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2019-2020年高中物理 《功率》教案 教科版必修2 一、教學(xué)內(nèi)容分析 1．內(nèi)容與地位 《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》共同必修模塊“物理2”中涉及本節(jié)的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)是“理解功率，關(guān)心生產(chǎn)和生活中常見機械功率的大小及其意義”。要求學(xué)生理解功率的概念，會進行功率的計算；會分析汽車發(fā)動機功率一定時，牽引力和速度的關(guān)系；嘗試自己設(shè)計實驗，測量人在某種運動中的功率。由于功率在生活、生產(chǎn)中應(yīng)用很廣，教學(xué)中可充分利用這一優(yōu)勢，使抽象的物理概念變得富有實際意義。發(fā)展學(xué)生應(yīng)用知識解決實際問題能力，樹立正確的價值觀。 本節(jié)課的教學(xué)應(yīng)立足于培養(yǎng)學(xué)生的思維能力，通過學(xué)習(xí)物理研究方法，使學(xué)生學(xué)會思考問題。在建立“功率”概念中，讓學(xué)生體會用比值方法來建立一個新物理概念。機車起動過程的分析著重培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維，引導(dǎo)學(xué)生認識物理與社會生活的密切聯(lián)系，綜合運用動力學(xué)知識和功率概念分析問題和解決問題的能力。通過學(xué)生設(shè)計測量人的做功功率的實驗，達到學(xué)以致用的目的，培養(yǎng)學(xué)生運用科學(xué)知識解決實際問題能力。 2．教學(xué)目標(biāo)： （1）通過實例體驗功率概念的形成過程及功率的實際意義，理解功率概念。 （2）從功率概念的定義，體會用比值方法建立物理概念的方法。 （3）理解功率與力和速度的關(guān)系。會利用功率的兩個公式來解釋現(xiàn)象和進行計算。 （4）了解平均功率、瞬時功率、額定功率、實際功率區(qū)別和聯(lián)系。 （5）具有敢于發(fā)表自己觀點，堅持原則，善于合作的良好習(xí)慣。 3．重點難點：教學(xué)重點是理解功率的概念；難點是理解功率與力、速度的關(guān)系，瞬時功率和平均功率的計算。 　二、案例設(shè)計（一）新課引入 問題：人們在生產(chǎn)、生活和工作中使用了大量的機械來做功，這與人力直接做功或畜力做功，在完成功的快慢方面有何不同？請舉例說明。（引發(fā)學(xué)生思考，讓學(xué)生從身邊生活尋找做功事例，并思考機械與人或畜力做功的差異。） 功是能量轉(zhuǎn)化的量度，人們十分關(guān)注做功的多少。然而不同的機械或人，其做功的快慢是不同的。（分析一些生產(chǎn)事例、工作場面，或展示一些做功快慢不同的圖片。有條件的情況下還可通過多媒體手段更生動地展示這些畫面和情景，使學(xué)生對做功快慢的情形有更為形象和具體的認識，從而為建立正確的“功率”概念打下良好基礎(chǔ)。） 參考事例：①挖土機與人，要完成相同的挖土任務(wù)，人花的時間要長得多。②建筑工地上要把磚塊或水泥等建筑材料搬到樓頂上，起重機和搬運工相比，起重機要比工人快得多。③從水井里提水，使用抽水機比人工要快得多④家住在高樓（如8層），乘電樓比走路要快得多。⑤拖拉機耕地比牛耕地要快得多，等等。列舉生產(chǎn)、生活中發(fā)生的事例，使學(xué)生體會功率與生活、生產(chǎn)息息相關(guān)，無處不在，研究功率具有重要的現(xiàn)實意義。 