功和机械能第1节功1.知道物体做功的两个必要条件,能判断物体是否做功.2.理解功的定义、计算公式和单位,并会用功的公式进行简单计算.3.通过思考、讨论及对实例的分析,让学生掌握物体做功的必要条件.一、功的认识【教学指导】功这个物理量和什么因素有关呢?请同学们看多媒体课件:这两幅图中有什么共同的地方或者共同的要素.答:都有力,物体都移动了一段距离.问:移动的距离和力之间有何关系?答:是在力的作用下,在力的方向上移动的距离.讲述:在物理学中就说图中的力对物体做了功.请同学们看图:课本P63图11.1-3乙:用力而未移动距离;甲:水平方向移动了距离但水平方向上却没有力.分析得出:做功的两个必要条件:(1)作用在物体上的力;(2)物体在力的方向上移动的距离.讲述:必要的意思就是一个都不能少,请同学们用做功的两个必要条件判断下面几种情况,力对物体是否做功?(1)手提着钩码在空中静止不动,问拉力是否对钩码做功?为什么?(2)用力推讲台,讲台没有动,人做功了吗?(3)用脚踢出足球,球在地面上滚动,滚动过程中,人对足球做功了吗?(4)人推着木箱前进时,箱子的重力和支持力做功了吗?为什么?(5)人提一桶水沿水平方向前进,拉力做功了吗?(6)手提着钩码匀速上升,问拉力是否对物体做功?为什么?讲述:通过以上分析,我们看出,物理学中的做功与日常生活中工作的意思不同.日常生活中所说的工作包括一切消耗体力和脑力的劳动,但物理学中功的含义要狭窄且严格得多,即做功必须同时满足两个必要条件.想一想同学们一起做的提书包和提书的实验中,我们所说的“累”的程度大小,这个“累”字体现的含义是什么?【教师】下列三种情况力没有对物体做功:1.劳而无功:有力作用在物体上,但是物体没有移动.如举重运动员将很重的杠铃举在头顶,尽管很累,也很辛苦,但此时不做功,运动员只有上举的过程中才对杠铃做了功;2.不劳无功:物体靠惯性移动一段距离,并不是受到力的作用向前运动.如抛出的篮球,会向前飞行一段距离,但人已经“无能为力”,所以这个过程中人不会对篮球做功;3.垂直无功:力的方向与物体的运动方向垂直,该力没有做功.如手提桶在水平面上运动一段距离,水桶虽然受到了手的提力作用,由于提桶的力的方向始终竖直向上,跟水平地面垂直,所以在水平方向走得再远,手的提力对水桶也没有“成效”,所以提力没有对水桶做功.【跟踪训练】1.如图所示的几个情形中,所提到的力没有做功的是( D )A.物体在绳子拉力作用下升高B.静止的小车在拉力作用下运动起来C.汽车在刹车阻力的作用下速度减慢D.人用力搬石头,石头不动2.水平桌面上的文具盒在水平方向的拉力作用下,沿拉力的方向移动一段距离,则下列判断正确的是 ( C )A.文具盒所受重力做了功B.文具盒所受支持力做了功C.文具盒所受拉力做了功D.没有力对文具盒做功二、功的计算【自主预习】1.功的大小与力和距离这两个因素有何关系呢?力越大,使物体在力的方向上移动的距离越大,这个力的成效越显著,说明力所做的功越多.2.物理学中,力与物体在力的方向上移动的距离的乘积叫做功,即功=力×距离.功的公式:W=Fs.W—功—焦耳(J),F—力—牛顿(N),s—距离—米(m).3.功的单位:焦耳(J)1焦耳=1牛顿·米 1 J=1 N·m例题:一个人用50 N的力沿水平方向匀速推一辆重200 N的车前进2 m,则这个人对车做功是多少?重力对车做功是多少?解:W人=Fs=50 N×2 m=100 J,W重=Gh=200 N×0 m=0 J.【教师】进行功的计算时要注意以下问题:1.要弄清研究对象,明确要计算哪个力所做的功.要用所需要的力乘以物体在该力的方向上通过的距离.2.公式中的F是作用在物体上的力,s为物体在F的方向上通过的距离.【跟踪训练】1.一位同学沿教学楼的楼梯从一楼匀速上到三楼,该同学上楼做的功最接近 ( B )A.30000 JB.3000 JC.300 JD.30 J2.