第2节 能量转化的量度（4课时）[上学期]

第2节　能量转化的量度（4课时）
教学目标：1、理解功的概念，知道功的两个必要的因素。理解能的转化跟做功的关系
　　　　　2、知道功的计算公式，知道功的单位，初步掌握功的计算方法
　　　　　3、知道功率的概念，知道用功率来描述做功的快慢，知道功率的单位，初
步掌握功率的计算方法
重点难点：功的概念的内涵和外延　能量转化的量度：功、功率
教学过程：　　　　　　　　
　第1课时
引入：上课前，我先给大家讲一则故事：大华同学是一个品学兼优的学生。在完成了规定的学习任务后经常干一些力所能及的家务。一个星期天，大华上午买了30斤大米，吃好中饭以后又帮助妈妈收拾碗筷，接着又去井边帮爸爸把已打好的一大桶水提回家，累得满头大汗。大华的爸爸是个物理教师。他帮大华擦了擦汗说：“孩子，好样的！”，接着又话锋一转，“但从力学的角度来看，基本上没有做功”。大华百思不得其解。那么怎样才算“做功”？在力学上“做功”的含义是什么？怎样计算做功的多少？这节课我们就来学习研究这些问题。
以举重、马拉车为例，说明能量的相互转化（举重：化学能→ 势能；马拉车：化学能→动能和热能），并引出能量转化的量度――功
一、功
读图并思考：从力和运动角度分析，举重运动员向上举起杠铃和马向前拉车两种情景有什么共同的特点？
　――杠铃和马车都受到力的作用，并且在力的方向上都发生了移动。
[演示]（1）用手沿水平方向推一辆放在水平桌面上的小车，小车在力的作用下前进了一段距离，力学中就说，手对小车做了功。（出示图1讲解演示实验）
（2）继续讲解起重机起吊重物（图2），对重物有向上的拉力，重物在拉力F的作用下升高一段距离s，力学中就说，起重机对重物做了功。
请同学们归纳一下，上述两例有什么共同点和不同点？（引导启发）
共同点——有作用力，在力的方向上通过一定距离。
不同点——力的方向，施力物体。
通过以上总结，我们应建立这样一个概念：物体在力的作用下，在力的方向上通过一段距离s，那么力对物体就做了功，不管是在水平方向，还是在竖直方向上，不管施加力的物体是人还是机械。
1、功：物体受到力的作用，并且在这个力的方向上通过一段距离，我们就说这个力对该物体做了功。力做功也常说成物体做功。如果物体移动的方向与力的方向相反，则称物体克服该力做功。
人、起重机都对物体做了功，请两位同学分别分析回答功究竟由哪两个因素决定？
由以上分析可知，不管是在水平方向，还是在竖直方向，功都由作用在物体上的力和物体在力的方向上通过的距离这二个必要因素决定的。
2、做功的两个必要因素：（1）作用在物体上的力；（2）物体在力的方向上通过的距离
在光滑的水平面上，一钢球由惯性运动了一段距离s，见图3
请同学们分析一下在这段匀速运动过程中有没有力对钢球做功。提议先对小球的受力情况进行分析，再逐步确定没有力对小球做功。
[小实验]分别请三位同学上讲台托一本字典。甲同学手托字典，竖直上升一段距离，乙同学手托字典水平前进一段距离，丙同学手托字典不动。在教师指导下学生展开讨论分析他们对字典的做功情况。
根据以上的一些例子我们一起来归纳一下几种不做功的情况：
⑴物体没有受到力的作用，但因为惯性通过一段距离；（F=0）
⑵物体受到力的作用，但没有移动距离；（s=0）
⑶物体受到了力的作用，同时也运动了一段路程，但在力的方向上没有通过距离；（力和通过的距离方向垂直）（F⊥s）
所以力学中的“做功”与日常生活中的“工作”不完全一样，平常我们所说的“工作”是对一切消耗体力和脑力劳动的总称。“做功”比“工作”的涵义要狭窄且严格得多。譬如一个人在水平地面担了一天水，他当然是工作了，但从力学角度来说，他基本上没有对水做功。
设问：现在你能帮故事中的大华解释他爸爸的话了吗？
大华不管是扛米还是提水对物体施加力都是竖直向上的，而他通过的距离都是水平的。当然当他把米从地上扛离，把水桶从地上提起时做了功。
＊注：1、要搞清楚是什么物体用力，什么物体受力，在力的方向上产生了什么效果。
2、要注意做功与“做工”和“工作”的区别。
3、功必须具备两个要素（力和力的方向上通过的距离）
深入分析与讨论：
（1）某同学提着一桶水走上二楼，这位同学对水桶做不做功？
（2）这位同学提着一桶水在二楼沿水平走廊走了50米，在这一段路程上这位同学对水桶做不做功？
（3）李名同学在上学的路上，看到一汽车翻倒在路中央，它和师傅一起用尽全力推车，结果车子纹丝不动，李明对这个汽车做了功吗？
（4）小王用力踢足球，足球离脚后在草地上滚动了很长的距离，在这段距离上，小王对足球做了功吗？
3、功的计算