說明：通過引導(dǎo)學(xué)生分析有關(guān)事例，形成初步共識：人們選用機械來做功時，不僅要考慮做功多少，還要考慮機械做功的快慢。如挖掘機做功比人快；大卡車比拖拉機做功快；拖拉機耕地比牛耕地要快；起重吊車比搬運工人做功快；抽水機比轆轤提水快，等等。研究做功的快慢有著重要的實際意義。 通過一個實際問題，具體數(shù)據(jù)，讓學(xué)生感性地認識做功的快慢。如在某高樓建筑中需要搬運一批磚頭到一高層上，在搬運磚頭過程中，起重機和搬運工人的生產(chǎn)記錄情況如下表所示： 師：不同的機器或物體做功有快有慢，如何來衡量做功的快慢呢？請同學(xué)們思考并提出解決方案。（引導(dǎo)學(xué)生思考：如何比較物體做功快慢？討論中注意培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維能力和批判思維能力。） 預(yù)測學(xué)生可能有以下回答： ①選擇相同時間，比較做功多少，做功多的，做功就快； ②選擇做相同的功，比較做功的時間長短，時間長的，做功就慢。 ③類比“速度”的定義方法，用做功和完成這些功所花的時間的比值來定義“功率”。 說明：對學(xué)生提出的各種方案可能有問題或不完整，教師應(yīng)鼓勵學(xué)生在交流中補充完善自己的認識。 教學(xué)中注意引導(dǎo)學(xué)生類比如“速度”、“加速度”概念的定義方法，體會比值法定義功率概念。 （二）新課教學(xué) 1．功率 （1）定義式：物理學(xué)上用物體所做的功W與完成這些功所用時間t的比值，作為在該時間內(nèi)物體平均做功快慢的量度。即 Ｐ=W/ t （2）物理意義：表示物體做功快慢的物理量.。 （3）單位：教師請一位同學(xué)正確地說出公式中各個字母所表示的物理量及其單位。 Ｐ：功率，單位：瓦（W），常用單位還有千瓦（ｋW） W：力所做的功，單位：焦耳（J） ｔ：做功所用時間，單位：秒(s) 單位換算：１kW = 1000 W１W=１J/s （4）功率是標(biāo)量，功率表示做功過程中能量轉(zhuǎn)化的快慢。 （5）討論與交流： 小實驗：把一枚硬幣放在書的封面上，打開書的封面形成一個斜面，并使硬幣開始下滑。請同學(xué)仔細分析一下，在下滑的過程中硬幣共受到幾個力的作用？哪些力做正功？哪些力做負功？哪些力不做功？如果斜面的傾角增大，情況會有什么變化？傾角增大時，功率是否也增大？ 提示：①比較不同傾角時的功率，應(yīng)注意硬幣開始下滑處的高度應(yīng)相同。討論功率時須指明哪個力的功率。②實驗的分析討論，要注意所分析的是某個力的平均功率。注意引導(dǎo)學(xué)生進行受力分析、做功分析，可利用功率的定義式，在理論上進行的推演，使思維更加嚴密。 （6）認識一些常見機械做功功率 ①汽車發(fā)動機：5104 W ～ 15104 W ②摩托車約2103 W ③噴氣客機約2108 W ④火箭的發(fā)動機約 11013 W ⑤ 人的平均功率約 1102 W ，優(yōu)秀運動員短時間內(nèi)的功率可達1000W ⑥人心臟跳動的功率 1.5W左右 ⑦萬噸巨輪 106W以上 ⑧藍鯨游動的功率可達350kW 等等。 2．功率與力、速度的關(guān)系 思考與討論：一部汽車載重時和空車時，在公路上以相同的速度行駛，試討論這兩種情況下汽車的輸出功率是否相同？為什么？ 預(yù)測學(xué)生會回答： ①載重汽車與地摩擦力較大，牽引力也大，由于行駛速度一樣，故相同時間內(nèi)，載重車的牽引力做功較多，所以載重汽車的輸出功率較大。 ②載重汽車行駛得比空車慢，因此功率較小。 ③載重汽車比空車費力，因此載重車的輸出功率較空車時要大些。 說明：上述分析討論的目的是啟發(fā)學(xué)生思考功率與力和速度有何關(guān)系。學(xué)生分析可能會出現(xiàn)片面和不完整回答，教師要參加到學(xué)生的討論分析中，幫助、啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生形成正確的認識。 (正確的回答應(yīng)是①)。教師根據(jù)課堂需要還可以提出一些問題讓學(xué)生進一步討論，如汽車在上坡和下坡時功率、速度和牽引力會怎樣變化？ 接著，教師引導(dǎo)學(xué)生思考，如何計算牽引力的功率。（讓學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識和功率定義式進行推演，培養(yǎng)良好的科學(xué)思維能力和思維習(xí)慣） 提出問題：某汽車在平直公路上做勻速直線運動，已知其在牽引力大小為F，運行速度為V，試求此時汽車牽引力F的功率為多少？ 注意引發(fā)學(xué)生思考解決問題的思路，應(yīng)用功和功率的定義式進行分析和推導(dǎo)。 　 課堂分析結(jié)果： Ｐ＝Fｖ 　即力F的功率等于力F和物體運動速度ｖ的乘積.。注意：這里的F是速度V方向上的作用力。 分析討論：由V=S/t求出的是物體在時間ｔ內(nèi)的平均速度，代入公式Ｐ＝Fｖ求出的功率是F在時間ｔ內(nèi)的平均功率；如果ｔ取得足夠小，則V表示瞬時速度，此時由Ｐ＝Fｖ求得的功率就是F在該時刻的瞬時功率。即當(dāng)V為平均速度時，求得的功率就是平均功率，V為瞬時速度時，求得的功率就是瞬時功率。 （1）總結(jié)： ①平均功率Ｐ＝Fｖ(ｖ是平均速度) ②瞬時功率Ｐ＝Fｖ(ｖ是瞬時速度) ③如果物體做勻速直線運動，由于瞬時速度與平均速度相等，故此時平均功率等于瞬時功率。 交流討論問題：由求出的是瞬時功率還是平均功率? 學(xué)生小組討論后得出：由公式求出的功率，反映了該力在t時間內(nèi)做功的平均快慢，故由公式求出功率是平均功率。 （2）額定功率與實際功率的認識 問：人力直接做功能否像汽車做功那樣快呢？汽車做功能否像飛機做功那樣快呢？人如果做功過快，會產(chǎn)生什么后果呢？汽車超負荷運轉(zhuǎn)會產(chǎn)生什么后果呢？（人做功過快，會引起疲勞、甚至受傷、生病等，汽車超負荷工作會造成發(fā)動機熄火或燒毀。） 問：奧運長跑運動員能否用100米短跑的速度來完成5000米的賽跑路程呢？為什么？ 提示：奧運比賽是一種挑戰(zhàn)運動局限的比賽，人與機器一樣，不能長時間超負荷運動，短跑運動員在100米賽跑中，時間不過是十幾秒，能以最大的速度跑完全程，此時運動員的輸出功率是正常時的數(shù)十倍。在5000米的長跑運動中，運動員不可能長時間超負荷運動，因此長跑運動員不可能一直保持百米賽跑那樣的速度。 說明：此問目的在于學(xué)生通過思考自己身邊所熟悉的問題，認識額定功率和實際功率的概念以及概念的意義。 ①額定功率：指動力機械在長時間正常工作時最大輸出功率。也是機械發(fā)動機銘牌上的標(biāo)稱值，額定功率是動力機械重要的性能指標(biāo)，一個動力機械的額定功率是一定的。 ②實際功率：機械在運行過程中的功率是實際功率，實際功率可以小于額定功率，可以等于其額定功率（稱滿負荷運行），但不能大于額定功率，否則會損壞機械。 ③很多機械的銘牌上都標(biāo)有這臺機器的額定功率，請同學(xué)將家里的電器設(shè)備上的額定功率都記錄下來，并計算家里的每部機器每天要做多少功？要消耗多少電能？哪一部機器最耗電？請與同桌同學(xué)進行交流。 （3）汽車發(fā)動機的功率一定時，牽引力與速度的關(guān)系 當(dāng)汽車輸出功率一定時，根據(jù)公式P=FV可知，物體的運動速度V與牽引力F成反比，如果汽車需要較大的牽引力，就必須減小運動速度。 思考：汽車以額定功率在平直公路行駛時，若前方遇到了一段較徒的上坡路段，汽車司機要做好什么調(diào)整，才能確保汽車駛到坡頂？為什么？ 學(xué)生可能回答：①加大油門，汽車可順利到達坡頂。②汽車要換檔，才能順利駛到坡頂。 