高中物理 《功率》教案 教科版必修2.docx
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高中物理《功率》教案教科版必修2
2019-2020年高中物理《功率》教案教科版必修2
一、教学内容分析
1．内容与地位
《普通高中物理课程标准》共同必修模块“物理2”中涉及本节的内容标准是“理解功率，关心生产和生活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。
由于功率在生活、生产中应用很广，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。
本节课的教学应立足于培养学生的思维能力，通过学习物理研究方法，使学生学会思考问题。
在建立“功率”概念中，让学生体会用比值方法来建立一个新物理概念。
机车起动过程的分析着重培养学生的逻辑思维，引导学生认识物理与社会生活的密切联系，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。
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。
2．教学目标：
（1）通过实例体验功率概念的形成过程及功率的实际意义，理解功率概念。
（2）从功率概念的定义，体会用比值方法建立物理概念的方法。
（3）理解功率与力和速度的关系。
会利用功率的两个公式来解释现象和进行计算。
（4）了解平均功率、瞬时功率、额定功率、实际功率区别和联系。
（5）具有敢于发表自己观点，坚持原则，善于合作的良好习惯。
3．重点难点：
教学重点是理解功率的概念；难点是理解功率与力、速度的关系，瞬时功率和平均功率的计算。
二、案例设计
（一）新课引入
问题：
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事例，并思考机械与人或畜力做功的差异。
）
功是能量转化的量度，人们十分关注做功的多少。
然而不同的机械或人，其做功的快慢是不同的。
（分析一些生产事例、工作场面，或展示一些做功快慢不同的图片。
有条件的情况下还可通过多媒体手段更生动地展示这些画面和情景，使学生对做功快慢的情形有更为形象和具体的认识，从而为建立正确的“功率”概念打下良好基础。
）
参考事例：
①挖土机与人，要完成相同的挖土任务，人花的时间要长得多。
②建筑工地上要把砖块或水泥等建筑材料搬到楼顶上，起重机和搬运工相比，起重机要比工人快得多。
③从水井里提水，使用抽水机比人工要快得多④家住在高楼（如8层），乘电楼比走路要快得多。
⑤拖拉机耕地比牛耕地要快得多，等等。
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。
说明：
通过引导学生分析有关事例，形成初步共识：
人们选用机械来做功时，不仅要考虑做功多少，还要考虑机械做功的快慢。
如挖掘机做功比人快；大卡车比拖拉机做功快；拖拉机耕地比牛耕地要快；起重吊车比搬运工人做功快；抽水机比辘轳提水快，等等。
研究做功的快慢有着重要的实际意义。
通过一个实际问题，具体数据，让学生感性地认识做功的快慢。
如在某高楼建筑中需要搬运一批砖头到一高层上，在搬运砖头过程中，起重机和搬运工人的生产记录情况如下表所示：
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回答：
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类比“速度”的定义方法，用做功和完成这些功所花的时间的比值来定义“功率”。
说明：
对学生提出的各种方案可能有问题或不完整，教师应鼓励学生在交流中补充完善自己的认识。
教学中注意引导学生类比如“速度”、“加速度”概念的定义方法，体会比值法定义功率概念。
（二）新课教学
1．功率
（1）定义式：
物理学上用物体所做的功W与完成这些功所用时间t的比值，作为在该时间内物体平均做功快慢的量度。
即Ｐ=W/t
（2）物理意义：
表示物体做功快慢的物理量.。
（3）单位：
教师请一位同学正确地说出公式中各个字母所表示的物理量及其单位。
Ｐ：
功率，单位：
瓦（W），常用单位还有千瓦（ｋW）
W：
力所做的功，单位：
焦耳（J）
ｔ：
做功所用时间，单位：
秒（s）
单位换算：
１kW=1000W１W=１J/s
（4）功率是标量，功率表示做功过程中能量转化的快慢。
（5）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。
（6）认识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火箭的发动机约1×1013W ⑤人的平均功率约1×102W，优秀运动员短时间内的功率可达1000W ⑥人心脏跳动的功率1.5W左右 ⑦万吨巨轮106W以上 ⑧蓝鲸游动的功率可达350kW等等。
2．功率与力、速度的关系
思考与讨论：
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？
预测学生会回答：
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。
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。
（正确的回答应是①）。
教师根据课堂需要还可以提出一些问题让学生进一步讨论，如汽车在上坡和下坡时功率、速度和牵引力会怎样变化？
接着，教师引导学生思考，如何计算牵引力的功率。
（让学生根据所学知识和功率定义式进行推演，培养良好的科学思维能力和思维习惯）
提出问题：
某汽车在平直公路上做匀速直线运动，已知其在牵引力大小为F，运行速度为V，试求此时汽车牵引力F的功率为多少？
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。
课堂分析结果：
Ｐ＝F·ｖ
即力F的功率等于力F和物体运动速度ｖ的乘积.。
注意：
这里的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。
（1）总结：
①平均功率Ｐ＝Fｖ（ｖ是平均速度）
②瞬时功率Ｐ＝Fｖ（ｖ是瞬时速度）
③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。
交流讨论问题：
由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，故由公式求出功率是平均功率。
（2）额定功率与实际功率的认识
问：
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。
）
问：
奥运长跑运动员能否用100米短跑的速度来完成5000米的赛跑路程呢？
为什么？
提示：
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5000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。