由图甲可知，用力把一木板提升1米做了一定的功，图乙把同样三块木板提升1米高，拉力做多少功？把一块木板提升3米呢？（见图丙）
从以上分析可知，在通过相同的距离时，作用在物体上的力越大，做功越大；作用在物体上的力相等时，物体在力的方向上通过的距离越大，则做功越大。即功的大小跟作用在物体上的力成正比，还跟物体在力的方向上通过的距离成正比。在力学中规定：
（1）功的大小：功等于力和物体在力的方向上通过的距离的乘积。
（2）计算公式：功=力×距离，即W=Fs
（3）功的单位：焦耳，简称焦（J） 1焦=1牛 米
（体会1焦的大小：把2个鸡蛋举高1米，做的功大约是1焦）（介绍人物焦耳）
例题：一物体重100牛，把该物体从地面匀速提到高为1米的桌面上，需要做多少功？如果将这个物体沿水平方向用50牛的力，沿水平地面拖动10米，需要做多少功？
*注：计算时需注意的问题：
1、 分清是哪个力对物体做的功，计算功时的F就是这个力
2、 计算时要注意F与S同物、同时、同向
3、 提升物体所做的功常直接用W=Gh计算
4、 功的单位：功的单位是焦耳，简称“焦”
思考讨论：在上题中，哪些能量参与了转化，转化了多少？想想看，能量转化的“量”和“做功”有什么关系？
小结：做功的过程实质上就是能量转化的过程，力对物体做多少功，就有多少能量发生了转化。所以可以用功来量度能量转化的多少，能量单位与功的单位一样，也是焦耳。
4、功和能的关系
（1）能：物体具有做功的本领，就说物体具有能(单位：焦耳)
（2）做功的过程实质上就是能量转化的过程。
（3）功用来量度----能量转化的多少。
课堂练习：课本91页的“讨论”、课本88页的“思考”、课后练习1－3题 、自编两道“劳而无功”的习题。
作业布置
第2课时 功的习题
功 姓名
1、功包括两个必要因素： 和
2、功等于_______和物体_______________通过的距离 ________。计算公式： 功的单位： “1焦耳=1牛顿·米”的意义：
3、做功的实质：___________________________________________ _______。
4、关于功的概念，下列说法正确的是（ ）
A、只要有力作用在物体上，力就对物体做功?
B、 物体只要移动了距离就做了功?
C、 有力作用在物体上，物体又移动了距离，这个力就对物体做了功?
D 、有力作用在物体上，物体在力的方向上移动了距离，那么该力对物体做了功
5、以下说法正确的是（ ）
A、举重运动员举着杠铃不动，举力做了功
B、用力推桌子，但桌子没有动； C、重物竖直下落，重力做了功
D、小球在光滑水平桌面上移动了一段距离，支持力做了功
6、下列情况中，人有没有对所带的皮箱做功：（1）人用力提放在地上的皮箱，但没有提起（ ）（2）人再一次用力把箱子提起 （ ）（3）人用力提着皮箱在原地不动（ ）（4）人提着箱子在水平路面上走了50米（ ）（5）人提着箱子站在水平匀速行使的汽车上（ ）（6）人把箱子放在电梯上,电梯从1楼上升到10楼（ ）
7、大吊车起吊货物上升5米，是______力对______做了功。一块石头从悬崖边掉下，是______力对______做了功。射箭运动员，用弓把箭射出，是______力对______做了功。
8、在水平路面上拉质量是100千克的车，2分钟内匀速前进了10米，测出水平拉力是120牛，则拉力做功 焦，重力做功 焦。
9、奥运会举重冠军杨霞在比赛时，第一阶段把100kg的杠铃很快地举过头顶，第二阶段使杠铃在空中稳稳地停留了3秒，三名裁判都亮起了白灯，这次举重成功。关于她举重时对杠铃做功的情况，下列说法中正确的是（ ）
A、她在第一阶段没有做功 B、她在第二阶段没有做功
C、她在两个阶段内一直都在做功 D、她在两个阶段内一直都没有做功
10、如图14-3-1所示，三物体在相同的力F作用下沿力的方向移动了距离s，力对物体做功为W1、W2、W3，则W1、W2、W3的关系为
11、一人挑着重400牛的货物沿着长10米坡度为30度的斜坡匀速由坡底走到坡顶，他做的功为（ ） A、4000牛 B、2000牛 C、0 D、条件不足，无法计算
12、某同学用力将重为200牛的物体在水平地面上推动了10米，该同学做的功为（ ）
A、2000牛 B、0 C、大于2000牛 D、 条件不足，无法计算
13、小明用100 N的力猛踢一个静止在水平草地上的重为6 N的足球，球离脚后在草地上前进了25 m，则人对足球做的功是（ ）
A.0 J B.150 J C.2500 J D.条件不足，无法判断?
