高中物理必修課1教案——《力量》 一、教學(xué)內(nèi)容分析 1、內(nèi)容及現(xiàn)狀 《普通高中物理課程標準》公共必修模塊“物理2”中本節(jié)涉及的內(nèi)容標準是“了解動力，關(guān)心生產(chǎn)生活中常見機械動力的大小和意義。” 要求學(xué)生了解功率的概念并能夠計算功率； 分析汽車發(fā)動機功率一定時牽引力與車速的關(guān)系； 嘗試設(shè)計自己的實驗來測量人們在某些運動中的力量。 由于動力在生活和生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，因此在教學(xué)中可以充分利用這一優(yōu)勢，使抽象的物理概念充滿實際意義。 培養(yǎng)學(xué)生運用知識解決實際問題的能力，樹立正確的價值觀。 本課的教學(xué)應(yīng)以培養(yǎng)學(xué)生的思維能力為基礎(chǔ)，讓學(xué)生通過學(xué)習(xí)物理研究方法學(xué)會思考問題。 在建立“力”的概念時，讓學(xué)生體驗利用比率法建立新的物理概念。 對機車起動過程的分析，注重培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維，引導(dǎo)學(xué)生了解物理與社會生活的密切聯(lián)系，綜合運用動力學(xué)知識和動力概念來分析和解決問題。 通過學(xué)生設(shè)計實驗來衡量人的勞動能力，可以達到學(xué)以致用的目的，培養(yǎng)學(xué)生運用科學(xué)知識解決實際問題的能力。 2.教學(xué)目標：（1）通過實例體驗權(quán)力概念的形成過程和權(quán)力的現(xiàn)實意義，理解權(quán)力概念。 (2)從功率概念的定義出發(fā)，理解用比率法建立物理概念的方法。 (3)了解功率、力、速度之間的關(guān)系。
將使用兩個冪公式來解釋現(xiàn)象并進行計算。 (4)了解平均功率、瞬時功率、額定功率和實際功率之間的區(qū)別和聯(lián)系。 （五）具有敢于表達自己的意見、堅持原則、善于合作的好習(xí)慣。 3、重點難點：教學(xué)重點是理解權(quán)力概念； 難點在于理解功率、力和速度之間的關(guān)系，以及瞬時功率和平均功率的計算。 2、案例設(shè)計（1）新課程導(dǎo)入題：人們在生產(chǎn)、生活、工作中使用大量的機器進行作業(yè)。 完成工作的速度與人類直接完成的工作或畜力完成的工作有何不同？ 請舉個例子。 （引發(fā)學(xué)生思考，讓他們從日常生活中尋找做功的例子，思考機械做功與人力、畜力做功的區(qū)別。）做功是能量轉(zhuǎn)換的尺度，人們非常重視做功。完成的工作量。 然而，不同的機器或人以不同的速度執(zhí)行工作。 （分析一些生產(chǎn)案例、工作場景，或者展示一些不同工作速度的圖片。如果條件允許，可以通過多媒體手段將這些圖片和場景展示得更形象，讓學(xué)生對速度有更形象、更具體的認識）參考例子：①挖掘機和人，完成同樣的挖掘任務(wù)，人要花更長的時間。 ② 施工現(xiàn)場，磚、水泥等建筑材料必須移至屋頂。 與搬運工相比，起重機比工人快得多。 ③ 從井里提水，用泵比人工提水要快得多。 ④ 如果你住在高層建筑（比如8樓），把電帶到大樓比步行要快得多。
