8.3 功与功率（教学课件）-【上好课】八年级物理下册同步高效课堂（沪科版·五四学制·上海2024）

第八章 简单机械 功和能 八年级下册•沪教版 （五四•学制） 3 000 多年前我们的祖先就能使用舂、桔槔等机械劳作。如今，工业机器人的应用提高了生产的精度和效率，人类发明、使用的机械遍布生活各个方面。本章我们将学习简单机械、机械功与机械能的相关知识。 通过本章内容的学习，你将了解杠杆、机械功、机械能和机械效率等基本知识，知道动能和势能的相互转化；经历探究杠杆平衡条件的过程，发展基于数据的分析论证能力；感悟机械的运用对社会生产力发展的重要作用；初步建立能量观念。 第3节 功与功率 导入新课 第3节 功与功率 商场的抓娃娃机中堆放着许多可爱的玩偶，某同学操控机械手抓住玩偶，然后将玩偶在竖直方向上提升到一定高度。 这一过程中，玩偶沿机械手作用力的方向移动了一段距离，我们如何描述该过程中机械手作用力的成效呢？ 功 01 功率 02 课堂总结 03 提升训练 04 第3节 功与功率 机 械 功 01 第3节 功与功率 探究一：若抓娃娃机的机械手先将重约1N的玩偶沿竖直方向匀速提升0.4m，然后又将另一个重约2N的玩偶沿竖直方向匀速提升0.3m。 仅通过比较机械手提升重物时的作用力大小或玩偶移动的距离长短，能否比较机械手前后两次作用力的成效？ 很明显，比较机械手前后两次作用力的成效，除了比较力的大小外，还需要比较物体在这个力的方向上移动的距离。也就是说，影响力作用的成效体现在两个方面，一个是力的大小，另一个是物体在这个力的作用下移动的距离。 一、机械功 探究二：观察图甲、乙所示的两种情况，他们正在做什么？找找他们活动中的共同点。 甲 乙 活动中的共同点：都对其他物体施加了力的作用，并且物体在力的方向上都移动了一段距离，力的作用都有了成效。 一、机械功 一、机械功 1. 机械功的概念 物理学中的功包含一种“贡献”和“成效”的含义，如果某个力对物体的移动做出了贡献，就说这个力对物体做了功。 物理学中规定，如果一个力作用在物体上，并使物体在这个力的方向上移动了一段距离，就称这个力对物体做了机械功，简称做功。 视频欣赏——《物理学中的功》 一、机械功 2. 做功的两个必要因素 （1）现象分析 如图所示是力对物体做功的两个实例。这些做功的实例有什么共同点？ 物体受到了力；在力的方向上移动了距离。 重物通过钢索拉力的作用上升一段距离 一、机械功 如图所示是力对物体没有做功的两个实例。力对物体为什么没有做功？ 搬而未起 F 这些力不做功的原因： 物体受到了力；但是没有移动距离。 用力推车，但车未动 一、机械功 如图所示是力对物体没有做功的实例。力对物体为什么没有做功？ 提着水桶在水平路面上前行 F 分析：水桶沿水平方向运动，而力的方向与运动方向垂直，沿竖直方向。 力不做功的原因： 物体受到了力；但是在力的方向上没有移动距离。 一、机械功 一是作用在物体上的力，二是物体在这个力的方向上移动的距离。 （2）力学中的功包括两个必要因素 一、机械功 3. 力对物体不做功的三种情况 （1）有力无距离（劳而无功） 有力作用在物体上，但物体没动，即物体没有通过距离，力对物体没有做功（力的作用没有成效）。 人用力推车没有推动 F 搬而未起 F 一、机械功 （2）有距离无力（不劳无功） 物体因为惯性通过一段距离，在运动方向上没有力对物体做功（离开力说功是无意义的）。 冰壶在平滑的冰面上滑行、球在空中飞行时，是由于惯性，在运动方向上没有力做功。 一、机械功 （3）力与运动距离的方向垂直（垂直无功） 物体受到了力的作用，也通过了一段距离，但通过的距离与力的方向垂直，物体在力的方向上没有通过距离，这个力对物体没有做功（力的作用没有成效）。 服务员托着食品盘送菜 托力F 距离s 背着重物沿水平路面匀速行走 物体通过的距离与力的方向垂直，力不做功。 F 一、机械功 视频欣赏——《力不做功的三种情况》 一、机械功 如果一个物体在力的作用下，并且在这个力的方向上移动了距离，力对物体才能做功。A、B、C选项中都不符合做功的两个必要因素，所以是错误的。 D选项中，有力作用在物体上，物体又在该力的方向上移动了距离，所以该力就一定做功。 