14、某足球运动员在水平方向用25牛的力，将10牛的球沿水平地面踢出，踢出后球在地面上滚了30米才停下来。在球滚动过程中，脚对球所做的功为（ ）
A、750焦 B、300焦 C、450焦 D、0
15、某同学把落在地面上的科学课本捡回课桌，他做的功最接近下列哪个值（ ）
A、0.2焦 B、2焦 C、20焦 D、200焦
16、有一段粗细均匀的圆木，重为G，用绳子绕过其中部（如图） F
绳子一端固定在圆木上，另一端在大小不变的水平拉力F的作用
下，拉着圆木沿水平地面匀速滚动一段距离S，在此过程中，拉力F所做的功是（ ）
A、FS B、（F+G）S C、2FS D、2（F+G）S
17、一质量为100 千克的小车, 在水平路面上匀速前进50米,拉力做功3.75×103焦耳, 则水平拉力是多大？重力做功多少？
18、举重运动员将60千克的杠铃举高2米，运动员对杠铃至少做多少功？
此时，杠铃的势能增加多少？
19、某轻型卡车和货物的总质量为3吨，在水平公路上以10米/秒的速度匀速前进，若汽车受到的阻力是车重的0.05倍，求1分钟内汽车发动机所做的功。
20、一个滑块质量2kg，在光滑斜面上由A滑到B，如图2所示。已知AB＝40cm,斜面对物体支持力是17N，求：在A到B的过程中，重力和支持力各做功多少？
21、子弹在枪膛内受火药爆炸后产生的气体的平均推力是800牛，子弹的质量为20克，枪膛长55厘米，射出后子弹在空中飞行了80米，则气体对子弹所做的功是多少？
22、有一矿井深100米，每分钟积水4.5立方米，为了不让水留在矿井里，则水泵每小时至少要做多少功？
第3课时
引入：在日常生活中和在生产实际中，对于生产设计和使用机械做功时必需要考虑的一个科学量。我们要通过几个典型问题的讨论，理解它，认识它的重要性。
【例1】 建筑工地上需要将1000块砖送到15米高的楼上。
　　方法如下： 1．人用筐将砖运送到楼上。 2．人用滑轮将砖运送到楼上。
　　 3．使用起重机将砖运送到楼上。
　　提问：以上三种方法所做功的情况有什么不同。（待学生思考不必要求立即回答）。
【例2】 一个人用通常的步伐走上三楼，或以快速地跑到三楼上。
　　提问：两种方法所做的功的情况有何不同。（要求同上题，先认真去思考，不必急于作答。）
【例3】展示两张图片
　　
对比上述三例，当人们完成一定的功时，存在着一个具体的实际问题是什么？
启发同学得出答案：物体做功有快、有慢。科学中用功率来表示物体做功的快慢
提问：如果起重机和工人做的功不同，做功用的时间也不同，如何比较它们做功的快慢？　　启发学生回答，教师总结。
　 　我们已经学过，速度是表示物体运动快慢的物理量。我们用单位时间里运动物体通过的路程表示运动的快慢，与此类似，做功的快慢是用单位时间里完成的功来表示的。二、功率
1、引入：反映该物体做功的快慢的科学量（功率也表示了能量转化的快慢）
2、定义：单位时间里完成的功叫功率。　　。
3、计算公式：(1)定义式：功率＝功/时间　　　P＝W/t
（2）推导式： （注意：F与v同方向！）（物体在拉力F的作用下，以速度v沿拉力的方向做匀速直线运动，则拉力做功的功率等于力与物体速度的乘积。在功率P一定时，力F与速度v成反比。当汽车上坡时，司机采取换档的办法，减小速度，以获得较大的牵引力。）
4、单位：瓦特（W） OR　　焦/秒　（J/s） OR 　牛·米/秒（N·m/s）
　　　――说明科学量的单位可以通过推导的公式来获得
1瓦特＝1焦耳/秒，1千瓦＝1000瓦，1兆瓦＝106瓦特。
