2020-2021学年5 机械能守恒定律教案及反思

这是一份2020-2021学年5 机械能守恒定律教案及反思，共7页。教案主要包含了功率，额定功率和实际功率，功率与速度，交通工具的两种起动过程等内容，欢迎下载使用。

知识与技能
1．理解功率的定义及额定功率与实际功率的定义；
2．P＝W/t，P＝Fv的运用。
过程与方法
1．P＝W/t通常指平均功率，Δt→0时为瞬时功率；
2．用P＝Fv分析汽车的启动，注意知识的迁移。
情感、态度与价值观
感知功率在生活中的实际应用，提高学习物理科学的价值观。
教学重点
理解功率的概念，并灵活应用功率的计算公式计算平均功率和瞬时功率。
教学难点
正确区分平均功率和瞬时功率所表示的物理意义，并能够利用相关公式计算平均功率和瞬时功率。
教学方法
教师启发、引导，学生自主阅读、思考，讨论、交流学习成果。
教学工具
投影仪、投影片、录相资料、CAI课件。
［新课导入］
一台起重机在1min内把lt重的货物匀速提到预定的高度；另一台起重机在30s内把1t货物匀速提到相同的高度。这两台起重机做的功是不是一样呢?
两台起重机对物体做功的大小相同，那么这两台起重机做功有没有区别呢？区别是什么？
不同的物体做相同的功，所用的时间可能不同，或在相同的时间内，做的功可能不同。也就是说做功存在着快慢之分，那么，怎样描述做功的快慢呢？这就是本节课要学习的问题。
［新课教学］
一、功率
一台起重机能在1min内把1t的货物提到预定的高度，另一台起重机只用30s就可以做相同的功。第二台起重机比第一台做功快一倍。
初中同学们已学习过功率的有关知识，都知道功率是用来描述力做功快慢的物理量。
让我们一起讨论一个问题：
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
上述条件下，哪个力做功快的问题学生都能作出判断，其实都是根据W/t这一比值进行分析判断的。让学生把这个意思说出来，然后总结。
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。
1．物理意义
功率是描述力对物体做功快慢的物理量。
在物理学中，为了表示物体做功的快慢，引入了功率这个物理量。
功率是表示物体做功快慢的物理量，所以我们可以用功跟完成这些功所用时间的比值来表示。
2．定义
“从开始计时到时刻t”这段时间间隔为t－0，就等于t。
在物理学中，做功的快慢用功率表示。如果从开始计时到时刻t这段时间间隔内，一个力所做的功为W，则
功W跟完成这些功所用时间t的比值叫做功率（pwer）。
3．公式
如果用W表示功，t表示完成这些功所用的时间，P表示功率，则有
P＝（量度式）（1）
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。
4．单位
由功率的定义式可知，功率的单位由功和时间的单位决定。
功率的单位是：焦耳/秒，又是一个具有专门名称的导出单位，给它一个专用的名称：瓦特。
在国际单位制中，功率的单位是瓦特（watt），简称瓦，符号是W。
1W＝1J/s＝1kg·m2/s3
常用单位：千瓦（kW），1kW＝1000W。
5．功率是标量
功有正、负，但在计算功率时，功只取绝对值。
二、额定功率和实际功率
电动机、内燃机等动力机械都标有额定功率，这是在正常条件下可以长时间工作的功率。实际输出功率往往小于这个数值。例如，某汽车内燃机的额定功率是97 kW，但在平直公路上中速行驶时，发动机实际输出的功率只有20 kW左右。在特殊情况下，例如越过障碍时，司机通过增大供油量可以使实际输出的功率大于额定功率，但这对发动机有害，只能工作很短时间，而且要尽量避免。
1．额定功率
指机器正常工作时的最大输出功率，也就是机器铭牌上的标称值。
2．实际功率
指机器工作中实际输出的功率。
机器不一定都在额定功率下工作。实际功率总是小于或等于额定功率。实际功率如果大于额定功率容易将机器损坏。
机车起动过程中，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。
三、功率与速度
力、位移、时间都与功率相联系。这种联系在技术上具有重要意义。
1．功率的另一表达式
如果物体沿位移方向受的力是F，从计时开始到时刻t这段时间内，发生的位移是l，则力在这段时间所做的功W＝Flcsα，根据（1）式v＝，有
P＝＝Fvcsα＝F(vcsα)＝(Fcsα)v（2）
在作用力方向和位移方向相同的情况下，有P＝Fv，即力F的功率等于力F和物体运动速度v的乘积。当F与v不在一条直线上时，则用它们在一条直线上的分量相乘。
2．平均功率和瞬时功率
【说一说】
各种机器实际输出的功率常随时间变化，因此有平均功率与瞬时功率之分。（1）式中，t等于从计时开始到时刻t的时间间隔，W是力在这段时间内做的功，所以（1）式中的P实际上是这段时间的平均功率。如果我们要表示瞬时功率与功、时间的关系，（1）式应该怎样改写？
