高中物理新课标人教版必修2优秀教案：功率 7页

3 功率 整体设计 “理解功率，关心生产和生活中常见机械功率的大小及其意义”是《普通高中物理课程标准》 共同必修模块“必修 2”中对于功率一节的内容标准要求.旨在要求学生理解功率的概念，会进行 功率的计算；会分析汽车发动机功率一定时，牵引力和速度的关系；尝试自己设计实验，测 量机械在工作中的功率.由于功率在生活、生产中应用很广，教学中可充分利用这一优势，指 导多举实例，使抽象的物理概念变得容易接受.发展学生应用知识解决实际问题的能力，树立 正确的价值观. “功率”概念的建立，采用了物理学中经常使用的比值定义法，所以本节课的教学应立足于 培养学生的思维能力，通过学习物理研究方法，使学生学会思考问题.在机车启动过程的分析 着重培养学生的逻辑思维，引导学生认识物理与社会生活的密切联系，综合运用动力学知识 和功率概念分析问题和解决问题的能力.通过学生设计测量机械功率的实验，达到学以致用的 目的，培养学生运用科学知识解决实际问题的能力. 功率的概念、功率的物理意义是本节的重点内容，如果学生能懂得做功快慢表示的是能 量转化的快慢，自然能感悟出功率实际上是描述能量转化快慢的物理量.瞬时功率的概念学生 较难理解，这是难点.学生往往认为，在某瞬时物体没有位移就没有做功问题，更谈不上功率 了.如果学生没有认识到功率是描述能量转化快慢的物理量，这个难点就不易突破，因此，在 前面讲清楚功率的物理意义很有必要，它是理解瞬时功率概念和物理意义的基础. 关于发动机的额定功率与汽车的最大速率之间的关系，最好采用课后专题讲座的形式进 行，以便通过分析汽车由开动到匀速行驶的物理过程，使学生养成分析物理过程的习惯，避 免简单地套用公式. 教学重点 理解功率的概念. 教学难点 理解功率与力、速度的关系，瞬时功率和平均功率的计算. 课时安排 1 课时 三维目标 知识与技能 1.理解功率的概念. 2.知道功率的定义和定义式 P= t W ，能够用公式 P= t W 解答有关的问题. 3.知道公式 P=Fv 的物理意义，能够用公式 P=Fv 解答有关的问题. 4.区别理解额定功率、实际功率和最大功率. 过程与方法 1.通过实例体验功率概念的形成过程及功率的实际意义，理解功率概念. 2.从功率概念的定义，体会用比值方法建立物理概念的方法. 3.理解功率与力和速度的关系.会利用功率的两个公式来解释现象和进行计算. 情感态度与价值观 1.通过功率概念建立的探究过程，培养学生敢于发表自己观点，坚持原则，善于合作的良好习 惯. 2.通过对生活中机械的实际功率、额定功率的观察和测量，培养学生学以致用的思想. 教学过程 导入新课 多媒体导入 用多媒体分别演示两幅画面，并进行对比. 画面一：一台起重机在 1 分钟内把 1 吨重的货物匀速提到预定的高度. 画面二：另一台起重机在 30 秒内把 1 吨货物体匀速提到相同的高度. 教师指导学生观察刚才画面上展示的两个过程中，起重机都对物体做了功，且做的功是 相同的，但是它们完成这些功所用的时间不同，第一台起重机做功所用时间长，我们说它做 功慢；第二台起重机做同样的功，所用的时间短，我们说它做功快.通过上述例子，我们知道 力对物体做功有快慢之分，今天我们就来学习表示物体做功快慢的物理量——功率. 情景导入 教师指导学生回忆日常生活中人们劳动时的情景，并分组让学生举例，讨论分析人和机 械做功有什么区别，教师归纳. 1.挖土机与人，要完成相同的挖土任务，人花的时间要长得多. 2.建筑工地上要把砖块或水泥等建筑材料搬到楼顶上，起重机和搬运工相比，起重机要比工人 快得多. 3.从水井里提水，使用抽水机比人工要快得多 4.家住在高楼（如 9 层），乘电梯比走路要快得多. 5.拖拉机耕地比牛耕地要快得多，等等. 列举生产、生活中发生的事例，使学生体会功率与生活、生产息息相关，研究功率具有重要 的现实意义.引出本节课的学习内容——功率. 图片导入 大屏幕投影有关功率的几幅图片，并提供相应的性能参数，让同学们仔细观察，体会即 将学习的物理量——功率，是衡量机械的重要参数. 自行车长时间前进功率约 70 W；优秀运动员短时间功率可达到 1 kW 韶山型电力机车输出功率为 4 200 kW 通过观察图片，引导学生体会，在不同的机械装置中，功率这一参数的数值是不同的， 它就是用来描述物体做功快慢的.学习了本节课，我们会对“功率”这一参数，有更加深刻的理 解. 