師生共同分析：①根據(jù)P=FV 知，汽車以額定功率行駛，因遇上坡路段，汽車所需的牽引力增大了，若要保持行駛速度不變，這是不可能的；加大油門，只會增加發(fā)動機的輸出功率（超過額定功率），發(fā)動機將因超負荷而過熱損壞。②這是一種正確的操作方式，當(dāng)司機將發(fā)動機的速度檔位調(diào)低后，速度減少了，牽引力加大了，只要牽引力足夠，汽車便可順利上坡。 思考：汽車等交通工具，如何才能獲得更大的行駛速度？ 3．學(xué)生進行測功率活動。（建議課后安排） 問題：如何才能知道在某種運動中自己做功的功率呢？請同學(xué)設(shè)計一個測量方案，并進行實際測量。 說明：應(yīng)激勵積極思考、設(shè)計可行方案，動腦動手，體驗科學(xué)實驗方法和感受實驗成果的喜悅。 實驗方案舉例：（讓學(xué)生結(jié)合自己的情況來進行設(shè)計實驗） 方案1：學(xué)生快速跑上樓，來測量做功的最大功率。 方案2：估算學(xué)生自己平時上樓或爬山過程的功率。 方案3：設(shè)計沿某一竹桿或樹桿上爬一定的高度，來測量做功功率。 方案4：利用跳繩運動，來測量做功功率。 方案5：測算自己舉起杠鈴時的最大功率（需要同學(xué)的幫忙） 說明：①有關(guān)實驗方案、原理、器材、數(shù)據(jù)的測定及同學(xué)協(xié)作等，都應(yīng)放手讓學(xué)生自行討論、分工，這樣才能培養(yǎng)學(xué)生的實驗?zāi)芰?，給學(xué)生以合作交流的機會。 ②方案選定后，要注意引導(dǎo)學(xué)生如何求功和功率，需要選擇哪些實驗器材，測量哪些物理量？測量是否存在誤差問題，如何才能較準(zhǔn)確地測量。 ③根據(jù)學(xué)生設(shè)計的方案，組織學(xué)生進行實驗。最后實驗結(jié)果，讓學(xué)生通過實物展臺進行交流匯報，師生共同觀看，最后還可以進行評選活動。 ④活動目的是：培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用物理知識解決實際問題能力，并通過親身的實驗，達到內(nèi)化知識，提升能力。同時也在實驗過程中培養(yǎng)學(xué)生嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度。 三、案例評析 本案例的教學(xué)設(shè)計體現(xiàn)了物理知識源于生活，又應(yīng)用于生活?！肮β省迸c生活、生產(chǎn)聯(lián)系密切，在引入功率、額定功率、實際功率等概念時，都注意通過生產(chǎn)、生活的具體實例引入，使原本枯燥無味的概念教學(xué)變得生動和有趣，學(xué)生易于認識和理解“功率”概念，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。在知識形成過程中，注重引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)思維方法，體會比值法在定義“功率”概念的作用，提高學(xué)生的應(yīng)用科學(xué)思維方法解決問題的能力。通過設(shè)計測定人在某種運動中做功功率實驗，來達到內(nèi)化和強化物理概念和物理規(guī)律的理解，實現(xiàn)知識由理論向?qū)嵺`的轉(zhuǎn)化，加強物理與生活、生產(chǎn)和科技的聯(lián)系。 在“功率”的整個教學(xué)過程中，始終關(guān)注“生活與物理，物理與社會”的關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生關(guān)注物理學(xué)的技術(shù)應(yīng)用，形成將物理知識應(yīng)用于生活和生產(chǎn)實踐的意識，較好地體現(xiàn)了在知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀上對學(xué)生進行教育的課程理念。 