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1.3功率【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。内容标准中这节有关的条目是：“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。”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，测量人在某种运动中的功率。功率的概念来源于生产和生活，功率的知识是机械功概念的进一步延伸，在生产和生活实际中应用的例子很多很广，而且功率与力、功率与速度的关系又是联系实际生活和科学实践的纽带，教学中可充分利用这一优势，使抽象的物理概念变得富有实际意义。发展学生应用知识解决实际问题能力，树立正确的价值观。本节的教学重点是使学生确切地理解功率的概念，会进行功率的计算；会利用功率与力、功率与速度的关系P=F·v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，测量人在某种运动中的功率。例题的教学不仅可以使学生学会应用基本公式进行计算，而且可以增进学生对平均功率和瞬时功率的理解；机动车起动问题的分析过程有利于学生养成分析物理过程的习惯，培养学生的逻辑思维能力，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，避免简单地套用公式；在建立“功率”概念中，让学生通过学习物理研究方法，体会用比值方法来建立新的物理概念，使学生学会思考问题；通过充分利用书中的插图以及联系生活中实例的教学，引导学生认识物理与社会生活的密切联系，可以让学生感受生活中物理无处不在，无时不在影响我们的生活，从而激发学生学习物理的兴趣；通过学生设计测量人的做功功率的实验，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能力。【教学目标】知识和技能1．理解功率的概念，知道功率的物理意义、定义式、单位。2．理解功率的导出式P=F·v的物理意义，并掌握其用法，会利用功率的两个公式来解释现象和进行计算。3．理解平均功率和瞬时功率，了解平均功率、瞬时功率、额定功率、实际功率的区别与联系。过程和方法1．通过实例体验功率概念的形成过程及功率的实际意义，通过功率的定义过程，体会应用比值方法建立物理概念的方法。2．学会求解各种不同的功率。3．运用功率的不同表达式分析和解决动力机械的运动问题。情感态度与价值观1．使学生养成具体问题具体分析和严密思维的习惯。2．提高学生理论联系实际、解决实际问题的能力。3．培养学生敢于发表自己观点、善于合作的良好习惯。【教学重难点】教学重点：1．理解功率的概念。教学难点：1．功率的表达式P=F·v的物理意义和运用。2．瞬时功率和平均功率的计算。（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。）【教学方法】【教学器材】投影仪、投影片、录象资料、CAI课件等【教学过程】新课导入教师：人们在生产、生活和工作中使用了大量的机械来做功，这与人力直接做功或畜力做功，在完成功的快慢方面有何不同？请举例说明。（引发学生思考，让学生从身边生活寻找做功快慢的事例，并思考机械与人或畜力做功快慢的差异。）预测学生所举事例可能有：1、人上高楼（如8层楼）时，乘电梯比走路要快得多；2、拖拉机耕地比牛耕地要快得多；3、挖土机与人，要完成相同的挖土任务，人花的时间要长得多；4、从水井里提水，使用抽水机比人工要快得多；5、……（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，无处不在，研究功率具有重要的现实意义，并引导学生注意观察身边物理现象，体会到物理知识就在我们身边，感悟物理规律研究的价值，激起学生的求知欲。）功是能量转化的量度，人们十分关注做功的多少。然而我们发现不同的机械或人，其做功的快慢是不同的。我们今天就来学习描述作功快慢的物理量-功率。教师：在建筑工地上分别采用以下三种方式，把1t的货物从地面运到三楼，方式一：搬运工分批搬运，需时间3h方式二：用一台起重机提升，需时1min方式三：用另一台起重机提升，只需时30s上述三种情况下，把货物由地面运到三楼时，请思考以下问题：1、用不同的方式，对货物所做的功是否相同？2、所用时间不同，三种方式中做功的快慢是否相同？结论：对重物所做的功相同，但所用时间不同，说明做功快慢不同。教师：不同的机器或物体做功有快有慢，如何来衡量做功的快慢呢？请同学们思考并提出解决方案。（引导学生思考：如何比较物体做功快慢？讨论中注意培养学生的发散思维能力和批判思维能力。）预测学生可能有以下认识：1、选择相同时间，比较做功多少，做功多的，做功就快；2、选择做相同的功，比较做功的时间长短，时间长的，做功就慢；3、可见物体做功的快慢不仅与做功的多少有关，还与做这些功所耗费的时间有关，我们可以用类比“平均速度”的定义方法，用做功和完成这些功所花的时间的比值，作为该时间内物体平均做功快慢的量度。新课推进一、功率的含义1．表示物体做功快慢。（板书）2．定义：物体所做的功W与完成这些功所用时间t的比值叫做功率。（板书）3．定义式：P=W/t（板书）教师请一位同学正确地说出定义式中各个字母所表示的物理量及其单位。国际单位：W→功→单位：焦耳（J）ｔ→做功所用时间→单位：秒(s)功率的单位就是焦耳/秒（J/s）又叫（瓦特简称瓦，用符号（w）表示。如果某物体在1S内做1J的功，它的功率就是1w。瓦这个单位比较小，在工程技术上还常用单位：千瓦（kw）板书）换算关系：１kw=1000w１w=１J/s（板书）4.单位：（板书）5．功率是标量。（板书）做功是能量转化的量度，功率就表示做功过程中能量转化的快慢。说明：用已知物理量的比值定义新的物理量，是建立物理概念常用的方法。