第十五章《功和机械能》.docx
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第十五章《功和机械能》
第十五章《功和机械能》
第一节：
功
教学目标：
⒈理解做功的两个必要因素。
认识在什么情况下力对物体做了功，在什么情况下没有做功。
⒉理解计算功的公式和单位，并会用功的公式进行简单计算。
⒊常识性了解功的原理。
知道使用任何机械都不省功。
会应用功的原理进行简单的计算。
⒋利用不同的研究方法得到功的原理，培养学生的逻辑推理能力。
教学重点
做功的两个必要因素
教学难点
⒈运用公式W＝FS计算机械功
⒉实验结论的归纳得出功的原理
教学方法讲授法、自学指导法实验探索法
教学用具木块、木板、细绳，小车杠杆和支架、钩码、滑轮、细线、刻度尺
课时安排2课时
教学步骤
一、导入新课复习提问
⒈力的三要素是什么？
⒉力能产生哪些作用效果？
二、引入
在物理学中，当一个力作用在物体上，物体在这个力的作用下在力的方向上通过了一段距离，我们就说这个力有了成效。
在物理学里，经常要提到“功”的概念，就吸收了“成效”的意思，当然在物理学中功还有它特殊的含义。
三、新课教学力学中的“功”
㈠、学生自学本节课文第一、二自然段，并参看图及图注。
提问并由学生回答讨论以下问题：
⑴力学里所说的“功”，它的含义是什么？
当一个力作用在物体上，物体在这个力的作用下通过一段距离，力学里就说这个力对物体做了功。
⑵分析图1，做功的实例：
在什么力作用下，（这个力的方向是怎样？
）沿什么方向移动通过了一段距离？
什么力对物体做了功？
⑶力学里的功包括哪两个必要因素？
力学里的功包括两个必要因素：
一是作用在物体上的力，二是物体在力的方向上通过的距离。
强调：
“两个必要因素”的含义是指“缺一不可”。
只有作用在物体上的力，而没有物体在力的方向上通过的距离，即如果物体仍静止不动，这个力就没有对物体做功。
结合课本图2，分析两个小朋友做的功等于零的道理。
如果物体靠惯性做匀速直线运动，虽然在水平方向上通过了距离，但并没有水平方向的力作用于它，所以没有什么力做功。
结合“在极光滑的水平冰面上滑动的冰球”一例，说明没有什么力对冰球做功。
⑷练习、分析并演示以下问题，讨论力对物体是否做功？
①放在水平木板上的小车，在水平拉力作用下前进了一段距离，拉力和重力这两个力哪个力对物体做了功？
为什么？
②用手提着木块不动，木块受几个力的作用？
哪个力对木块做了功？
③用沿水平的拉力拉动小车在水平木板上前进。
当把拉力去掉后，小车还向前运动一段距离，在这段距离上，拉力对小车做功了吗？
通过以上问题的讨论，进一步理解做功的两个必要因素。
研究力对物体做功时，要分清哪个力对物体做功，或者哪个物体（施力物体）对哪个物体（受力物体）做功。
㈡、功的计算
⒈演示，画板图如图并加以分析。
放在水平面上的小车，在水平拉力作用下前进一段距离，如图1所示，拉力对小车做了功。
甲：
拉力为F，小车在拉力方向上通过的距离是s，拉力对小车做功；
乙：
拉力为2F，小车在拉力方向上通过的距离是s，拉力做的功是甲图中拉力所做功的2倍。
丙：
拉力为2F，小车在拉力方向上通过的距离是2s，拉力做的功是甲图中拉力所做功的4倍。
小结：
可见力越大，使物体移动的距离越大，做的功越多。
功的大小跟作用在物体上的力成正比，跟物体通过的距离成正比。
⒉功的计算公式
功＝力×距离；即：
功等于力与物体在力的方向上通过的距离的乘积。
用W表示功，用F表示力，s表示物体在力的方向上通过的距离，则功的公式可写成：
W＝FS
⒊功的单位
在国际单位制中，力的单位是牛顿（N），距离的单位是米（m），功的单位是牛顿·米，它有一个专用名称叫焦耳，简称焦（J）。