【例题1】下列关于功的各种说法中，正确的是（ ） A. 只要有力作用在物体上，就一定做了功 B. 只要物体移动了距离，就一定做了功 C. 只要有力作用在物体上，物体又移动了距离，就一定做了功 D. 只要有力作用在物体上，物体又在该力的方向上移动了距离，就一定做了功 所以选D. D 一、机械功 【例题2】如图所示是扔实心球的四个过程，其中手对实心球做功的过程是（ ） A．②和③ B．①和④ C．①和③ D．②和④ C 一、机械功 对物体做功的条件：对物体施加了力且在力的方向上移动了距离； ①捡起球的过程，手对实心球球施加了一个竖直向上的力，且在力的方向上移动了一段距离，则手对实心球做了功，①符合题意； ②停在空中时，手虽然对实心球施加了力，但并没有在力的方向上移动距离，故手没有对实心球做功，②不符合题意； ③挥动球的过程，手对实心球施加了一个水平方向的力，且在力的方向上移动了一段距离，则手对实心球做了功，③符合题意； ④球飞出去，脱离了手，手没有对实心球施加力，故手没有对实心球做功，④不符合题意； 综上所述，①和③符合题意。 故选C. 一、机械功 （1）观察思考 4. 功及其计算公式 若抓娃娃机的机械手先将重约1N的玩偶沿竖直方向匀速提升0.4m，然后又将另一个重约2N的玩偶沿竖直方向匀速提升0.3m。 能否比较机械手前后两次做功的大小？ 作用在玩偶上的力越大，玩偶在力的方向上移动的距离越大，则机械手所做的功越多。 一、机械功 （2）功 力学中，功等于力与物体在力的方向上移动的距离的乘积。 （3）计算公式 功＝力×距离 W = Fs F 表示力 ，s表示沿力的方向移动的距离，W 表示功。 F F s 一、机械功 （4）功的单位 在国际单位制中：力F的单位是牛（N），距离s的单位是米（m） ，则功W的单位是牛•米；它有一个专门的名称叫做焦耳，简称焦，符号是 J。 1J=1N•m 1N的力使物体在力的方向上通过1m的距离时，所做的功为1J 人用力将两个鸡蛋提高1m，所做的功大约是1J 一、机械功 第一次做功W1 = F1s1=1N×0.4m=0.4J 第二次做功W2 = F2s2=2N×0.3m=0.6J 想一想：你现在可以比较机械手前后两次做功的大小了吧？ 第二次做功多 第一次先将重约1N的玩偶沿竖直方向匀速提升0.4m； 第二次将另一个重约2N的玩偶沿竖直方向匀速提升0.3m。 一、机械功 （1）公式变形 由功的计算公式W=Fs可知，已知三个物理量中的任意两个，可求第三个。 ①求作用在物体上的力： ②求在力的方向上移动的距离： 式中物理量全部用国际单位制。 （2）F与s具有同时性 即在受力的同时移动了距离，移动距离的同时受了力。 5. 公式的应用 一、机械功 （3）F与s具有同向性 公式W=Fs中的F是使物体沿力F的方向通过距离s的过程中，始终作用在物体上的力，它的大小和方向都是不变的；s是物体在力F的方向上通过的距离。 例如：运动员用500N的力将足球踢出20m，若用公式W=Fs =500N×20m=10000J计算，结果是错误的，因为踢球的力的作用距离不是20m，要计算运动员对球做的功，关键看脚推动球前进的距离是多少。 （4）F与s具有同体性：即F与s对应同一个研究对象。 一、机械功 6. 关于克服 阻力做功 如果物体在力的作用下移动的方向与一个力（阻力）的方向相反，我们就说物体克服这个力做功。 例如，在水平面上推动物体前进时，要克服摩擦力做功；提高物体时要克服重力做功。 F拉力 G 人在爬楼梯时，要克服自己的重力做功，计算做功的大小时，应该用人的重力G乘以楼梯的竖直高度h: W=Gh G h F支持力 F推力 f摩擦 一、机械功 视频讲解——《功的计算》 一、机械功 【例题3】小明背着重G =30N 的书包从1楼匀速登上2楼，再从2 楼楼梯口沿着走廊匀速步行s=5m到教室。 （1）上楼过程中，小明对书包做了多少功？ （2）若忽略人行走时重心的高度变化，则从2楼楼梯口步行至教室的过程中，小明对书包做了多少功？（设每层楼高度h=3m） 一、机械功 分析：小明匀速登楼和沿走廊匀速步行时，他对书包的作用力 F 与书包受到的重力G平衡，方向竖直向上。上楼时，书包沿竖直方向移动的距离 h=3 m。沿走廊步行时，书包在竖直方向移动距离为 0。 