題，然后通過實例分析揭示問題的本質(zhì)；學生在學習的過程中充滿問題意識和創(chuàng)新意識，有效培養(yǎng)了學生的觀察能力和探究問題的能力。針對學生初學“機械效率”時，往往對概念陌生難懂，思維不通、前后矛盾，甚至與“功率”相混淆，教師利用身邊常見的現(xiàn)象，通過分析闡述，幫助學生理解機械效率的物理含義，認識機械效率的高低是反映機械性能優(yōu)劣的重要指標之一，通過剖析額外功產(chǎn)生的原因，從而了解提高機械效率的辦法，有效突破掌握這一概念的難點。同時突出體現(xiàn)生活中的物理，讓學生體驗到物理現(xiàn)象就在

23、身邊，物理知識不僅有趣，而且還是很有價值的。 板書設計 一、功率與機械效率 1.機械效率的計算：η= 2.功率和機械效率的區(qū)別：功率是表示做功的快慢；機械效率是表示機械對總能量的利用率。它們之間沒有什么必然的聯(lián)系。 二、機械的使用 極大地豐富和改善了我們的生活，但要注意機械的合理使用，最終達到與大自然的和諧共處。 【相關鏈接】 1．機器人簡介 ?機器人技術作為20世紀人類最偉大的發(fā)明之一，自60年代初問世以來，經(jīng)歷40余年的發(fā)展已取得長足的進步，走向成熟的工業(yè)機器人，各種用途的特種機器人的實用化，昭示著機器人技術燦爛的明天。 科學家對機器人的定義是：“機器人是一

24、種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器”。機器人技術綜合了多學科的發(fā)展成果，代表了高技術的發(fā)展前沿，它在人類生活應用領域的不斷擴大正引起國際上重新認識機器人技術的作用和影響。 隨著人們對機器人技術智能化本質(zhì)認識的加深，機器人技術開始源源不斷地向人類活動的各個領域滲透。結合這些領域的應用特點，人們發(fā)展了各式各樣的具有感知、決策、行動和交互能力的特種機器人和各種智能機器，如移動機器人、微機器人、水下機器人、醫(yī)療機器人、軍用機器人、空中空間機器人、娛樂機器人等。對不同任務和特殊環(huán)境的適應

25、性，也是機器人與一般自動化裝備的重要區(qū)別。這些機器人從外觀上已遠遠脫離了最初仿人型機器人和工業(yè)機器人所具有的形狀，更加符合各種不同應用領域的特殊要求，其功能和智能程度也大大增強，從而為機器人技術開辟出更加廣闊的發(fā)展空間。 ?2．機器人的發(fā)展 機器人的歷史并不算長，1959年美國英格伯格和德沃爾制造出世界上第一臺工業(yè)機器人，機器人的歷史才真正開始。英格伯格在大學攻讀伺服理論，這是一種研究運動機構如何才能更好地跟蹤控制信號的理論。德沃爾曾于1946年發(fā)明了一種系統(tǒng)，可以“重演”所記錄的機器的運動。1954年，德沃爾又獲得可編程機械手臂專利，這種機械手臂按程序進行工作，可以根據(jù)不同的工作需要編制

26、不同的程序，因此具有通用性和靈活性，英格伯格和德沃爾都在研究機器人，認為汽車工業(yè)最適合于用機器人干活，因為是用重型機器進行工作，生產(chǎn)過程較為固定。1959年，英格伯格和德沃爾聯(lián)手制造出第一臺工業(yè)機器人。它成為世界上第一臺真正的實用工業(yè)機器人。此后英格伯格和德沃爾成立了“尤尼梅遜”公司，興辦了世界上第一家機器人制造工廠。第一批工業(yè)機器人被稱為“尤尼梅特”，意思是“萬能自動”。他們因此被稱為機器人之父。1962年美國機械與鑄造公司也制造出工業(yè)機器人，稱為“沃爾薩特蘭”，意思是“萬能搬動”。“尤尼梅特”和“沃爾薩特蘭”就成為世界上最早的、至今仍在使用的工業(yè)機器人。 近百年來發(fā)展起來的機器人，大致經(jīng)

27、歷了三個成長階段，也即三個時代。第一代為簡單個體機器人，第二代為群體勞動機器人，第三代為類似人類的智能機器人，它未來的發(fā)展方向是有知覺、有思維、能與人對話。第一代機器人屬于示教再現(xiàn)型，第二代則具備了感覺能力，第三代機器人是智能機器人，它不僅有感覺能力，而且還具有獨立判斷和行動的能力，并具有記憶、推理和決策的能力，因而能夠完成更加復雜的動作。中央電腦控制手臂和行走裝置，使機器人的手完成作業(yè)，腳完成移動，機器人能夠用自然語言與人對話。智能機器人在發(fā)生故障時，通過自我診斷裝置能自我診斷出故障部位，并能自我修復。今天，智能機器人的應用范圍大大地擴展了，除工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)外，機器人應用到各行各業(yè)，機器人已具備了人類的特點。機器人向著智能化、擬人化方向發(fā)展的道路，是沒有止境的。 機器人是雖然外表可能不像人，也不以人類的方式操作，但是可以代替人力自動工作的機器。后來美國著名科普作家艾薩克·阿西莫夫為機器人提出了三條原則，即“機器人三定律”：第一定律——機器人不得傷害人，或任人受到傷害而無所作為；第二定律——機器人應服從人的一切命令，但命令與第一定律相抵觸時例外；第三定律——機器人必須保護自身的安全，但不得與第一、第二定律相抵觸。這些“定律”構成了支配機器人行為的道德標準，機器人必須按人的指令行事，為人類生產(chǎn)和生活服務。