⑤拖拉機耕地速度比牛快得多等。列舉生產(chǎn)生活中發(fā)生的事例，讓學(xué)生認識到動力與生活生產(chǎn)密切相關(guān)、無處不在。 研究權(quán)力具有重要的現(xiàn)實意義。 解說：通過引導(dǎo)學(xué)生分析相關(guān)案例，初步形成共識：人們在選擇機器做工作時，不僅要考慮完成工作的量，還要考慮機器完成工作的速度。 例如，挖掘機的工作速度比人快； 大型卡車比拖拉機工作得更快； 拖拉機犁田的速度比牛快； 起重機比搬運工工作得更快； 水泵比卷揚機提水速度更快，等等。 研究工作速度具有重要的現(xiàn)實意義。 通過一個實際問題和具體數(shù)據(jù)，學(xué)生可以對做事的速度有一個感性的認識。 例如，在高層建筑中，需要將一批磚塊運輸?shù)礁邔咏ㄖ小?在運輸磚塊的過程中，起重機和運輸車的生產(chǎn)記錄如下表所示： 老師：不同的機器或物體執(zhí)行工作的速度或快或慢。 這個怎么做？ 衡量完成工作的速度怎么樣？ 請學(xué)生思考并提出解決方案。 （引導(dǎo)學(xué)生思考：如何比較物體做功的速度？討論時注意培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散性思維和批判性思維能力。）預(yù)測學(xué)生可能有以下答案：①選擇相同時間并比較完成了多少工作。 做更多工作的人會做得更快； ②選擇做同樣的工作，比較做這項工作的時間長短。 時間越長，工作就越慢。 ③ 與“速度”的定義類似，“功率”的定義是所做的功與完成該功所需的時間之比。 注意：學(xué)生提出的各種解決方案可能存在問題或不完整。 教師應(yīng)鼓勵學(xué)生在交流中補充和提高理解。
教學(xué)時注意引導(dǎo)學(xué)生對“速度”、“加速度”等概念的定義方法，理解用比率法定義的功率概念。 （二）新課程教學(xué) 1、功率 （1）定義公式：物理學(xué)中，物體做功W與完成做功所用時間t的比值，作為物體做功平均速度的衡量標準在那段時間內(nèi)。 即P=W/t (2) 物理意義：表示物體做功速度快慢的物理量。 (3) 單位：教師要求學(xué)生正確說出公式中各字母所代表的物理量及其單位。 P：功率，單位：瓦（W），常用單位是千瓦（kW） W：力做功，單位：焦耳（J） t：做功所需時間，單位：秒（s） 單位換算： 1kW=1000W1W=1J/s (4) 功率是一個標量，功率代表工作時能量轉(zhuǎn)換的速度。 （5）討論交流：小實驗：將一枚硬幣放在書的封面上，打開書的封面形成一個斜面，使硬幣開始滑落。 請同學(xué)們仔細分析。 硬幣在下落的過程中作用了多少力？ 哪些力量在發(fā)揮積極作用？ 哪些力做負功？ 哪些力不做功？ 如果斜坡的傾斜角度加大，情況會發(fā)生什么變化？ 當傾斜角度增大時，功率是否也會增大？ 溫馨提示：①比較不同傾斜角度下的威力時，需要注意的是硬幣開始滑動的高度要相同。 在討論權(quán)力時，重要的是要指出哪個勢力擁有權(quán)力。 ②在實驗的分析和討論中，需要注意的是，分析的是某一力的平均功率。 注重引導(dǎo)學(xué)生進行受力分析和工作分析。 他們可以利用權(quán)力的定義，進行理論推演，使自己的思維更加嚴謹。
（6）了解一些常見的機械功率 ①汽車發(fā)動機：5×104 W～15×104 W ②摩托車約2×103 W ③噴氣客機約2×108 W ④火箭發(fā)動機約1×1013 W ⑤人類平均功率約為1×102W，精英運動員的功率可以在短時間內(nèi)達到1000W。 ⑥人的心臟跳動功率約為1.5W。 ⑦萬噸級巨輪功率在106W以上。 ⑧藍鯨的游泳功率可達350kW等。 2、關(guān)于功率、力與速度關(guān)系的思考與討論：一輛汽車在道路上行駛時，滿載時和空載時的速度相同。 嘗試討論這兩種情況下汽車的輸出功率是否相同？ 為什么？ 預(yù)測學(xué)生會回答：①卡車與地面的摩擦力大，牽引力也大。 由于行駛速度相同高中物理必修2功率，相同時間內(nèi)卡車的牽引力做的功較多，因此卡車的輸出功率較大。 ② 滿載的卡車比空車行駛得慢，因此功率較小。 ③滿載的卡車比空車需要更多的力，因此滿載的卡車的輸出功率比空車的輸出功率大。 