使用该方法能够进一步揭示和表述被探究对象的某些物理性质及变化规律，探究某物理量随时间变化的快慢，一般可以用该物理量的变化值与所经历的时间的比值来表示。像我们已经研究过的速度、加速度等物理量就是用这种方法来定义的。6.讨论与交流：小实验：把一段粉笔放在书的封面上，打开书的封面形成一个斜面，并使粉笔开始下滑。请同学仔细分析一下，在下滑的过程中粉笔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，应注意粉笔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，在理论上进行推演，使思维更加严密。7.一些常见机械做功功率（1）汽车发动机5×104W～15×104W（2）摩托车约2×103W（3）喷气客机约2×108W（4）人心脏跳动的功率1.5W左右（5）火箭的发动机约1×1013W（6）万吨巨轮106W以上（7）蓝鲸游动的功率可达350kW（8）人的平均功率约1×102W（9）优秀运动员短时间内的功率可达1000W二、功率P与力F、速度v的关系（板书）1.功率与力、速度的关系推导（板书）教师：一部汽车载重时和空车时，在公路上以相同的速度行驶，试讨论这两种情况下汽车的输出功率是否相同？为什么？预测学生的回答可能有：（1）载重汽车与地摩擦力较大，牵引力也大，由于行驶速度一样，故相同时间内，载重车的牵引力做功较多，所以载重汽车的输出功率较大；（2）载重汽车行驶得比空车慢，因此功率较小；（3）载重汽车比空车费力，因此载重车的输出功率较空车时要大些；（4）……说明：上述分析讨论的目的是启发学生思考功率与力和速度有何关系。学生分析可能会出现片面和不完整回答，教师要参加到学生的讨论分析中，帮助、启发和引导学生形成正确的认识。得出正确的答案(1)。教师：当我们用力F推动书本，让书本在水平桌面上以速度v做匀速直线运动时，力F对书本做功的功率是多少呢？因为力F的方向和书本位移的方向相同，所以牵引力所做的功为Ｗ＝Fs。根据功率公式P=W/t可得p=Fs/t,而其中的s/t=v，所以牵引力对汽车做功的功率为P=Fv。（注意引发学生思考解决问题的思路，应用功和功率的定义式进行分析和推导。）2.公式：P=Fv（F与位移s或v同方向）（板书）因为速度在数值上等于单位时间内所通过的位移，所以力F和物体运动速度v的乘积，就表示该力在单位时间内所做的功，即力F的功率等于力F和物体运动速度v的乘积.。注意F是速度v方向上的作用力。分析讨论：由v=s/t求出的是物体在时间ｔ内的平均速度，代入公式P=Fv求出的功率是F在时间ｔ内的平均功率；如果ｔ取得足够小，则v表示瞬时速度，此时由Ｐ＝Fv求得的功率就是F在该时刻的瞬时功率。即当v为平均速度时，求得的功率就是平均功率，v为瞬时速度时，求得的功率就是瞬时功率。总结：v是平均速度v，P是平均功率P（F为恒力，且F与v同向）（板书）3.P=Fvv是瞬时速度，P是瞬时功率（板书）说明：如果物体做匀速直线运动，由于瞬时速度与平均速度相等，故此时平均功率等于瞬时功率。教师：由P=W/t求出的是瞬时功率还是平均功率?学生小组讨论后得出：由公式P=W/t求出的功率，反映了该力在t时间内做功的平均快慢，故由公式P=W/t求出的功率是平均功率。③平均功率：物体在一段时间内做功功率的平均值叫平均功率。通常用定义式P=W/t描述，只有当物体匀速运动时，才等于瞬时功率。④瞬时功率：物体在某一时刻的功率叫做瞬时功率。通常用P=Fv表示，必须注意F、v与P的同时性。三、额定功率与实际功率的认识教师：人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？（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。）教师：奥运长跑运动员能否用100m短跑的速度来完成5000m的赛跑路程呢？为什么？（奥运比赛是一种挑战运动局限的比赛，人与机器一样，不能长时间超负荷运动，短跑运动员在100m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5000m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。）说明：让学生通过思考自己身边所熟悉的问题，认识额定功率和实际功率的概念以及概念的意义。教师：你对“额定功率和实际功率”是怎样理解的？①额定功率：指动力机械在长时间正常工作时最大输出功率。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，机器不一定都在额定功率下工作。②实际功率：机械在运行过程中实际输出的功率是实际功率。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，否则容易将机械损坏。机车启动过程中，发动机的功率指牵引力的功率而不是合外力或阻力的功率。教师：汽车以额定功率在平直公路行驶时，若前方遇到了一段较陡的上坡路段，汽车司机要做好什么调整，才能确保汽车驶到坡顶？为什么？预测学生的回答可能有：（1）加大油门，汽车可顺利行驶到达坡顶。（2）汽车要换档，才能顺利行驶到达坡顶。（3）……师生共同分析：（1）根据P=Fv知，汽车以额定功率行驶，因遇上坡路段，汽车所需的牵引力增大了，若要保持行驶速度不变，则功率会超过额定功率，这是不可能的；加大油门，只会增加发动机的输出功率（超过额定功率），发动机将因超负荷而过热损坏。根据公式P=Fv可知，物体的运动速度v与牵引力F成反比，如果汽车需要较大的牵引力，就必须减小运动速度。（2）这是一种正确的操作方式，当司机将发动机的速度档位调低后，速度减小了，牵引力加大了，只要牵引力足够，汽车便可顺利上坡。教师：（课件展示）（1）当牵引力F一定时，功率P和速度v之间有什么关系？（2）当速度v一定时，牵引力F和功率P之间关系如何？（3）当输出功率P一定时，牵引力F和速度v之间有什么关系？