参阅课本图3—15，对功率的单位形成具体观念。
介绍：功率是机器的主要技术性能之一，阅读P90例题上面一段文字。简要说明选购机器考虑它的功率时要从实际出发。
讨论：课本91页的“思考” （起重机每秒钟消耗的1.5×103焦的电能转化为货物的势能。货物的势能每秒钟增加1.5×103焦）。
家里的电灯有100瓦的，也有40瓦的，你能说说它们的区别吗？
【例题1】在建筑工地上要把1000块大理石板送到20米高处，已知每块大理石板重50牛用起重机可以在2分钟内将大理石板一次全部送到20米高处。如果用一个工人来背，把这些大理石板送到20米高处所用的时间是20小时，试求用这两种方法，把大理石板全部运送到20米高处，起重机和工人各做了多少功？功率分别是多大？
【例题2】课本90页例题
【例题3】高出水面30米处有一个容积是50米3的蓄水池，要用一台离心式水泵抽水给蓄水池，1小时能把水池充满即可，这台水泵的功率至少是多少千瓦？
教师要把此题分解为几个问题逐个提出，由一名学生板演，其他学生自己演算，要求解题规范化。
　　问题：① 50米3水的质量是多少千克？
　　② 50米3水重是多少牛？
　　③ 用一台水泵把50米3的水提升到距水面30米的一个水箱，这台离心式水泵完成了多少功？
　　④如果水泵把50米3的水抽到离水面30米高处用了1小时。求这台水泵的功率是多少瓦？合多少千瓦？
学生解答完以后教师讲评。
　　指出：根据已知条件和所求的物理量的基本公式，知道水泵是克服水重而做功，故在题内首先根据水的质量求出水重，这样再代入功率的基本公式中求功率。
　　为什么题目最后所求的是“功率至少是”多少千瓦？为什么不求等于多少或者求最大是多少千瓦。
　　这是因为在实际中水泵有轴功率和配套功率的区别，轴功率是指单独水泵本身所能完成的功率，如果按题内所求功率，只能满足轴功率，那么水泵是无法工作的，因为水泵必须同其它机器配合使用才能工作，所以配套功率是要大于轴功率的，这是否是功率越大越好呢？不是的，因为功率越大，必定耗电或耗油多，是不符合经济效益的。
【例题4】一辆汽车在平直公路上匀速行驶，速度为36千米/时，牵引力为6000牛，求①5分钟内汽车牵引力做的功；②汽车的功率。
5、课后练习第4题
布置作业
第4课时 功和功率练习
功和功率练习 姓名
1、下面哪种说法正确（　　 ）
A、做功越多，功率越大 B、做功时间越长，功率就越小
C、在相同时间内，功率越大，做的功越多 D、功率越大 ，做功越快
2、一台机器功率是1000瓦特，它的意思是（　　 ）。
Ａ、这台机器每次只能做1000焦耳的功；Ｂ、这台机器每小时能做1000焦耳的功；
Ｃ、这台机器每秒钟能做1000焦耳的功；Ｄ、这台机器每秒钟能做1000瓦特的功。
3、做功相同，只要比较 ，即可比较出做功的快慢， ，做功就快；时间相同，只要比较 ，即可比较出做功的快慢， ，做功就快；做功多少和做功时间都不相同时，比较 ，即可比较出做功的快慢， ，做功就快。
4、姚明和你都将一个重为200牛的物体从地上举到头顶，所用的时间相同。则你和姚明谁做的功多？谁的功率大？
5、功率是10千瓦的拖拉机, 它1 小时能做 焦耳的功；如果它1小时行驶3600米,它的发动机是牵引力是 牛。
6、一架起重机在1分钟之内将重3×105牛的物体匀速举高10米, 则起重机做的功是 焦耳, 功率是 千瓦。
7、一举重运动员将1500牛的杠铃在3秒钟内举高2米，然后在空中停留3秒钟，则他总过程做的功为 ，前3秒功率为 ，后3秒功率为 。