四、相關(guān)鏈接 1．瓦特其人其事 生平簡介 瓦特(James Watt,1736～1819年)蘇格蘭發(fā)明家。1736年1月19日生于蘇格蘭格林諾克。童年時代的瓦特曾在文法學(xué)校念過書，然而沒有受過系統(tǒng)教育。瓦特在父親做工的工廠里學(xué)到許多機械制造知識，以后他到倫敦的一家鐘表店當(dāng)學(xué)徒。 1763年瓦特到格拉斯大學(xué)工作，修理教學(xué)儀器。在大學(xué)里他經(jīng)常和教授討論理論和技術(shù)問題。1781年瓦特制造了從兩邊推動活塞的雙動蒸汽機。1785年，他也因蒸汽機改進的重大貢獻，被選為皇家學(xué)會會員。 1819年8月25日瓦特在靠近伯明翰的希斯菲德逝世。 科學(xué)成就 1763年，瓦特修理格拉斯哥大學(xué)的一臺紐可門泵，得以仔細研究了結(jié)構(gòu)和工作原理，找到了熱量損失消耗大量燃料的癥結(jié)所在，他終于想出了加一個與汽缸分離的冷凝器，汽缸外裝上絕熱套子，使它一直保持高溫，新的蒸汽機的效率大大提高。瓦特并不滿足于已經(jīng)取得的成就，1781年他又制造了從汽缸兩邊推動活塞的雙動作蒸汽機，并采用曲柄機構(gòu)，使往復(fù)的直線運動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動。瓦特還設(shè)計了離心節(jié)速器，利用反饋原理控制蒸汽機的轉(zhuǎn)速。經(jīng)過一系列的改革，蒸汽機迅速被各工業(yè)部門采用，為產(chǎn)業(yè)革命鋪平了道路。蒸汽機車加快了19世紀(jì)的運輸速度。蒸汽機→蒸汽輪機→發(fā)電機，蒸汽為第二次工業(yè)革命即電力發(fā)展鋪平了道路。 趣聞軼事 童年時代的瓦特和茶壺的故事 一天晚上，瓦特和一個小女孩在家里喝茶。瓦特不停地擺弄茶壺蓋，一會兒打開，一會兒蓋上，當(dāng)他把茶壺嘴堵住時，蒸汽頂開了茶蓋。在旁的外祖母對瓦特的這種無聊動作極為不滿，加以訓(xùn)斥。瓦特并不介意，他一心想著蒸汽的力量，從此萌發(fā)制造蒸汽機的念頭。 蒸汽機與產(chǎn)業(yè)革命 羅爾特所著《詹姆斯瓦特》中，曾寫道：“瓦特蒸汽機巨大的、不知疲倦的威力使生產(chǎn)方法以過去所不能想象的規(guī)模走上了機械化道路。 2．機動車輛常見的兩種啟動過程 對于汽車或機車等交通工具，在靜止開始啟動的過程中，發(fā)動機的輸出功率、牽引力和速度的關(guān)系滿足公式P＝Fv，在P、F、v三個物理量中，若保持一個量不變，當(dāng)另一個量變化時，第三個量也隨之變化。關(guān)于汽車的啟動過程是一個較為復(fù)雜的物理過程，下面我們就兩種常見的啟動過程分析如下： ①汽車（或機車）以恒定的功率啟動和行駛過程（請把握教材的難度和課標(biāo)的難度） 汽車牽引功率保持恒定時，由P = FV可知，牽引力大小與速度成反比。結(jié)合牛頓第二定律F – f = ma可知，汽車以恒定功率啟動的過程，隨著汽車速度V的逐漸增大，汽車的加速度逐漸減小，直至加速度等于0，最后汽車做勻速運動。 思考：當(dāng)汽車在平直公路行駛時，前方遇到了一段較徒的上坡路段，汽車司機應(yīng)做好什么調(diào)整，才能確保汽車駛到坡頂？只靠加大油門能否順利到達坡頂？ ②機車以恒定的牽引力啟動的過程：機車做的是加速度a=(F-f)/m的勻加速直線運動，汽車的輸出功率P隨汽車速度增大而增大，直至汽車輸出功率等于額定功率，勻加速過程結(jié)束。接著汽車保持功率不變，汽車通過減少牽引力，進一步提高速度，直到加速度a＝0，最后做勻速行駛運動。這一過程中各量的變化，可用下列流程圖來表示。