起重机将1000 N的重物匀速竖直提升3 m后,又把重物水平移动了1 m,则起重机对重物所做的功是( C )A.1000 JB. JC.3000 JD.4000 J3.一个人先后用同样大小的力F将不同质量的物体分别在光滑水平面、粗糙水平面和粗糙斜面上沿力的方向移动相同的距离s(如图所示),该力在这三个过程中所做的功分别为W1、W2、W3,关于它们之间的大小关系说法正确的是( C )A. W1<W2<W3B. W1<W2=W3C. W1=W2=W3D. W1=W2<W34.将重力为10000 N、体积为0.2立方米的物体在水中匀速提高2 m(未露出水面),拉力做的功为多少焦?(g取10 N/kg)解:物体在水中受到的浮力F浮=ρ水gV=1.0×103kg/m3×0.2 m3×10 N/kg= N,物体受到的拉力F拉=G物-F浮=10000 N- N=8000 N,拉力做的功W=F拉h=8000 N×2 m=16000 J.第2节功率第一课时功率及功率的计算1.结合实例理解功率的意义,建立功率概念,得出计算公式.2.了解功率在实际中的应用,学会用功率的公式进行简单的计算.3.通过建立功率概念的过程,学会用比较的方法进行物理探究.一、功率的概念及物理意义【自主预习】阅读课本第65、66页内容,完成下面问题:1.回忆如何比较物体运动的快慢?2.小强体重500 N,在5 s内跑到5 m高的楼上,则小红做了2500J的功.小明体重500 N,在10 s内走到5 m高的楼上,则小明做了2500J的功.小红体重400 N,在10 s内跑到6 m高的楼上,则小强做了2400J的功.【小组讨论】1.上面三道题中:小强和小明,小强做功快,你是怎么比较出来的?小明和小红,小明做功快,你是怎样比较出来的?2.物理学中用一新的物理量功率来表示物体做功快慢,它的定义是功与做功所用时间之比..功率用符号 P 表示,功用符号W表示,时间用符号t3.功率=功做功时间.表示,因此用符号表示公式是P=Wt4.功的单位是J,时间的国际单位是s,所以功率的单位是J/s,为了纪念英国的工程师瓦特,人们将功率的单位叫做瓦特,简称瓦,符号W.所以1 W=1J/s,1 W的物理意义是1 s内所做的功是1 J, 常见的单位还用kW.1 kW=1000W.5.利用功率的公式,计算出小强的功率=500 W,小明的功率=250 W,小红的功率=240 W.【教师】功与功率的计算的区别:功──力和在力的方向上移动的距离的乘积,单位:J.功率──功和完成这些功所用时间的比值,单位:J/s(或W).【跟踪训练】1.下列关于功率的说法中,正确的是( B )A.做功多的机械,功率一定大B.做功快的机械,功率一定大C.做功时间少的机械,功率一定大D.功率是用做相同的功比较做功时间的方法比较做功快慢的2.小明用相同的水平推力,分别使较重的A物体沿较光滑的平面移动,较轻的B物体沿较粗糙的平面移动,若在相同的时间内移动相同的距离.则下列说法正确的是( D )A.小明对A物体做的功多B.小明对B物体做的功多C.小明推A物体时的功率小D.小明推A、B两物体时的功率相同二、功率的计算【教学指导】功率及计算公式1.引导回顾“速度”的知识.速度是表示物体运动快慢的物理量.教师引导:以前学习过要比较两物体运动的快慢,可以先确定路程再比较时间,也可以先确定时间再比较路程.同理,要比较物体做功的快慢可采用什么方法?2.向学生提供一组数据,让学生想一想,议一议,谁做功最快?说出比较的依据.物体所做的功所用时间A 1000 J 5 sB 1000 J 10 sC 4000 J 1 minD 6000 J 1 min学生在小组讨论的基础上进行回答,由他人(同组同学或其他组同学)适当补充,再通过教师的引导使学生领悟比较物体做功快慢的方法:(1)做功相同,比较做功的时间,时间短的做功快;(2)时间相同,比较做功的多少,做功多的做功快.3.