P＝表示t时间内的平均功率，当t→0时为瞬时功率。
①平均功率：描述力在一段时间内做功的快慢。
由于据P＝求出的功率反映的是做功的平均快慢程度，所以，据P＝求出的是平均功率；公式P＝Fvcsα中若v表示在时间t内的平均速度，P表示力F在这段时间t内的平均功率。
②瞬时功率：瞬时功率是表示力在某个瞬时做功快慢的物理量。
如果时间t取得足够小，公式P＝Fvcsα中的v表示某一时刻的瞬时速度时，P表示该时刻的瞬时功率。
3．对公式P＝Fv的讨论
【做一做】
在P＝Fv中，速度v是物体的平均速度，所以这里的功率P是指从计时开始到时刻t的平均功率。实际上，这个关系式也反映了瞬时速度与瞬时功率的关系。你可以试着推导这个结论。要注意下面两点。
（1）如果Δt时间内做的功是ΔW，那么当Δt很短时，表示的就是瞬时功率。
（2）如果力的大小是F，在上述Δt时间内，在力的方向上发生的位移是Δl，那么，力F做的功是ΔW＝FΔl。
从P＝Fv可以看出，汽车、火车等交通工具和各种起重机械，当发动机的功率P一定时，牵引力F与速度v成反比，要增大牵引力，就要减小速度。
汽车发动机的转动通过变速箱中的齿轮传递到车轮上，转速比可以通过变速杆来改变。发动机输出的功率不能无限制地增大，所以汽车上坡时，司机要用“换挡”的办法减小速度，来得到较大的牵引力。在平直公路上，汽车受到的阻力较小，这时就可以使用高速挡，在发动机功率相同的情况下可以使汽车获得较高的速度。
然而，在发动机功率一定时，通过减小速度提高牵引力或通过减小牵引力而提高速度，效果都是有限的。所以，要提高速度和增大牵引力，必须提高发动机的额定功率，这就是高速火车、汽车和大型舰船需要大功率发动机的原因。
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，司机用换档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。
四、交通工具的两种起动过程
F
F1
FN
G
汽车、轮船等交通工具在起动过程中，有两种典型的起动过程。
（用CAI课件模拟汽车的两种起动过程）
1．以恒定功率起动
汽车在水平方向受到两个力的作用：牵引力F和摩擦力F1，汽车起动后先做变加速运动，最后做匀速直线运动，变化情况如下：
P恒定→v较小时，F＞F1→v↑→F↓(P＝Fv)→ a↓＝(F－F1)/m→a＝0时→vmax
a↓的变加速直线运动 匀速直线运动
汽车以恒定功率起动时的速度图象如下图：
v
vm
O
t
【问题讨论】
①若阻力与速度有关，比如F1＝kv，或F1＝kv2等，上面讨论的问题有何变化？
②交通工具达到最大速度的条件：a＝0与F＝F1哪种表述更具有一般性？汽车在水平路面与倾斜路面上达到最大速度的条件是否相同？
③汽车的最大速度为vmax，当汽车的瞬时速度为v，v＜vmax时的加速度为多少？
a＝
2．以恒定加速度起动
以恒定加速度起动后的汽车先做一段匀变速运动，当汽车的功率达到额定功率以后，加速度减小，汽车将做变加速运动，速度继续增大，速度达到最大值后将做匀速直线运动，变化情况如下：
a恒定→F恒定→v↑→P↑→P＝P额[＝(ma＋F1)vmax′ ]→ F↓→a↓→a＝0时→vmax
匀加速直线运动 变加速直线运动 匀速直线运动
以恒定加速度起动的速度图象如下图：
v
vm
O
t
v′m
t0
【问题讨论】
①汽车的额定功率为P额，以加速度a起动能达到的最大速度vmax′ ？
P额＝(ma＋F1)vmax′
vmax′＝P额/(ma＋F1)
②汽车的额定功率为P额，以加速度a起动能持续的最长时间t0？
vmax′＝at0
t0＝vmax′/a＝P额/a(ma＋F1)
【例题1】质量m＝3 kg的物体，在水平力F＝6Ｎ的作用下，在光滑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。
解析：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＝2m/s2
物体在3 s末的速度
v＝at＝6ｍ/s
物体在3s内的位移
l＝at2/2＝9m
①力F做的功W＝Fl＝54J；
②力F在3s内的平均功率P＝＝18W；
③3s末力F的瞬时功率P＝Fv＝36 W。
［小结］
通过本节课的学习，我们知道功率是表示物体做功快慢的物理量，得到了功率的两个计算公式，定义式P＝和瞬时功率的公式P＝Fv。公式P＝中的t趋近于零时，P即为瞬时功率。不过此公式主要用来计算平均功率。公式P＝Fv中，当v为瞬时速度时，P即为瞬时功率；当v用平均速度时，也可以计算平均功率。当然要注意v所对应的时间段。要会用P＝Fv分析汽车的两种起动过程，要能够计算相关的问题。
［布置作业］
教材第63页“问题与练习”。