注：以上分析和討論的目的是啟發(fā)學(xué)生思考力量與力和速度之間的關(guān)系。 學(xué)生的分析可能會導(dǎo)致片面和不完整的答案。 教師要參與學(xué)生的討論和分析，幫助、啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生形成正確的認識。 （正確答案應(yīng)該是①）。 教師還可以根據(jù)課堂需要，提出一些問題供學(xué)生進一步討論，例如汽車上坡和下坡時，汽車的功率、速度和牽引力會發(fā)生怎樣的變化？ 然后，教師引導(dǎo)學(xué)生思考如何計算牽引力。
（讓學(xué)生根據(jù)所學(xué)的知識和功率的定義進行推演，培養(yǎng)良好的科學(xué)思維能力和思維習(xí)慣）提出問題：一輛汽車在筆直的道路上勻速直線行駛。 已知其牽引力為F，行駛速度為V，此時汽車的牽引力F的功率為多少？ 注重誘導(dǎo)學(xué)生思考解決問題的思路，并運用功、權(quán)力的定義進行分析和推導(dǎo)。 課堂分析結(jié)果：P=F·v，即力F的冪等于力F與物體速度v的乘積。注：這里的F是速度V方向的力。分析討論：V=S/t計算出的就是物體在t時間內(nèi)的平均速度。 代入公式P=Fv計算出的功率即為F在t時刻的平均功率； 如果t足夠小，則V表示瞬時速度。 此時，由P=Fv得到的功率就是F此時的瞬時功率。 即當V為平均速度時，獲得的功率為平均功率，當V為瞬時速度時，獲得的功率為瞬時功率。 （1）總結(jié)：①平均功率P=Fv（v為平均速度）②瞬時功率P=Fv（v為瞬時速度）③如果物體以勻速直線運動，由于瞬時速度相等對于平均速度來說，此時的平均速度功率等于瞬時功率。 交流討論問題：公式計算的是瞬時功率還是平均功率？ 經(jīng)過小組討論，學(xué)生得出結(jié)論：公式計算出的功率反映了力在t時間內(nèi)做功的平均速度，因此公式計算出的功率就是平均功率。 （2）額定功率和實際功率的理解問題：人力直接做功能像汽車做功一樣快嗎？ 汽車的運轉(zhuǎn)速度與飛機的運轉(zhuǎn)速度一樣快嗎？ 如果一個人做事太快會產(chǎn)生什么后果？ 汽車超載有什么后果？ （人們工作速度太快會導(dǎo)致疲勞，甚至受傷、生病等。汽車超載會導(dǎo)致發(fā)動機熄火或燒毀。
) 問：奧運會長跑運動員可以用百米沖刺的速度完成5000米比賽嗎？ 為什么？ 提示：奧運會是一項挑戰(zhàn)體育極限的競賽。 人類和機器一樣，不能長時間超負荷運動。 在百米賽跑中，短跑運動員只需十秒就能以最快速度跑完全程。 此時，運動員的輸出功率比平時高出數(shù)十倍。 在5000米長跑中，運動員不能長時間超負荷高中物理必修2功率，因此長跑運動員不能始終保持100米比賽的速度。 注：本題的目的是讓學(xué)生通過思考身邊熟悉的問題，理解額定功率和實際功率的概念以及概念的含義。 ①額定功率：指動力機械長期正常工作時的最大輸出功率。 也是機械發(fā)動機銘牌上的標稱值。 額定功率是動力機械的重要性能指標。 動力機械的額定功率是一定的。 ② 實際功率：機器運行時的功率為實際功率。 實際功率可以小于額定功率或等于其額定功率（稱為滿載運行），但不能大于額定功率，否則會損壞機器。 ③很多機器的銘牌上都標有機器的額定功率。 請記錄家里電器設(shè)備的額定功率，計算一下家里每臺機器每天做多少功？ 它消耗多少電量？ 哪臺機器最耗電？ 請同學(xué)們多多交流。 (3)當汽車發(fā)動機功率一定時，牽引力與車速的關(guān)系。 當小車輸出功率一定時，根據(jù)公式P=FV，可知物體的移動速度V與牽引力F成反比，如果小車需要較大的牽引力，則必須減少運動速度。