提问:用什么方法可以方便准确地表示物体做功的快慢呢?教师引导:用一个包含有功和做功所用的时间的概念来表示物体做功的快慢是否可行?4.介绍功率的概念及计算公式并以适当的事例加以巩固.学生在教师的引导下,理解功率的概念、功率表示的物理意义,认识功率的相关单位及计算公式.教师总结:(1)意义:功率是用来表示做功快慢的物理量.(2)定义:单位时间内所做的功,叫做功率,通常用符号“P”表示..(3)公式:P=Wt(4)单位:瓦特.在国际单位制中,W的单位是焦耳(J),t的单位是秒(s),P的单位是瓦特(W).1瓦特=1焦耳/秒,1 kW=1000 W.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,像我们已经研究过的速度就是用这种方法来定义的.5.巩固提高:例题1:用1牛的力在2秒内将物理课本从地上提高1米,你能算出这个力做功的功率吗?教师先引导学生求出所做的功,再求功率,这对学生巩固前后知识均有所帮助.同时推导出功率推导式:P=Fv.拓展应用:开车上坡时,司机往往会增大油门,减慢速度?这是为什么?(意图:注重知识迁移能力的培养,体验学以致用的乐趣.)例题2:体重为600 N的爷爷与体重为300 N的小孙子举行登楼活动,楼高三层共10米.若:(1)爷、孙两人同时从一楼起步,半分钟后同时到达三楼;(2)爷爷年纪大、身体较重,孙子登楼用了半分钟,爷爷所用的时间是孙子的2倍;(3)孙子登楼用了半分钟,爷爷所用的时间是孙子的3倍.以上三种情况下,谁做功多?谁做功少?谁用的时间多?谁用的时间少?谁做功快?谁做功慢?引导学生回答前面所举的例子,通过讨论及训练,培养学生运用所学知识解决实际问题的能力.学生边思考,边动手进行计算解答.教师把学生的答案进行投影,可进行全班讨论,加深理解.6.学生自己阅读课本例题,动手做一做.学生自己阅读、解答,教师在教室巡视,给有学习困难的学生适当的帮助.学生解答完后,教师再解题示范,强调解题的方法和规范的解题步骤. 【教师】中反映了三个量之间的关系.已功率是表示做功的快慢的,公式P=Wt知其中的两个量可以确定另外一个量,但如果只知道其中的一个,将无法确定另外两个量的大小.【跟踪训练】1.蚂蚁用10-3N的力拉着树叶,10 s内沿拉力方向前进了10 cm,则蚂蚁对树叶做功为1×10-4 J,此时的功率为1×10-5W.2.在体育考试中,小明投出的实心球在空中的运动轨迹如图所示.若实心球重20 N,从最高点到落地点的过程中,球下降的高度为2.7 m,用时约0.75 s.则球下降过程中重力做功为54J,功率为72W.3.质量为50 kg 的小华同学骑着一辆自行车在平直公路上匀速运动500 m,自行车在行驶过程中受到的阻力为其体重的110,其功率为100 W,则他骑500 m 所用的时间为多少秒?(取g=10 N/kg)解:自行车受到的阻力F 阻=G 人10=m 人g 10=50kg×10N/kg 10=50 N, 行驶500 m 做的功W=F 阻×s=50 N ×500 m=25000 J,由P=W t 可得:所用的时间t=W P =25000J 100W =250 s.第二课时 功率的测量及变形式的应用1.功率的测量.2.功率的变形式的应用.一、功率的测量【自主预习】学校新购了一箱物理器材,小云同学将它从一楼搬到三楼,小彬同学想测定小云搬运器材过程中对箱子做的功的功率.实验器材:台秤、卷尺、秒表;实验步骤:小彬同学设计了测量步骤如下,其中多余的是 ( B )A.测出箱子的质量mB.测出楼梯的总长度lC.测出一楼到三楼的竖直高度hD.测出小云上楼所用的时间tE.算出小云搬运箱子的功率P【小组讨论】在学习了功率的知识后,三位同学想比较爬杆时谁的功率大.