推进新课 一、功率 首先以提问方式复习上一节所学习的主要内容，重点是功的概念和功的物理意义.然后提 出力对物体做功的实际问题中，不但存在着做功多少的问题，还有做功快慢的区别.做功多少 的计算我们上节课已经讨论了功的计算公式，引导学生思考：物理学中又是如何来描述做功 快慢的呢？物理学中为了描述力对物体做功的快慢，引入了“功率”这一物理量，本节课我们就 来研究这个问题. 情境设置 1：现有甲、乙两人摘棉花，甲 6 天摘了 500 kg，乙 8 天摘了 600 kg，你打算怎样比 较谁摘得快,并说出你的方法. 情境设置 2：力 F1 对甲物体做功为 W1，所用时间为 t1；力 F2 对乙物体做功为 W2，所用时间 为 t2，在下列条件下，哪个力做功快（ ） A．W1=W2，t1＞t2 B．W1=W2，t1＜t2 C．W1＞W2，t1=t2 D．W1＜W2，t1=t2 学生能够想到利用工作量与时间的比值来衡量甲、乙两人的工作快慢.用比值来反映快慢， 比值大的快，比值小的慢. 在以上基础上，继续创设情境，引出“功率”的概念. 对于功率的概念，初中已经作了初步的学习，因此学生在理解上较为容易.教师直接创设 情景主要是让学生感受“功率”这一概念提出的必要性. 总结：做功快慢的比较有两种方式：一是比较完成相同的功所用的时间；另一是比较在 相同的时间内完成的功. 在物理学中，一个力所做的功 W 跟完成这些功所用时间 t 的比值 t W ，叫做功率.用 P 表 示，即 P= t W . 物理意义：功率是描述力对物体做功快慢的物理量. 上式是功率的定义式，也是功率的量度式，P 与 W、t 间无比例关系，做功的快慢由做功 的物体本身决定.根据这一公式求出的是平均功率，同时这个公式变形后给我们提供了一种求 功的方法：W=Pt. 指导学生说出公式中各个字母所表示的物理量和单位.并概括功率的单位，国际单位：瓦 特，常用单位有千瓦. 【讨论与交流】 小实验：把一枚硬币放在书的封面上，打开书的封面形成一个斜面，并使硬币开始下滑.请同 学仔细分析一下，在下滑的过程中硬币共受到几个力的作用？哪些力做正功？哪些力做负 功？哪些力不做功？如果斜面的倾角增大，情况会有什么变化？倾角增大时，功率是否也增 大？ 提示：①比较不同倾角时的功率，应注意硬币开始下滑处的高度应相同.讨论功率时须指明哪 个力的功率. ②实验的分析讨论，要注意所分析的是某个力的平均功率.注意引导学生进行受力分析、做功 分析，可利用功率的定义式，在理论上进行的推演，使思维更加严密. 开拓视野：认识一些常见机械做功功率 ①汽车发动机：5×104 W—15×104 W ②摩托车约 2×103 W ③喷气客机约 2×108 W ④火箭的发动机约 1×1013W ⑤人的平均功率约 1×102 W，优秀运动员短时间内的功率可达 1 000 W ⑥人心脏跳动的功率 1.5 W 左右 ⑦万吨巨轮 106 W 以上 ⑧蓝鲸游动的功率可达 350 kW 等等. 例 一个物体在 F 的作用下，在时间 t 内发生的位移为 s，已知作用力 F 的方向和位移方向相 同，求： （1）力 F 所做的功;（2）力 F 的功率. 解答：略. 由此得到功率的另一种求解公式 P=Fv，即力 F 的功率等于力 F 和物体运动速度 v 的乘积.由于 v=s/t 求出的是物体在时间 t 内的平均速度.则 P=Fv 求出的是 F 在时间 t 内的平均功率.如果 t 取得足够小，则 v 就可以为某一时刻的瞬时速度,据 P=Fv 求出的就是 F 在该时刻的瞬时功率. 讨论：由 P=W/t 求出的是平均功率还是瞬时功率？ 综合学生讨论得到：由于据 P=W/t 求出的功率反映的是做功的平均快慢程度，所以，据 P=W/t 求出的是平均功率. 总结：P=W/t 求平均功率 P=Fv 可求瞬时速度（v 是瞬时速度） P=Fv 可求平均速度（v 是平均速度） 课堂训练 1.一台机器用 2 分钟时间做了 6×104 J 的功，这台机器的功率是多少？ 2.关于功率，下列说法中正确的是（ ） A.功率是说明做功多少的物理量 B.功率是说明力做功快慢的物理量 C.做功时间越长，功率一定小 D.力做功越多，功率一定大 答案：1.500 W 2.B 二、额定功率与实际功率 问题 1：人用力直接做功能否像汽车做功那样快呢？汽车做功能否像飞机做功那样快呢？