1焦＝１牛·米
在应用杠杆平衡条件计算时，力和力臂的积的单位时“N•m”，不能写成“J”，这两个单位的物理意义有所不同。
几点说明
①使用W＝F·s，要注意单位的统一。
②做功的多少只由W＝F·s决定，跟物体是做匀速直线运动还是做变速运动无关。
③知道1焦的物理意义，知道1焦的大小。
⒋例题：
课本P105，求推箱子的小朋友做了多少功？
举箱子的小朋友做了多少功？
由一名学生板演，其他学生自己演算。
要求解题规范化。
W1＝F·s＝50牛×10米＝500焦
匀速举高箱子，箱子受到两个力，G和F´，F´＝G
W2＝F´h＝100N×1.5m＝150J
追问：
此题中木箱受到几个力的作用？
哪个力做了功？
对什么物体做功？
重力做了功没有？
为什么？
学生回答，教师小结。
㈢、小结
⒈力学里的功包括两个必要因素：
一是作用在物体上的力，二是物体在力的方向上通过的距离。
⒉功等于力与物体在力的方向上通过的距离的乘积。
W＝F·s
⒊功的单位是牛顿·米，它有一个专用名称叫焦耳，简称焦（J）
四、实验研究 研究内容：
使用机械能不能省功？
⒈杠杆实验
⑴实验目的：
研究使用杠杆提升重物时能不能省功？
即手直接提升重物做的功与利用杠杆提升重物做的功是否相等。
⑵实验中动力就是手的拉力，阻力的大小等于钩码重。
实验是利用杠杆的平衡条件算出手对杠杆的拉力。
实验中手的拉力方向始终要竖直向上，重力方向始终竖直向下，所以它们做功的距离是沿力的方向的距离。
把两个刻度尺分别竖直放在砝码及手旁，记下砝码和手的起始位置。
当用杠杆提升砝码到一定高度时，再记下砝码和手的终了位置，求出砝码升高的高度h（米）和手移动的距离s（米）。
实验中，杠杆的重及杠杆在运动中的摩擦力忽略不计，实验研究的是理想机械。
⑶按课文实验1，并参照图组装实验器材，将实验结果填入数据表格中，写出实验结论。
⒉动滑轮实验
⑴实验目的：
研究使用动滑轮提升重物时能不能省功？
即手直接提升重物做的功与利用动滑轮提升重物做的功是否相等。
⑵实验中动力就是手的拉力，阻力的大小等于钩码重。
图，实验是利用杠杆的平衡条件算出手对杠杆的拉力。
实验中手的拉力方向始终要竖直向上，重力方向始终竖直向下，所以它们做功的距离是沿力的方向的距离。
把两个刻度尺分别竖直放在砝码及手旁，记下砝码和手的起始位置。
当用动滑轮提升砝码到一定高度时，再记下砝码和手的终了位置，求出砝码升高的高度h（米）和手移动的距离s（米）。
实验中，动滑轮的重及滑轮在运动中的摩擦力忽略不计，实验研究的是理想机械。
⑶按课文实验2，并参照图14—5组装实验器材，将实验结果填入数据表格中，写出实验结论。
⒊总结实验结论
⑴学生报告实验记录数值和实验结论。
教师将几组数值记于黑板一或事先画好表格的小黑板）上。
⑵实验表明：
利用杠杆提升砝码，使用杠杆所做的功F·s（焦）和直接用手所做的功G·h（焦）相等，即使用杠杆不能省功。
利用动滑轮提起砝码，使用滑轮做的功F·s和直接用手所做的功G·h相等，即使用动滑轮也不能省功。
⑶总结出功的原理：
①使用机械时，人们直接用手做的功，都等于使用机械做的功。
使用任何机械都不能省功，这个结论叫做功的原理。
②功的原理对任何机械都适用。
⒋思维发散：
使用任何机械都不省功，为什么人们还要使用机械呢？
（课文后“想想议议”）
因为使用机械可以改变动力的大小、方向和动力作用点移动的距离，使用机械还可以改变做功的快慢，使用机械还能比较方便的完成人们不方便完成的工作等，使用机械有很多好处。
⒌斜面
⑴斜面也是一种简单机械，例如在向卡车上装中的货物时，常用木板搭成一个斜面，把重物推上去；爬坡度很陡的山，人感到很吃力，要是沿着盘山公路走就不会感到吃力，可见使用斜面可以省力。