解：（1）上楼过程中，小明对书包所做的功 W=Fs=Gh= 30N×3m = 90J （2）在走廊上水平行走时，书包在竖直方向上移动的距离为 0，所以小明对书包不做功。 一、机械功 功 率 02 第3节 功与功率 二、功率 1. 比较做功的快慢 （1）现象探究：做功快慢的比较 ①如图所示，在相同时间内，起重机运送的砖比人运送的多，说明起重机做的功比人做的功多。 结论：起重机做功快。因为起重机和人做功时间相同，起重机做功多。 在相同时间内， 起重机比人做功多 二、功率 ②起重机和人运送同样数量的砖，做相同的功，起重机所用时间短。 结论：起重机做功快。起重机和人运送同样数量的砖，做相同的功，起重机所用时间短。 做相同的功，起重机 比人所用的时间少 （2）探究总结： 要比较物体做功的快慢，必须考虑两个因素： 其一是物体做了多少功； 其二是物体做功所用的时间。 二、功率 人 所做的功（J） 所用时间（s） 甲推货物前进 500 10 乙提高了货物 1200 6 丙举高了木箱 8000 5 甲 乙 丙 想一想：如图中做功的情景，做的功和所用时间都不相同，怎样比较做功的快慢呢? 二、功率 物体 所做的功（J） 所用时间（s） 甲推货物前进 500 10 乙提高了货物 1200 6 丙举高了木箱 8000 5 功/时间（J/s） 50 200 1600 比较方法：分别计算三个物体所做的功与所用时间的比值，该比值越大，则做功越快。 所以丙做功最快，甲做功最慢。 结论：用 可以比较做功的快慢。 二、功率 ①时间相同，比较物体做功的多少，做功多的做功快。 ②做功相同，比较做功的时间，时间短的做功快。 ③功与时间都不相同，用可以比较做功的快慢。 该比值越大，做功越快。 （3）总结：比较做功快慢的方法 二、功率 2. 功率 （1）物理意义：表示物体做功快慢的物理量。 （2）定义：功与做功所用的时间之比叫做功率，它在数值上等于力（或物体）在单位时间内所做的功。 （3）公式： 功率 （4）单位 ①国际单位：焦/秒（J/s），又称为瓦特，符号W，1W=1J/s ②工程技术上常用单位：千瓦(kW)； 1kW=103W 二、功率 介绍 经历 主要成就 詹姆斯·瓦特（James Watt，1736年1月19日—1819年8月25日），英国发明家、企业家，第一次工业革命的重要人物，与著名制造商马修·博尔顿合作生产。 瓦特被誉为人类历史上最著名的发明家之一。在历史上最知名的229位发明家中，瓦特与爱迪生并列第一位。为纪念瓦特的贡献，国际单位制中的功率单位以瓦特命名。 1776年制造出第一台有实用价值的蒸汽机。以后又经过一系列重大改进，使之成为“万能的原动机”，在工业上得到广泛应用。他开辟了人类利用能源新时代，使人类进入“蒸汽时代”。 （5）物理学家——瓦特 二、功率 视频讲解——《功率的概念》 二、功率 3. 计算功率的推导公式 （1）推导 力F作用在物体上，物体沿力的方向 以速度v 做匀速直线运动时，则力F 的功率： = 即拉力做功的功率等于力与物体运动速度的乘积。 适用条件：物体做匀速直线运动，F与v在同一条直线上。 F 速度v 二、功率 （2）应用 为什么汽车上坡时，司机经常用换挡的方法减小速度？ 为什么同样一辆机动车，在满载时的行驶速度一般比空载时小得多？ 【分析】机车发动机的最大功率是一定的。由P=Fv可知，牵引力的大小和运动速度成反比。汽车上坡时，需增大牵引力，故要减小速度。 货车在满载时需要增大牵引力，只能减小车辆行驶的速度。 汽车上坡减小速度 货车的速度小于小轿车的速度 二、功率 视频讲解——《功率变形公式及其应用》 二、功率 【例题1】如图所示为我国登山爱好者成功登顶珠穆朗玛峰的过程，体重（含装备）越大的队员一定（　　） A．做功越多 B．功率越大 C．做功越快 D．功率越小 A．登山爱好者成功登顶珠穆朗玛峰的过程中，上升的高度相同，根据 可知体重（含装备）越大的队员克服重力做的功一定越多，故A符合题意； BCD．功率表示做功快慢，由于不知道每位队员的登顶时间，无法利用P=W/t比较功率，故BCD不符合题意。 A 所以选A. 二、功率 【例题2】“复兴号”列车是世界上最先实现350km/h自动驾驶功能的高速列车。