人如 果做功过快，会产生什么后果呢？汽车超负荷运转会产生什么后果呢？ 问题 2:长跑运动员能否用 100 米短跑的速度来完成 5 000 米的赛跑路程呢?为什么? 提示：1.人做功过快，会引起疲劳,甚至受伤、生病等，汽车超负荷工作会造成发动机熄火或 烧毁. 2.奥运比赛是一种挑战运动极限的比赛，人与机器一样，不能长时间超负荷运动，短跑运动员 在 100 米赛跑中，时间不过是十几秒，能以最大的速度跑完全程，此时运动员的输出功率是 正常时的数十倍.在 5 000 米的长跑运动中，运动员不可能长时间超负荷运动，因此长跑运动 员不可能一直保持百米赛跑那样的速度. 总结： 1.额定功率：指机械在长时间正常工作时的最大输出功率,也是机械发动机铭牌上的标称值， 额定功率是动力机械重要的性能指标，一个动力机械的额定功率是一定的. 2.实际功率：机械在运行过程中的功率是实际功率，实际功率可以小于额定功率，可以等于其 额定功率（称满负荷运行），但不能大于额定功率，否则会损坏机械. 课外作业：很多机械的铭牌上都标有这台机器的额定功率，请同学将家里的电器设备上的额 定功率都记录下来，并计算家里的每部机器每天要做多少功？要消耗多少电能？哪一部机器 最耗电？并与同桌进行交流. 三、功率与速度 根据力、位移、时间与功率之间的联系，指导学生推导出功率与速度的关系式. 自主活动：学生结合课本内容，推导功率与速度的关系式. 教师巡回指导，发现问题及时帮助学生解决;投影学生的推导过程，点评、总结;分析公式 的意义. 问题：汽车等交通工具在启动和行驶过程中，其牵引力和行驶速度是怎样变化的？请同学们 阅读教材相关内容，用自己的话加以解释. 学生阅读教材，讨论、推理、作答. 结论:根据公式 P=Fv. ①当功率 P 一定时，F 与 v 成反比，即做功的力越大，其速度就越小.当交通工具的功率一定 时，要增大牵引力，就要减小速度.所以汽车上坡时，司机用换挡的办法减小速度来得到较大 的牵引力. ②当速度 v 一定时，P 与 F 成正比，即做功的力越大，它的功率就越大.汽车从平路到上坡时， 若要保持速率不变，必须加大油门，增大发动机功率来得到较大的牵引力. ③当力 F 一定时，功率 P 与速度 v 成正比，即速度越大，功率越大. 起重机吊起同一物体时以不同的速度匀速上升，输出的功率不等，速度越大，起重机输 出的功率越大. 教师投影教材上的例题，引导学生独立审题，分析后写出解题过程. 投影学生的求解过程，总结点评. 例 2 如图所示，位于水平面上的物体 A 的质量 m=5 kg，在 F=10 N 的水平拉力作用下从静止 开始向右运动，位移为 s=36 m 时撤去拉力 F.求：在下述两种条件下，力 F 对物体做功的平均 功率各是多大？(取 g=10 m/s2) (1)水平面光滑； (2)物体与水平面间的动摩擦因数μ=0.15. 解题思路 1:可分为三个阶段：第一步让学生计算力 F 在 36 m 位移中所做的功，强调功只由 F 和 s 这两个要素决定，与其他因素无关，因而两种情况下力 F 做的功相同，均为 W=360 J; 第二步由同学计算这两次做功所用的时间.用牛顿第二定律求出 a1=2 m/s2,a2=0.5 m/s2;用 s= 2 2 1 at 分别求出 t1=6 s，t2=12 s. 第三步用功率的定义式即平均功率的计算公式求得 P1=60 W，P2=30 W. 解题思路 2:用公式 vt2=2as 分别求出每次的末速度，再用公式 v =vt/2 求出每次的平均速度 v 1 和 v 2,最后用 P1=F v 1 和 P2=Fv2 求最后结果,这是解决问题的另一思路. 课堂训练 质量 m=3 kg 的物体，在水平力 F=6 N 的作用下，在光滑的水平面上从静止开始运动，运 动时间 t=3 s，求： (1)力 F 在 t=3 s 内对物体所做的功； (2)力 F 在 t=3 s 内对物体所做功的平均功率； (3)在 3 s 末力 F 对物体做功的瞬时功率. 解答：物体在水平力 F 的作用下，在光滑水平面上做初速度为零的匀加速直线运动，根据牛 顿第二定律可求出加速度 a=F/m=2 m/s2 则物体在 3 s 末的速度 v=at=6 m/s. 物体在 3 s 内的位移 s= 2 2 1 at = 2 1 ×2×32 m=9 m (1)力 F 做的功 W=Fs=54 J (2)力 F 在 3 s 内的平均功率 P= t W =18 W (3)3 s 末力 F 的瞬时功率 P=Fv=36 W. 