8、在学校跳绳比赛中，小红同学1分钟跳了120次，每次跳起的高度为5厘米，已知她的质量是40kg，那么小红同学跳绳时的平均功率为 ，跳一次做的功是 。
9、重100牛的物体在水平力F的作用下，5秒内沿水平面匀速前进4米，已知物体与水平面之间的滑动摩擦力为20牛，则力F对物体所做的功为 ，功率为 。
10、某人用30牛的竖直向上的力把重为10牛的物体向上移动了2米，该人做功
11、甲物体重100牛，乙物体重50牛，用20牛的水平拉力分别拉甲、乙两物体，使甲物体在粗糙水平面匀速移动10米，使乙物体在光滑水平面加速移动10米，则拉力对甲、乙两物体所做的功较多的是（ ）A、甲 B、乙 C、一样多 D、无法判断
12、甲、乙两个集装箱质量相同，用起重机将甲集装箱以0.5米/秒的速度提升10米，再将乙集装箱以1米/秒的速度提升相同的高度，那么起重机（ ）
A、第一次做的功多，功率大 B、第二次做的功多，功率大
C、两次做功一样多，功率一样大 D、两次做功一样多，第二次功率大
13、质量相同的甲、乙两同学，从一楼跑到五楼，甲用了3分钟，乙 用了2分钟，则两人所做的功W甲、W乙及做功的功率P甲、P乙大小比较（ ）
A、W甲＞W乙、P甲=P乙 B、W甲＜W乙、P甲＜P乙
C、W甲=W乙、P甲=P乙 D、W甲=W乙、P甲＜P乙
14、体重之比为9：10的甲、乙两位同学比赛爬山，从同一地点上同一目标，所用的时间比为6：5，他们爬山时的功率之比是
15、小明同学因上课迟到，一口气便从一楼跑到三楼，用时10秒，则他上楼过程中克服自己重力做功的功率最接近（　　　）Ａ、3W　Ｂ、30W　Ｃ、300W　Ｄ、3000W
16、在平直公路上以一般速度行驶的自行车所受阻力为车与人总重的0.02倍，则骑车人的功率最接近于（ ） A、100W B、1W C、1kW D、10kW
17、功率相等的两辆汽车，要相等的时间内匀速通过的距离之比为3：2，则（ ）
A、两辆汽车的牵引力之比为3：2 B、两辆汽车的牵引力之比为2：3
C、两辆汽车做功之比为3：2 D、两辆汽车做功之比为2：3
18、汽车上坡时，驾驶员通常要换成低档，以减少汽车行驶速度，这样做的目的是（ 　 ）Ａ、省油；　 Ｂ、增大摩擦；　Ｃ、安全；　Ｄ、增大爬坡的牵引力。
19、正常人的心脏推动血液流动的功率约为1.5瓦，在一小时内心脏可做功多少？这些功可将一60千克的人匀速举高多少米？
20、桑塔纳2000轿车的质量为1.6吨，它以108千米/时的速度在水平路面上匀速行驶20分钟，轿车受到的阻力为车重的0.1倍，求轿车在这段时间里， ①发动机的牵引力； ②发动机做的功；③发动机的功率。
21、电动自行车以其轻便、实用、环保的特点受到了消费者的青睐，某型号电动自行车以车速18千米/时沿水平路面上匀速行驶时，电动机输出的有用功率为180瓦。求①经过半小时，电动自行车行驶的距离是多少； ②电动机半小时内对电动自行车做的功是多少；③电动自行车行驶时受到的阻力是多少。
22、某风景点的瀑布每分钟有350米3的水从40米高处落下，如果利用这个瀑布对水轮机做功，功率是多少？
23、一辆汽车的发动机最大输出功率为100千瓦，它在水平公路上匀速行驶时，受到的阻力为4000牛，求汽车的最大速度是多少千米/小时？如果以54千米/小时的速度行驶时，遇到的阻力为3500牛，这时发动机的输出功率为多大？如果汽车的速度是36千米/小时，汽车的最大牵引力为多少？
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