根据功的原理，可知使用斜面不省功，省了力就要多费距离。
⑵学生练习：
试证明斜面的长度是斜面高度的几倍，所用的推力就是物体重力的几分之一。
⒍小结
⑴功的原理：
使用任何机械都不能省功。
动力对机械做的功等于机械克服阻力所做的功；
⑵斜面：
使用斜面可以省力，斜面的长度是斜面高度的几倍，所用的推力就是物体重力的几分之一。
五、总结
六、作业处理：
七、反思：
第二节：
机械效率
教学目标
⒈知道什么是有用功、额外功和总功。
⒉知道什么叫机械效率，知道计算公式。
知道机械效率总小于1。
⒊知道提高机械效率的意义和主要方法。
⒋学习组装滑轮组和会测滑轮组的机械效率；
⒌通过学生实验，使学生进一步明确机械效率取决于有用功在总功里所占的百分比，从而了解提高机械效率的途径。
教学重点
⒈使用任何机械都要做额外功
⒉滑轮组的组装，重物上升距离、绳端通过距离的测量
教学难点
⒈有用功、总功的正确判断，理解效率的物理意义
⒉实验的原理
教学方法讲授法实验法
教学用具滑轮、钩码、线、弹簧秤、铁架台、刻度尺
课时安排2课时
教学步骤
一、导入新课复习提问
做功的因素是什么？
功的原理是什么？
二、引入
功的原理告诉我们，使用任何机械都不能省功，实际上使用机械还要多做功。
例如用动滑轮提升重物时，把滑轮本身也提起来了，滑轮受到重力作用，也发生了一段距离，对滑轮也有做功。
另外滑轮与绳子之间存在着摩擦，克服阻力也要多做功。
在利用机械做功时，我们所需的只是其中的一部分，而额外要多做的功也占一部分，那么机械做功就存在一个效率问题。
三、新课教学有用功、额外功、总功
⒈演示实验：
用弹簧秤匀速拉动绳端，使重物G升高。
从弹簧秤读出拉力F的值，用刻度尺测出重物提升的高度h和弹簧秤移动的距离s。
实验数值G＝5牛，h＝0.5米，F＝3牛，s＝1米
弹簧秤的拉力（动力）对动滑轮做的功：
W动＝F·s＝3牛×1米＝3焦
提高重物，动滑轮克服阻力做的功：
W阻＝G·h＝5牛×0.5米＝2.5焦
⒉提问：
由实验可以看到W动＞W阻，这是为什么？
前面研究简单机械和功的原理时，我们没有考虑摩擦，没有考虑使用动滑轮提升重物时动滑轮本身重等因素，是理想情况。
实际上，我们用动滑轮等简单机械提升重物时，由于要克服摩擦以及不得不把动滑轮一起提升，这时我们用的力（动力）就比没有摩擦时要大（该实验中，理想情况下拉力是2.5牛，而实际的拉力是3牛）。
做的功要比没有摩擦时大一些（该实验中，不考虑摩擦时动力做的功是2.5焦，而实际动力对滑轮做的功是3焦）。
⒊小结
①有用功（W有用）：
利用机械工作时对人们有用的功叫有用功。
在用动滑轮提高重物的实验中，用来提高物体的功对我们是有用的，是必须做的。
本实验中的有用功W有＝G·h＝5牛×0.5米＝2.5焦。
②额外功（W额外）：
对人们没有用，但又不得不做的功叫做额外功。
本实验中，用来克服摩擦做的功、把动滑轮提升0.5米做的功对我们没有用，但又不得不做的功，这种功叫额外功。
使用任何机械做额外功是不可避免的。
③总功（W总）：
有用功与额外功的总和叫总功。
有用功加额外功是总共做的功，叫总功。
本实验中总功W总＝F·s＝F·2h＝3牛×1米＝3焦。
本实验中做的额外功W额外＝W总－W有用＝3焦－2.5焦＝0.5焦。
④判断有用功、额外功
判断有用功、额外功要看做功的过程中，我们想达到的目的是什么，实现这一目的所做的功就是有用功。
其余部分就是额外功。
例如：
用桶打水，提水的功是有用功，提桶的功是额外功；水里捞桶，提桶的功是有用功，提水的功是额外功。
⑤练习：
计算图中三种不同方法将沙子运上三楼所做的有用功，额外功和总功。
以加深对概念的理解。
四、机械效率
⒈根据以上实验，你能算出有用功在总功中占的百分比吗？
⒉定义：