说明：
此问目的在于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。
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。
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。
③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？
请与同桌同学进行交流。
（3）汽车发动机的功率一定时，牵引力与速度的关系
当汽车输出功率一定时，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。
思考：
汽车以额定功率在平直公路行驶时，若前方遇到了一段较徒的上坡路段，汽车司机要做好什么调整，才能确保汽车驶到坡顶？
为什么？
学生可能回答：
①加大油门，汽车可顺利到达坡顶。
②汽车要换档，才能顺利驶到坡顶。
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，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。
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，速度减少了，牵引力加大了，只要牵引力足够，汽车便可顺利上坡。
思考：
汽车等交通工具，如何才能获得更大的行驶速度？
3．学生进行测功率活动。
（建议课后安排）
问题：
如何才能知道在某种运动中自己做功的功率呢？
请同学设计一个测量方案，并进行实际测量。
说明：
应激励积极思考、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。
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：
学生快速跑上楼，来测量做功的最大功率。
方案2：
估算学生自己平时上楼或爬山过程的功率。
方案3：
设计沿某一竹杆或树杆上爬一定的高度，来测量做功功率。
方案4：
利用跳绳运动，来测量做功功率。
方案5：
测算自己举起杠铃时的最大功率（需要同学的帮忙）
说明：
①有关实验方案、原理、器材、数据的测定及同学协作等，都应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。
②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。
③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。
④活动目的是：
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。
同时也在实验过程中培养学生严谨的科学态度。
三、案例评析
本案例的教学设计体现了物理知识源于生活，又应用于生活。
“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，都注意通过生产、生活的具体实例引入，使原本枯燥无味的概念教学变得生动和有趣，学生易于认识和理解“功率”概念，有利于激发学生的学习热情。
在知识形成过程中，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。
在“功率”的整个教学过程中，始终关注“生活与物理，物理与社会”的关系，培养学生关注物理学的技术应用，形成将物理知识应用于生活和生产实践的意识，较好地体现了在知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观上对学生进行教育的课程理念。
四、相关链接
1．瓦特其人其事
生平简介
瓦特（JamesWatt,1736～1819年）苏格兰发明家。
1736年1月19日生于苏格兰格林诺克。
童年时代的瓦特曾在文法学校念过书，然而没有受过系统教育。
瓦特在父亲做工的工厂里学到许多机械制造知识，以后他到伦敦的一家钟表店当学徒。
1763年瓦特到格拉斯大学工作，修理教学仪器。
在大学里他经常和教授讨论理论和技术问题。
1781年瓦特制造了从两边推动活塞的双动蒸汽机。
1785年，他也因蒸汽机改进的重大贡献，被选为皇家学会会员。
1819年8月25日瓦特在靠近伯明翰的希斯菲德逝世。
科学成就
1763年，瓦特修理格拉斯哥大学的一台纽可门泵，得以仔细研究了结构和工作原理，找到了热量损失消耗大量燃料的症结所在，他终于想出了加一个与汽缸分离的冷凝器，汽缸外装上绝热套子，使它一直保持高温，新的蒸汽机的效率大大提高。
瓦特并不满足于已经取得的成就，1781年他又制造了从汽缸两边推动活塞的双动作蒸汽机，并采用曲柄机构，使往复的直线运动转变为旋转运动。
瓦特还设计了离心节速器，利用反馈原理控制蒸汽机的转速。
经过一系列的改革，蒸汽机迅速被各工业部门采用，为产业革命铺平了道路。
蒸汽机车加快了19世纪的运输速度。
蒸汽机→蒸汽轮机→发电机，蒸汽为第二次工业革命即电力发展铺平了道路。
趣闻轶事
童年时代的瓦特和茶壶的故事
一天晚上，瓦特和一个小女孩在家里喝茶。
瓦特不停地摆弄茶壶盖，一会儿打开，一会儿盖上，当他把茶壶嘴堵住时，蒸汽顶开了茶盖。
在旁的外祖母对瓦特的这种无聊动作极为不满，加以训斥。
瓦特并不介意，他一心想着蒸汽的力量，从此萌发制造蒸汽机的念头。
蒸汽机与产业革命
罗尔特所著《詹姆斯·瓦特》中，曾写道：
“瓦特蒸汽机巨大的、不知疲倦的威力使生产方法以过去所不能想象的规模走上了机械化道路。
2．机动车辆常见的两种启动过程
对于汽车或机车等交通工具，在静止开始启动的过程中，发动机的输出功率、牵引力和速度的关系满足公式P＝F·v，在P、F、v三个物理量中，若保持一个量不变，当另一个量变化时，第三个量也随之变化。
关于汽车的启动过程是一个较为复杂的物理过程，下面我们就两种常见的启动过程分析如下：
①汽车（或机车）以恒定的功率启动和行驶过程（请把握教材的难度和课标的难度）
汽车牵引功率保持恒定时，由P=FV可知，牵引力大小与速度成反比。
结合牛顿第二定律F–f=ma可知，汽车以恒定功率启动的过程，随着汽车速度V的逐渐增大，汽车的加速度逐渐减小，直至加速度等于0，最后汽车做匀速运动。
思考：
当汽车在平直公路行驶时，前方遇到了一段较徒的上坡路段，汽车司机应做好什么调整，才能确保汽车驶到坡顶？
只靠加大油门能否顺利到达坡顶？
②机车以恒定的牵引力启动的过程：
机车做的是加速度a=（F-f）/m的匀加速直线运动，汽车的输出功率P随汽车速度增大而增大，直至汽车输出功率等于额定功率，匀加速过程结束。
接着汽车保持功率不变，汽车通过减少牵引力，进一步提高速度，直到加速度a＝0，最后做匀速行驶运动。
这一过程中各量的变化，可用下列流程图来表示。
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