思考：汽車在額定功率的直路上行駛時，如果汽車前面遇到比較陡的上坡路段，駕駛員應(yīng)該做哪些調(diào)整才能保證汽車到達坡頂？ 為什么？ 學(xué)生可能會回答：①加大油門，汽車就能順利到達坡頂。 ②汽車需要換檔才能順利行駛到坡頂。 師生共同分析：①根據(jù)P=FV，小車以額定功率運行。 由于上坡路，汽車所需的牽引力增加。 保持行駛速度不變是不可能的； 加大油門，只會增加發(fā)動機的輸出功率（超過額定功率），而發(fā)動機會因過載而過熱而損壞。 ② 這是正確的操作方法。 當駕駛員降低發(fā)動機轉(zhuǎn)速時，速度降低，牽引力增加。 只要牽引力足夠，汽車就能順利上坡。 思考：汽車等交通工具如何才能達到更快的行駛速度？ 3. 學(xué)生進行功率測量活動。 （建議課后安排） 問：如何知道自己在某項運動中的功力？ 要求學(xué)生設(shè)計測量計劃并進行實際測量。 說明：鼓勵積極思考，設(shè)計可行的解決方案，動腦動手，體驗科學(xué)的實驗方法，感受實驗結(jié)果的樂趣。 實驗方案舉例：（讓學(xué)生根據(jù)自己的情況設(shè)計實驗）方案一：學(xué)生快速跑上樓，測量做功的最大功率。 選項 2：估計學(xué)生自己每天上樓或爬山的力量。 方案3：設(shè)計沿著某根竹竿或樹桿爬上一定高度來測量工作功率。 選項4：使用跳繩來測量工作功率。
方案五：計算你舉起杠鈴時的最大力量（需要同學(xué)幫助） 說明：①關(guān)于實驗方案、原理、設(shè)備、數(shù)據(jù)測量和學(xué)生協(xié)作，讓學(xué)生自行討論和分工，從而培養(yǎng)學(xué)生的實驗?zāi)芰Γ瑸閷W(xué)生提供合作與交流的機會。 ②方案選定后，要注意引導(dǎo)學(xué)生如何找功找動力，需要選擇哪些實驗設(shè)備，需要測量哪些物理量？ 測量是否存在誤差，如何測量更準確？ ③按照學(xué)生設(shè)計的方案組織學(xué)生進行實驗。 最后，學(xué)生可以通過實物展臺交流和匯報實驗結(jié)果，師生共同觀看，最后可以進行評選活動。 ④活動的目的是培養(yǎng)學(xué)生運用物理知識解決實際問題的能力，通過親身實驗內(nèi)化知識、提高能力。 同時也培養(yǎng)了學(xué)生在實驗過程中嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度。 三、案例分析 本案例的教學(xué)設(shè)計體現(xiàn)了物理知識來源于生活，應(yīng)用于生活。 “電”與生活、生產(chǎn)密切相關(guān)。 在介紹功率、額定功率、實際功率等概念時，注重通過生產(chǎn)、生活的具體實例進行介紹，使原本枯燥的概念教學(xué)變得生動有趣，使學(xué)生容易理解和理解功率的概念。 “動力”有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。 在知識形成過程中，重點引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)思維方法，理解比例法在界定“力量”概念中的作用，提高學(xué)生應(yīng)用科學(xué)思維方法解決問題的能力。 通過設(shè)計實驗來測量人在某些運動中的工作力量，可以內(nèi)化和強化對物理概念和物理定律的理解，實現(xiàn)知識從理論到實踐的轉(zhuǎn)化，加強物理與生活、生產(chǎn)和技術(shù)的聯(lián)系。