课堂小结 引导学生回顾本节主要内容. 1.功率是表示物体做功快慢的物理量. 2.功率的单位有 W、kW，1 kW=1 000 W. 3.功率的求解公式有：P=W/t、P=Fv 其中 P=W/t 和 P=Fv 可用来求解平均功率，而 P=Fv 也可 用来求解瞬时功率. 4.要会用 P=Fv 分析汽车的两种启动过程. 布置作业 1.教材“问题与练习”第 1、2 题. 2.认真观察身边的电器铭牌，记录电器的额定功率，并与同学交流. 板书设计 3 功率 一、功率 1.定义：功和完成这些功所用时间的比值. 2.表达式：P= t W ,变形式:P=Fv. 3.单位：W、kW. 二、额定功率与实际功率 1.额定功率：正常条件下可以长时间工作的功率. 2.实际功率：机车实际输出的功率. 三、功率与速度的关系 P=Fv. 活动与探究 课题：探究某种运动中人做功的功率，让学生设计一个测量方案，并进行实际测量. 目的：培养学生应用物理知识解决实际问题能力，并通过亲身的实验，达到内化知识，提升 能力的目的,同时也在实验过程中培养学生严谨的科学态度. 过程：教师激励学生积极思考,设计可行方案，动脑动手，体验科学实验方法和感受实验成果 的喜悦.放手让学生自行讨论、分工，这样才能培养学生的实验能力，给学生以合作交流的机 会.方案选定后，要注意引导学生如何求功和功率，需要选择哪些实验器材，测量哪些物理量？ 测量是否存在误差问题，如何才能较准确地测量.根据学生设计的方案，组织学生进行实验.最 后实验结果，让学生通过实物展台进行交流汇报，师生共同观看，最后还可以进行评选活动. 实验方案举例：（让学生结合自己的情况来进行设计实验） 方案 1：学生提一桶水上楼时的平均功率. 方案 2：设计沿某一竹竿和树干上爬一定的高度，来测量做功功率. 方案 3：运动会上，百米比赛的同学的最大功率. 方案 4：测算自己举起杠铃时的最大功率. 习题详解 1．解答：在货物匀速上升时，电动机对货物的作用力大小为 F=G=2．7×105 N 由 P=Fv 可得 v= 5 3 107.2 1010   F P m/s=3．7×10-2m/s. 2．解答：这台抽水机的输出功率为 P= 1 101030  t mgh t W W=3×103 W 它半小时能做功 W=Pt=3×103×1 800 J=5.4×106 J. 3．解答：此人推导的前提不明确.当 F 增大时，根据 P=Fv 推出，P 增大的前提应是 v 不变， 从 v= F P 推出，P 增大则 v 增大的前提是 F 不变，从 F= v P 推出，v 增大 F 减小的前提是 P 不 变. 说明：对这类物理问题的方向，应注意联系实际，有时机械是以一定功率运行的，这时 P 一 定，则 F 与 v 成反比.有时机械是以恒定牵引力工作的，这时 P 与 v 成正比. 4．解答：（1）汽车的加速度减小，速度增大.因为，此时开始发动机在额定功率下运动，即 P=F 牵 v.v 增大则 F 牵减小，而 a= m FF 牵 ，所以加速度减小. （2）当加速度减小到零时，汽车做匀速直线运动，F 牵=F，所以 v= F P ，此为汽车在功率 P 下 行驶的最大速度. 设计点评 “功率”这一概念在日常生活中与人们的联系较为密切，学生也有接触，因此在实际的教学 中，教学设计立足于实际生活，采用让学生“自主举例、自主提问、自主探讨、自主总结”的探 究方式.加强了与生产生活的结合，体现了物理知识学以致用的思想.“功率”与生活、生产联系 密切，在引入功率、额定功率、实际功率等概念时，注意通过生产、生活的具体实例引入， 增强了学生学习的趣味性与知识性，使学生便于认识和理解“功率”概念，有利于激发学生的学 习热情.在知识形成过程中，教学设计注重引导学生学习科学思维方法，体会比值法在定义“功 率”概念的作用，提高学生的应用科学思维方法解决问题的能力.通过设计测定人在某种运动中 做功功率实验，来达到内化和强化物理概念和物理规律的理解，实现知识由理论向实践的转 化，加强物理与生活、生产和科技的联系.本教学设计在实际的教学过程中，能够充分地发挥 学生的主观能动性，体现新课标的知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观的三维设计 目标.