以下是他们讨论后得出的三套方案,其中可行的是( D )①相同的时间爬杆,测量出各自的体重和爬上杆的高度,即可以比较功率大小;②爬到杆顶,测量出各自的体重和爬杆用的时间,即可比较功率大小;③爬杆后,测量出各自的体重、爬杆用的时间和爬上杆的高度,算出功率进行比较.A.只有①B.①、②C.①、③D.①、②、③【教师】要测出机械功率P,只需想办法测出机械功W和对应的做功时间t,由即可求出功率.功率的计算公式P=Wt【跟踪训练】1.李华同学用了半分钟时间,从一楼上到二楼,他上楼的功率为80 W,则他所做的功为多少焦?可得W=Pt=80 W×30 s=2400 J.解:由P=Wt2.甲乙两人做功之比是5∶6,所用时间之比是2∶3,则他们的功率之比是: 5∶4.甲同学重600 N,乙同学重500 N,他们进行登楼比赛,从一楼跑上六楼甲用了60 s,乙用了40 s,则甲同学做功较多,乙同学功率较大.3.质量为50 kg 的何勇同学,在一次爬杆比赛中,用12 s 爬到了5 m 高的杆顶:(1)何勇受到的重力是多少?(2)何勇爬杆过程中做了多少功?功率多大?解:(1)何勇受到的重力:G=mg=50 kg ×9.8 N/kg=490 N;(2)何勇爬杆过程中做的功:W=Gh=490 N ×5 m=2450 J,功率:P=W t =245012s ≈204 W.二、功率变形式的应用【自主预习】功的计算公式W=Fs,功率的计算公式P=W t . 【小组讨论】1.公式P=Fv 的推导:如何由P=W t 推导出P=Fv?P=W t =Fs t =Fvt t =Fv.2.公式P=Fv 的应用:①一汽车重0 N,受到的阻力是车重的120,当汽车以20 m/s 的速度行驶时汽车的功率是多大?解:汽车受到的阻力F 阻=G 车20=1000 N, 由公式P=W t 的推导式P=Fv 可得汽车的功率P=Fv=1000 N ×20 m/s=0 W.②请解释为什么汽车在爬坡时总是换低速挡?而在平路上换高速挡?由公式P=Wt的推导式P=Fv可知,汽车的功率一定,上坡时需要获得较大的牵引力F,就必须减小爬坡速度v,所以要爬坡换低速挡,平路不需要很大的牵引力,所以换高速挡可以提高运行速度.【教师】因为P=Wt ,W=Fs,所以P=Fst=Fv.该公式可以计算瞬时功率.如果在拉力F作用下物体做匀速直线运动,则F做功的快慢也将不变.该公式表示:某个力做功的功率,等于这个力乘以这个力的作用点的速度.注意公式中速度v的单位必须是m/s.【跟踪训练】1.功率为10千瓦的拖拉机在平直公路上匀速前进.受到的阻力是牛,在半小时内拖拉机做了多少焦的功?前进了多少米?解法1:半小时内拖拉机做的功W=Pt=10 kW×1800 s=1.8×107J.由公式W=Fs可得前进距离s=WF =1.8×107JN=9000 m.解法2:由公式P=Wt的推导式P=Fv,则拖拉机的运行速度v=PF =10000WN=5 m/s,前进距离s=vt=5 m/s×30×60 s=9000 m.半小时内拖拉机做的功W=Fs= N×9000 m=1.8×107J.2.一辆小汽车在平直公路上匀速行驶,发动机的牵引力为 N,速度为108 km/h.(1)求小汽车匀速行驶时受到的阻力大小.(2)求牵引力在10 min内所做的功.(3)若发动机的牵引力用F表示,小汽车的速度用v表示,请推导出牵引力的功率P=Fv.解:(1)小汽车做匀速直线运动时阻力f=F= N,(2)牵引力在10 min内所做的功W=Fs=Fvt= N×30 m/s×600 s=3.6×107J.(3)牵引力的功率P=Wt =Fst=Fv.第3节动能和势能1.能通过实例从做功的角度描述能量,能说出能量与做功的关系,记住能量的单位.2.能利用实例或实验初步认识动能、势能的概念,并能运用其解释相关的现象.3.