物理必修23.功率教学设计

第3节 功率

新课教学

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 ，叫做功率.用P表示，即P= .

    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= 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 =vt/2求出每次的平均速度v 1和v 2,最后用P1=Fv 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= = ×2×32 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= =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= ,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= m/s=3．7×10-2m/s.

2．解答：这台抽水机的输出功率为P= 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= 推出，P增大则v增大的前提是F不变，从F= 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= ，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= ，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.