有用功跟总功的比值叫机械效率，即有用功占总功的百分比。
⒊公式：
⒋有用功总小于总功，所以机械效率总小于1
⒌练习：
某起重机的机械效率是70%，它表示什么意思？
答：
使用起重机提升重物时所做的有用功跟总功的比值是70%，也可以说有用功在总功中占有70%，另30％做的是额外功。
⒍提高机械效率
阅读课本提高机械效率一段，小结要点，指出采取减小额外
功是提高机械效率的有效方法。
⒎例题解析
每个动滑轮重力为3N，用右图两种滑轮组来提升
重物G，哪些功是有用功、哪些功是总功？
哪个滑轮
组机械效率高，为什么？
分析：
提升重物G升高h，这一部分功为有用功；绳
子末端在力F作用下通过S的距离，这个功是总功。
W有用
＝Gh，两个滑轮组的W有用相同。
S1＝3h，S2＝5h，则总功
分别为W总1＝3F1h，W总2＝5F2h。
其中乙滑轮组要提升的滑
轮数量更多，做的额外功也较多，所以甲滑轮组机械效率较大。
五、实验学习组装滑轮组和测滑轮组的机械效率
⒈实验原理
用滑轮组提升重物G升高h是做功的目的，这一部分功为有用功；而所有的功都是由绳子末端在力F作用下通过S的距离产生的，这个功是总功。
实验原理：
⒉需要测量的物理量
钩码的重力G——弹簧秤；
钩码被提升的高度h——刻度尺；
作用在绳子末端的拉力F——弹簧秤；
绳子末端被拉高的高度s——刻度尺。
⒊注意事项
在实验中要将距离测量的准确些。
注意会将细绳绕在滑轮上。
尽可能在竖直方向上使用弹簧秤。
注意弹簧秤的示数要用牛顿表示。
拉动的过程中，尽可能使物体匀速上升。
注意分析实验中所出现误差的原因。
⒋实验记录
次数
G/N
h/m
W有用/J
F/N
S/m
W总/J
η
1
2
⒌小结
根据机械效率的定义，运用公式
可以测出滑轮组的机械效率。
需要测量的物理量有4个：
钩码的重力G；钩码被提升的高度h；作用在绳子末端的拉力F；绳子末端被拉高的高度S。
六、总结
七、作业处理
八、反思：
第三节功率
教学目标
⒈理解功率。
知道什么是功率，知道其物理意义；
⒉知道计算功率的公式、单位，并能进行简单的计算。
教学重点功率的物理意义
教学难点功率和机械效率的辨析
教学方法类比法
课时安排1课时
教学步骤
一、导入新课复习提问
⒈力学里的功包括了两个必要因素是什么？
功要如何计算？
⒉工地上，要把1000块大理石运到20m高的楼上，已知每块大理石重50N，用起重机可以在2分钟之内一次运完。
用一个人来运，需要20小时，这两种方法各需要做多少功？
哪种方法做功快？
二、引入
用起重机和人来运送大理石，所做的功是相等的。
但是用起重机要快的多。
可见，做功不但有多少问题，还有快慢的问题。
我们已经学过用速度来表示物体运动的快慢。
为了表示做功的快慢我们用功率这个物理量。
三、新课教学功率
⒈意义：
用来表示物体做功快慢的物理量。
⒉定义：
单位时间内完成的功。
类比如何比较物体运动的快慢得到如何比较物体做功快慢的方法。
⒊定义式：
⒋单位：
瓦特
1瓦特＝1焦耳/秒1W＝1J/s
⒌1W的物理意义：
物体在1秒内做功1J。
⒍指导阅读：
P215图14-12，对各种常见物体的功率有所了解。
⒎功率是机器的主要技术指标之一。
指导阅读P215最后一段，简要说明选购机器时，要根据实际需要和可能选择功率合适的机器。
四、范例分析
例：
高出水面30m处有一个容积是50m3的水塔，要用一台水泵在1小时内抽水充满水塔。
这台水泵的功率至少要多大？
分析：
首先应弄懂题目的意思，找出已知量和待求量，分析时沿着
→W＝Gh→G＝mg→m＝ρV的顺序进行；解题之前可以将需要求的量逐步列出，使学生明确解题的思路。
A.50m3的水质量是多少Kg？
B.50m3的水重力多少N？