能通过实验探究,了解动能、势能的大小跟哪些因素有关?4.在了解动能、势能的大小跟哪些因素有关的活动中,学会用科学探究的方法研究物理问题.一、探究动能大小与什么因素有关【教学指导】1.什么样的物体具有动能?观察和分析生活中的实例:急流的河水能把石头冲走,流水能做功;飞行的子弹能把木板打穿,飞行的子弹能做功;风吹动帆船航行,空气流动形成的风能做功.引导同学们找出不同现象的共性内容.学生分析:这些物体能做功,它们都具有能.它们的能量是由于物体运动才具有的.水由于流动、子弹由于飞行、空气由于流动而具有能.归纳总结:物理学中把物体由于运动而具有的能叫动能.一切运动的物体都具有动能.2.动能的大小跟哪些因素有关.物体能够做的功越多,表示这个物体具有的能量越大.那么动能的大小决定于哪些因素呢?现在我们通过实验来研究.这是个带槽的木板,我们把钢球放到斜面上由静止滚下,到达平面上撞击一个小木块,推动木块做功,根据木块被推动的距离远近来判断钢球具有的动能的大小.教师演示,学生观察实验.第一次,我们使小钢球从某一高度由静止开始滚下,注意观察木块被推的距离.第二次,我们换一个质量大的钢球,从同一位置由静止开始滚下,到达平面上时和刚才的小钢球具有同样的速度,再观察木块被推动的距离.很显然,第二次木块被推的距离比第一次远得多.说明大钢球做的功多,也就是大钢球具有的动能大.提问:这个实验说明了什么?学生回答:这个实验说明了物体的动能大小跟它的质量有关,速度相同时,质量越大,动能越大.我们用同一个钢球再做两次实验.教师演示,学生观察.第一次,我们让钢球从比较低的位置由静止开始滚下,第二次我们让钢球从比较高的位置由静止开始滚下.比较两次实验中木块被推的距离大小.很显然,钢球从更高的位置滚下来,到达水平面上时具有更大的速度,木块被推得更远.提问:这个实验说明了什么?学生回答:这个实验说明同一个物体速度越大,动能越大.通过以上实验可知,物体的质量越大,速度越大,动能就越大.(运用事例对比进行思考,学生易于接受新知识.)提问:一列缓慢行驶进站的火车和一辆高速行驶的汽车相比较,谁的动能更大?让学生分组讨论,鼓励学生从网上搜索信息,分析论证.【教师】1.利用木块被推动的距离表示钢球动能的大小运用的是转换法;2.此实验还运用到控制变量法.【跟踪训练】1.据CCTV报道:5月29日,在高速公路上驾驶客车的司机吴斌,被前方突然飞来一小物块击破挡风玻璃后击中腹部.他整个肝脏破裂,却以超人的意志力忍着剧痛,完成了靠边停车等保障安全的一系列动作,保证了25名乘客安全,自己却献出了宝贵的生命.飞来的物块使吴师傅致命的主要原因,是因为它具有( A )A.较大的动能B.较大的势能C.较大的密度D.较大的硬度2. 一跳伞运动员跳离飞机,当降落伞张开后,他将匀速下降,此时他的重力势能将减小,他的动能将不变.(选填“增大”“减小”或“不变”)3.图示为探究“物体动能的大小跟哪些因素有关”的实验.实验步骤如下: Ⅰ.让同一钢球从斜面上不同的高度由静止滚下,观察木块被撞击后移动的距离.Ⅱ.让不同质量的钢球从斜面上相同的高度由静止滚下,观察木块被撞击后移动的距离.回答下列问题:(1)步骤Ⅰ是为了研究动能大小与速度的关系.(2)步骤Ⅱ是为了研究动能大小与质量的关系.(3)该实验中斜面的作用是为了控制钢球速度的大小,木块的作用是为了比较钢球动能的大小.二、认识势能并探究重力势能和弹性势能大小与什么因素有关【教学指导】运动的物体具有动能.生活中也有很多物体并没有运动,但是它们也能做功,也具有能.1.什么样的物体具有重力势能?人们在打桩时,必须把重锤高高举起,当重锤落下时可以做功,因为重锤受到竖直向下的重力,重锤下落时沿着重力的方向向下通过了一段距离,所以举高的重锤可以做功,将木桩打入地里.试想,一个重锤如果静止压在木桩上是不是能做功?