当“复兴号”列车以v=350 km/h的速度在某段平直路段上匀速行驶时，若整列车所受牵引力为F=1.2×105N，计算此时牵引力做功的功率P。 二、功率 【解】设“复兴号”列车匀速通过某段平直路段的距离为 s，所用时间为 t。牵引力在这一过程中所做的功 W=Fs，则牵引力做功的功率 = 二、功率 【例题3】如图所示是当今流行的平衡车。某品牌平衡车的功率为240 W，能以10.8 km/h的速度在平直的道路上连续匀速行驶10km，则它在这个过程中受到的阻力为______N，行驶这1km所做的功为________ J。 ①由公式 P ②行驶这10 km所做的功 W=Fs=80 N×103m=8×104J 80 8×104 二、功率 生产生活中常用功率表示人或机械做功的快慢，功率是机器的一个重要性能指标。 4. 机器的功率 二、功率 （1）机器中的铭牌 铭牌是指厂家生产的机器投放市场后，向用户提供厂家商标识别、品牌区分、产品参数等信息的固定标识。铭牌主要用来记载生产厂家及额定工作情况下的一些技术数据，以供正确使用而不致损坏设备。 铭牌上面标有一些数据，功率是其中的一项，机器的功率是机器的主要技术性能之一。选购机器时，要根据实际需要选择功率合适的机器。 二、功率 （2）一些常见的功率 脱水功率 420W 洗涤功率 70W 系列PN洗衣机 上市时间 2022.9 二、功率 骑自行车功率约70W 助动车功率约 400 W 家用轿车功率约 102kW 二、功率 万吨巨轮功率约 104kW 客机功率约105kW 二、功率 5. 测量功率 思考：要测量同学爬楼梯的功率，根据什么原理进行？应测量哪些物理量？应选择哪些测量工具 ？ （1）测量人爬楼梯的功率 分析： 由P=W/t=Gh/t 可知，要测量同学爬楼梯的功率，需要测量体重G（或质量m）、楼层的高度h和所用时间t。 二、功率 ①实验原理：P=W/t. ②实验器材：体重计（或磅秤）、卷尺、秒表。 ③实验步骤： 用体重计（或磅秤）测出自己的质量m； 用刻度尺测出所登楼层的高度h； 用停表测出自己上楼所用时间t； 计算出自己爬楼的功率。 ④数据记录表格： G 项目 质量m/kg 高度h/m 时间t/s 功率P/W 甲同学 乙同学 ⑤功率表达式： 二、功率 项目 质量 m/kg 高度 h/m 时间 t/s 完成 次数n 功率P/W 甲同学 乙同学 ①实验原理：P=W/t. ②实验器材：电子秤、卷尺和秒表。 ③实验步骤： 用体重计（或磅秤）测出自己的质量m； 用刻度尺测出完成一次规范引体向上动作时上升的高度h； 用停表测量出连续完成n次规范引体向上动作时需要的时间t； 计算引体向上的功率。 ④数据记录表格： （2）测量引体向上的功率 ⑤功率表达式： 二、功率 【例题4】小华想利用所学的物理知识估测自己跳绳时克服重力的平均功率（不计绳重）。 （1）用体重计测量自己的质量m； （2）估测自己平均每次跳起的高度h（人的重心上升的高度）； （3）用_________（填测量器材）记录跳n次所用的时间t； （4）数据处理：平均功率P＝________； （5）小明和小华两人想比较跳绳的平均功率（假设两人跳起的平均高度相同），则________。 A．频率相同，体重大的功率大 B．频率相同，跳的时间长的功率大 C．体重相同，频率高的功率小 D．体重相同，跳的时间长的功率大 秒表 A 二、功率 （3）要测量功率大小，则必须测量做功W和做功所用时间，故用秒表记录跳n次所用的时间t。 （4）估测自己跳绳时克服重力的平均功率，需要测出在一段时间里做的功，要知道跳绳时克服重力做的功，就要测出自己的体重m和跳起的高度h，算出跳一次做的功，再数出在一段时间里跳的次数，算出总功，根据题意可知，小华受到的重力为G=mg 每次克服重力所做的功为W = Gh =mgh 则跳n次所做的总功为W总= nW =nmgh 根据功率的定义可知，这段时间内的平均功率为 二、功率 视频讲解——《测量引体向上的功率》 二、功率 课 堂 总 结 04 第3节 功与功率 课堂总结（1） ①如果一个力作用在物体上，并使物体在这个力的方向上 移动了一段距离，就称这个力对物体做了机械功。 ②做功包含两个必要因素：一是作用在物体上的力， 二是物体在这个力的方向上移动的距离。 ③大小：功等于力与物体在力的方向上移动的距离的乘积。 ④公式：功＝力×距离 W=Fs ⑤单位：焦，符号是J。 ①物理意义：表示做功快慢的物理量。 ②定义：功与做功所用的时间之比叫做功率。 ③公式： ④单位：国际单位是W；常用单位有kW。 1kW=103W ⑤功率的推导公式： P=W/t=Fs/t =Fv 功率 机械功 功 率 59 课堂总结（2） 60 课堂总结（3） 物理量 定义 物理意义 公式 单位 功W 功率P J（焦） W（瓦） W=Fs P=W/t 功等于力与物体在力的方向上移动的距离的乘积。 功与做功所用时间之比叫做功率。 表示做功 的快慢 表示力 的“成效” 功与功率的区别 61 提 升 训 练 05 第3节 功与功率 提升训练 1. 下列事例中，人对物体做功的是（　　） A．用300N的力推汽车，汽车没动 B．提着水桶在水平地面上匀速前进 C．扛着米袋慢慢爬上楼梯 D．足球被踢后，在草地上滚动一段距离 C A．用300N的力推汽车，汽车没动，人对汽车施加了力，但汽车没有在该力的方向上移动距离，所以人对汽车没有做功，故A不符合题意； B．提着水桶在水平地面上匀速前进，人给水桶的力竖直向上，与水桶通过的距离垂直，所以人对水桶没有做功，故B不符合题意； C．扛着米袋慢慢登上楼梯，人对米袋施加了向上的支持力，且米袋在该力的方向上移动了距离，所以人对米袋做了功，故C符合题意； D．足球被踢后，脚不再对足球有力的作用，足球在草地上滚动一段距离，人对足球没有力的作用，故D不符合题意。 提升训练 2. 图是冰壶比赛场地的示意图。运动员从A点推动冰壶前进，到B点时松手，冰壶滑行到C点静止。在冰壶由A到B、由B到C的过程中，运动员对冰壶是否做功?为什么? 提升训练 在由A到B的过程中运动员对冰壶做功，由B到C的过程中运动员对冰壶不做功。 在由A到B的过程中，运动员对冰壶施加了推力，并且冰壶在推力的方向上移动了一段距离。 而在由B到C的过程中，此时运动员已经松开了手，没有对冰壶施加推力。冰壶由于惯性在继续滑行，因此，在这个阶段运动员对冰壶没有做功。 提升训练 根据功的计算公式 W=FS 得出 F 注意：重力的方向与运动方向垂直，对车不做功，所以车的质量这个条件无用。 3．马拉着质量是2000kg的车在水平路上前进400m，如果马的水平拉力做了3×105J的功，那么马的水平拉力是多少? 提升训练 4．通常，正常人的心脏推动血液流动的功率约1.5W，那么，在1 h 时间内心脏做功________J，这些功可把一个质量为 60 kg 的人匀速举高 _______m。（g 取 10 N/kg） 1h心脏做的功W=Pt=1.5W×1×3600s=5400J 人的重力G=mg=50kg×10N/kg=500N 由题知W=Gh，这些功可把一个500N的人匀速举高 10.8 5400 提升训练 5. 当某同学戴上可穿戴的“外骨骼”机器人设备后，可在 2 s 内轻松地将50 kg 的物体匀速举高 1 m，此过程中物体克服重力做的功为______J，功率为_________W。（g 取10 N/kg） 将50kg的物体匀速举高1m，此过程中对物体做功 W=Gh=mgh=50kg×10N/kg×1m=500J 对物体做功用时2s，则功率 500 250 提升训练 6. 如图所示，用大小相同的力F，使质量不同的两物体沿力的方向移动相同的距离s，所用的时间相同，则两次所用的力对物体所做的功和功率（　　） A．图甲做的功较多 B．图乙做的功较多 C．甲、乙的功率一样大 D．图甲的功率一定比图乙大 C AB．对两个物体是大小相等的力F，两个物体在力F的方向上移动的距离都是s，根据W=Fs可知，两次力对物体做的功一样多，故AB不符题意； CD．两次所用的力对物体所做的功一样多，且所用的时间相同，根据P=W/t 知，功率的大小相同，故C符合题意，D不符合题意。 所以选C. Lavf59.27.100 Lavf59.27.100 Lavf59.27.100 Lavf59.27.100 Lavf59.27.100 Lavf59.27.100 Lavf59.27.100 Lavf59.27.100 $$