C.水泵一共要完成多少功？
D.1小时内做这么多功，水泵的功率是多少？
五、小结
⒈意义：
用来表示物体做功快慢的物理量；
⒉功率的公式：
六、作业处理：
七、反思：
第四节动能和势能
教学目标
1．了解能量的初步概念。
2．知道什么是动能及影响动能大小的因素。
3．知道什么是势能及影响势能大小的因素。
4．知道什么是机械能及机械能的单位。
教学重点决定动能、势能大小的因素。
教学难点判断物体所具有的机械能。
教学方法讲授法
教学时间1课时
教学过程
一、引入新课：
从能源，体能方面引入能量复习知识；功和能的关系
二、新课教学能量
演示：
A玩具小车拉木块；B举高的钩码拉木块（通过铁架台和滑轮）C伸长的橡皮筋拉木块。
问：
三个物体是否对木块做功？
（学生回答：
做了功）
归纳：
⑴物体能够做功，我们就说它具有能量，物体能做的功越多，它的能量就越大。
⑵怎样判断物体是否有能量？
看它能否做功。
三、动能探究动能大小与什么因素有关
⒈概念：
物体由于运动而具有的能叫动能
⒉决定动能大小因素
演示实验：
图1-1
A．质量相同，速度越大，做的功越多，动能越大；
B．速度相同，质量越大，做的功越多，动能越大。
结论：
动能的大小与物体的质量和运动的速度有关。
四、势能（重力势能和弹性势能）探究势能的大小与什么因素有关
⒈重力势能
①概念：
物体由于被举高而具有的能叫重力势能
②重力势能大小的决定因素
演示实验：
如右图
结论：
重力势能大小与物体被举高的
高度和质量有关。
⒉弹性势能
①概念：
物体由于发生弹性形变而具有的能叫弹性势能。
②弹性势能大小决定的因素：
形变的大小
⒊机械能：
动能和势能统称为机械能，它的单位是：
焦耳
五、练习、小结
六、作业：
本节
七、反思：
第五节机械能及其转化
教学目标
1．知道动能和势能、弹性势能可以相互转化。
2．能解释有关动能和势能相互转化的例子。
教学重点动能和势能相互转化
教学难点能解释有关动能和势能相互转化的简单物理现象。
教学方法演示实验法
教学时间1课时
教学过程
一．复习提问：
什么叫动能、重力势能、弹性势能？
它们的大小各由什么因素决定？
二．引入新课：
演示小球竖直上抛，分析其上升和下落过程。
三．新课教学
1．动能和重力势能、弹性势能的相互转化。
（1）．指出演示小球竖直上抛过程中，动能转化成势能（上升），势能转化成动能（下落）。
（2）．演示滚摆实验。
A．学生观察并分析滚摆下落，上升过程中能的转化．
B．归纳：
下降：
高度↓，速度↑，质量不变，是重力势能转化为动能。
上降：
高度↑，速度↓，质量不变，是动能转化为重力势能。
（3）．举例说明动能和重力势能相互转化的例子。
如自行车下坡、荡秋千、高空掷物、荡秋千、人造地球卫星等。
2．动能和弹性势能的相互转化。
（1）演示实验：
小车的动能与弹性势能的相互转化。
A．学生观察并分析小车运动过程中能的转化．
B．归纳：
弹簧压缩：
小车速度↓，弹簧形变↑，是动能转化为弹性势能。
弹簧恢复：
小车速度↑，弹簧形变↓，是弹性势能转化为动能。
（2）演示实验：
分析乒乓球从手中下落到地上，又向上弹的过程中能的转化情况。
分析：
乒乓球从手中下落到刚接触地面是重力势能转化成动能，从接触地面到发生到最大形变是动能转化成弹性势能，从恢复形变到离开地面是弹性势能转化为动动，从离开地面上升的过程是动能转化为重力势能。
（3）举例动能与弹性势能相互转化的例子。
⒊介绍人造地球卫星的能量转化关系
四、总结
五、作业处理
六、反思：
九洪中学九年级物理教案
第十五章
功和机械能
教师：
李运洪
2013年2月22日
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