在整個《力量》的教學(xué)過程中，始終關(guān)注“生活與物理、物理與社會”的關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生關(guān)注物理的技術(shù)應(yīng)用，形成將物理知識運用到生活和生產(chǎn)中的意識明確了教育學(xué)生知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀的課程理念。 四、相關(guān)鏈接 1、瓦特生平簡介：詹姆斯·瓦特（James Watt，1736-1819）是一位蘇格蘭發(fā)明家。 1736 年 1 月 19 日出生于蘇格蘭格林諾克。 瓦特童年時就讀于文法學(xué)校，但沒有接受系統(tǒng)的教育。 瓦特在父親工作的工廠里學(xué)到了很多機械制造知識，后來又在倫敦的一家鐘表店當學(xué)徒。 1763年，瓦特到格拉斯大學(xué)工作，修理教學(xué)設(shè)備。 在大學(xué)里他經(jīng)常與教授討論理論和技術(shù)問題。 1781年，瓦特制造了一臺雙作用蒸汽機，從兩側(cè)推動活塞。 1785年，他還因其對蒸汽機改進的重大貢獻而被選為英國皇家學(xué)會會員。 瓦特于 1819 年 8 月 25 日在伯明翰附近的希斯菲爾德去世。 科學(xué)成就 1763 年，瓦特修復(fù)了格拉斯哥大學(xué)的紐科門泵。 他能夠仔細研究結(jié)構(gòu)和工作原理，找到了熱損失和消耗大量燃料問題的癥結(jié)所在。 他最終想出了在氣缸之外加裝冷凝器的想法。 在氣缸外側(cè)安裝了隔熱套，使其保持高溫，新型蒸汽機的效率大大提高。 瓦特對自己的成就并不滿意。 1781年，他制造了雙作用蒸汽機，從氣缸兩側(cè)推動活塞，并利用曲柄機構(gòu)將往復(fù)直線運動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動。
瓦特還設(shè)計了離心調(diào)速器，利用反饋原理來控制蒸汽機的速度。 經(jīng)過一系列改革，蒸汽機很快被各個工業(yè)部門采用，為工業(yè)革命鋪平了道路。 蒸汽機車加速了 19 世紀的交通運輸。 蒸汽機→汽輪機→發(fā)電機，蒸汽為第二次工業(yè)革命，即電力的發(fā)展鋪平了道路。 有趣的軼事：瓦特和茶壺的童年故事 一天晚上，瓦特正在家里和一個小女孩喝茶。 瓦特不停地擺弄著茶壺的蓋子，打開又合上一會兒。 當他堵住茶壺嘴時，蒸汽將壺蓋推開。 站在一旁的奶奶對瓦特?zé)o聊的行為極為不滿，斥責(zé)了他。 瓦特并不介意。 他思考著蒸汽的力量，從那時起他就產(chǎn)生了制造蒸汽機的想法。 蒸汽機與工業(yè)革命 羅爾特曾在《詹姆斯·瓦特》中寫道：“瓦特蒸汽機的巨大而不知疲倦的力量，使生產(chǎn)方式機械化到了過去難以想象的規(guī)模。 2.機動車輛 兩種常見的啟動過程 對于諸如汽車或摩托車在靜止起步過程中，發(fā)動機的輸出功率、牽引力和車速之間的關(guān)系滿足公式P=F·v，三個物理量P、F、v中，若保留其中一個量常數(shù)，當其他量變化時，第三個量也會變化。汽車的啟動過程是一個比較復(fù)雜的物理過程，下面我們對兩種常見的啟動過程進行分析如下：①汽車（或摩托車）啟動行駛時在功率恒定的情況下（請把握教材的難度和課程標準的難度），當汽車的牽引功率保持恒定時，由P=FV可以看出，牽引力與速度成反比。
結(jié)合牛頓第二定律F-f=ma可以看出，當小車恒功率啟動時，隨著小車速度V逐漸增大，小車的加速度逐漸減小，直至加速度等于0，最后小車以均勻的速度。 思考：當汽車在筆直道路上行駛，遇到前方陡峭的上坡路段時，駕駛員應(yīng)該做哪些調(diào)整才能保證汽車到達坡頂？ 僅僅加大油門就能成功到達坡頂嗎？ ②機車恒牽引起動過程：機車作勻加速直線運動，加速度a=(Ff)/m。 小車的輸出功率P隨著小車速度的增加而增加，直到小車的輸出功率等于額定功率。 勻加速過程結(jié)束。 然后小車保持功率不變，通過減小牽引力進一步提高速度，直至加速度a=0，最后勻速行駛。 這個過程中各個量的變化可以用下面的流程圖來表示。