物体由于受到重力并处在一定高度时所具有的能叫重力势能.2.重力势能的大小跟哪些因素有关?请大家判断下列物体的重力势能的大小.(1)打地基时,质量是20千克的石制重锤和质量是100千克的铁制重锤被举得同样高,谁的重力势能大?学生回答.(2)同一个重锤,被举高1米或3米两种情况下,哪种情况重力势能大?学生回答.通过以上的两个例子,大家能判断出重力势能的大小跟物体的质量和所处位置的高度有关,物体的质量越大,位置越高,它具有的重力势能越大.(让学生了解高空坠物的危害,教育学生如何防范高空坠落物.)随着高层建筑的增多,高空坠落物伤人的事件时有发生,造成的伤害十分严重.防范高空坠物应注意:(1)警惕高架的广告牌.由于大风或自然松动,容易导致广告牌瞬间倒塌坠落.(2)注意居民楼房坠物.阳台上的花盆等摆放物会由于主人浇花操作不当或大风而引起坠落.(3)要小心高楼的墙面装饰物和窗户玻璃碎片.刮风时,高层楼房墙面的装饰物或松动的表层可能发生脱落,窗户上的玻璃、碎片也可能坠落.(4)注意建筑施工工地的坠落物.安全防护网若不齐全,砖石物料就可能会从上面掉下来.防范措施:(1)对易坠落物,如广告牌、阳台摆放物品等,经常进行检查、紧固,确保其牢固可靠.(2)行人尽量远离可能出现高空坠落物的地方.除了应随时注意观察之外,在楼前、楼后行走时尽量离墙壁远一些为好.因工作条件而不能远离时,要加强自我保护,戴好安全帽.3.什么样的物体具有弹性势能?大家看一个实验,教师边演示,边讲授.这是一个弹簧,把一个砝码放在弹簧上的小木板上,用力将弹簧压缩,使其发生弹性形变.此时,弹簧静止,没有动能.弹簧也没有被举高,也没有重力势能.可是大家想想,弹簧能不能做功?能!放开手,砝码被弹簧举起来.可见,被压缩的弹簧也具有能.这种能区别于动能和重力势能,它是由于物体发生了弹性形变而具有的能.所以,发生弹性形变的物体具有的能叫弹性势能.物体在很多情况下都具有弹性势能.射箭用的弓被拉满时产生弹性形变,具有弹性势能.钟表的发条在卷紧时具有弹性势能,通过做功来带动钟表机件正常转动.4.物体的弹性势能的大小跟弹性形变大小有关,弹性形变越大,它具有的弹性势能越大.5.重力势能和弹性势能都叫做势能.【教师】动能、势能的影响因素动能势能重力势能弹性势能产生原因物体运动物体被举高物质发生弹性形变影响因素 物体质量:大而大 运动速度:大而大 物体质量:大而大 被举高度:高而大发生弹性形变的程度:大而大【跟踪训练】1.下列各物体具有什么形式的势能:A.被举高的铁锤:重力势能.B.被拉长的弹簧:弹性势能.C.被拉弯的弓:弹性势能.D.被水库蓄的水:重力势能.E.空中飞行的鸟:动能和重力势能.F.云彩中的小冰粒:重力势能.2.如图所示是固定在水平桌面上的圆弧轨道,将一小球由轨道的P 点自由释放,滚动到Q 点.在此过程中,动能先变大后变小,重力势能先变小后变大.3.小明看到运动员拉弓射箭时,弓拉得越弯,箭射得越远.小明猜想:弹性势能的大小可能与物体的弹性形变有关.(1)为验证其猜想是否正确,他设计了如下实验(弹簧被压缩后未超过其弹性限度):如图所示,将同一个弹簧压缩不同(选填“相同”或“不同”)的长度,将小球置于弹簧的右端,松开后小球碰到同一位置的相同木块上,分析比较木块移动距离的大小,从而比较弹性势能的大小.(2)若水平面绝对光滑,本实验将不能(选填“能”或“不能”)达到探究目的.(3)小明根据实验现象认为:小球推动木块移动一段距离后都要停下来,所以弹簧、小球和木块所具有的机械能最终都消灭了.你认为小明的观点是错误(选填“正确”或“错误”)的,理由是木块克服摩擦力做功,机械能转化为内能.第4节机械能及其转化1.知道机械能包括动能和势能.2.理解机械能的转化.3.能解释动能、重力势能、弹力势能间相互转化的简单物理现象.4.初步了解机械能守恒的含义.5.了解水能和风能的利用。
