第3节 能量转化的量度（第1课时）（培优教学课件）科学浙教版九年级上册

第三章 能量的转化与守恒 九年级上册•浙教版 第3节 能量转化的量度（第1课时） 我国无人机技术独步全球，应用也设计各行个呀，为了方便将采摘的水果快速运下山去，果农老杨买了架无人机，用于运输作业，无人机的加入大大减少了运输成本和时间......老杨一脸骄傲的表示：这都是无人机的功劳，用无人机吊运水果达到了事半功倍的效果，我现在要运水果简单多了！ 功劳 事半功倍 贡献 成效 “事半功倍”“功劳”中“功”的含义? 科学上的“功”的含义与其相同吗? 导入新课 如图所示，叉车要把货物从地面搬到车上。在这个过程中，叉车除了要对货物施加力，还需要怎样做才能完成这个任务? 导入新课 想一想 举重运动员举起杠铃时，将体内储存的化学能转化为杠铃的势能；起重机提升重物时，将电能转化为重物的动能和势能。那么到底有多少能量发生了转化呢？ 学习目标 1. 知道功的概念及物理意义 2. 知道做功的必要因素及不做功的情况 3. 了解功的计算方法及运用公式计算 4. 课堂总结 5. 练习与应用 6. 提升训练 能量转化的量度 重点难点 重点 1. 知道机械功的概念，能用生活中的实例解释机械功的含义。 2.理解机械功的计算公式、单位，会用功的公式解题。 3.知道做机械功的两个必要条件。 难点 通过生活实例，知道力学中做功的含义，能运用公式W=Fs进行简单计算，能判断力是否对物体做功，为形成能量观念奠定基础。 1. 功 2. 功的计算 3. 课堂总结 4. 练习与应用 5. 提升训练 学习内容 能量转化的量度 一、功 第3节 能量转化的量度 一、功 （1）问题探究 探究一：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、功 探究二：起重机把货物提高的过程中，货物受到哪些力的作用？哪个力对物体的向上移动有贡献？ 货物受到的力有：重力G、钢丝绳竖直向上的拉力F。 拉力F对物体的向上移动有贡献。 F拉 G 一、功 F支 G F F支 G f 用力F 拉水平面上的小车前进，则小车受到几个力的作用？ 探究三： 静止在水平面上的小车，小车受到几个力的作用？ 重力G和地面的支持力F支 重力G、地面的支持力 F支、拉力F、摩擦力f 哪个力对小车的运动有贡献？ 拉力F对小车的运动有贡献。 一、功 如果一个力作用在物体上，物体在这个力的方向上移动了一段距离，在物理学中就说这个力对物体做了功。 科学中的功包含一种“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。 （2）功的概念 一、功 视频欣赏——《物理学中的功》 一、功 举重运动员举起杠铃时： 运动员举起杠铃 运动员的化学能→杠铃的势能 电能→重物的动能和势能 起重机提升重物时： 起重机提升重物 有多少化学能转化为杠铃的势能？有多少电能转化重物的动能和势能？为了量度能量转化的多少，描述能量转化的快慢，我们需要学习功和功率的相关知识。 一、功 读图 1. 图3-25 和图3-26 是物体在力的作用下做功的实例。想一想，在这两个实例中有什么共同特点？ 图3-25 叉车把货物从地面 抬升到一定高度 图3-26 人推小车在水平路面上 通过一段路程 共同的特点： 货物和小车都受到了力的作用，都在力的方向上运动了一段距离。 一、功 读图 2. 图3-27 和图3-28 是物体在力的作用下没有做功的实例。想一想，在这两个实例中有什么共同特点？ 图3-27 人用力搬石头， 石头没有搬动 图3-28 人提书包在水平路面上 匀速通过一段距离 共同的特点： 石头和书包都受到了力的作用,都没有在力的方向上运动了一段距离。 一、功 （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？ 小车在推力的作用下向前移动了一段距离 F拉力 物体在绳子拉力的作用下升高了一段距离 物体受到了力；在力的方向上移动了距离。 一、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？ 提着滑板在水平路面上前行 F 人搬而未起 F 这些力不做功的原因： 物体受到了力；但是在力的方向上没有移动距离。 一、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了距离。 （2）力学中的功包括两个必要因素 一、功 （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 人搬而未起 F 一、功 （2）有距离无力（不劳无功） 物体因为惯性通过一段距离，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、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 提着滑板在水平路面上前行 物体通过的距离与力的方向垂直，力不做功。 ∟ 拉力F 一、功 用力但没有搬起石头，对石头没有做功 冰球在地面上滚动，人对冰球没有做功 总结：力不做功的三种情况 ①有力无距离 有力作用在物体上，但物体没动，即物体没有通过距离，也叫“劳而无功”。 ②有距离无力 物体在运动方向上没有受到力的作用，也就是没有力做功，也称“不劳无功”。 ③力与距离垂直 物体受到力的作用，也通过了距离，但通过的距离与受力的方向垂直，即“垂直无功” 。 足球在地面上滚动，重力与支持力对足球没有做功 一、功 视频欣赏——《力不做功的三种情况》 一、功 思考与讨论 1．做功跟我们日常所说的“做工”或“ 工作”一样吗？ 做功要满足两个必要条件。 不一样。 2．塔式起重机下挂着重物（如图3-29） ，在重物静止不动、匀速向上运动、沿水平方向匀速移动三种情形中，钢索的拉力是否都对重物做了功？ 重物静止不动： ； 匀速向上运动： ； 沿水平方向匀速移动： 。 不做功 做功 不做功 塔式起重机 二、功的计算 第3节 能量转化的量度 二、功的计算 我们每天上下学都要爬楼梯，从一楼到二楼与一楼到三楼相比较，体重大的与体重小的同学爬相同楼层比较，有什么不同的感受？ 爬的楼层越高，体重越大，消耗的化学能越多，转化为机械能越多，能量转化越多，做功越多。 功是有大小的，做功多少和做功两个必要因素有何关系呢？ 科学上规定：功等于力跟物体在力的方向上通过的距离的乘积。 二、功的计算 甲把重为500N的石料提到高2m的墙顶上 乙把重为200N的瓦片提到高6m的屋檐上 ①甲与乙都在做功，怎样比较他们做功的大小呢？ 二、功的计算 ②如图所示，是起重机把每一个重力都相同的货物提高的情景，请你仔细观察，思考下面的问题。甲与乙两次，哪一次做功多？你判断的理由是什么？ 甲与丙两次，哪一次做功多？你判断的理由是什么？ 甲 乙 丙 二、功的计算 甲 乙 丙 分析：甲与乙两次，乙做功多。因为力相等，乙通过的距离大。 甲与丙两次，丙做功多。因为通过的距离相等，丙用的力大。 结论： 作用在物体上的力越大，物体在力的方向上移动的距离越大，力所做的功越多。 二、功的计算 （2）功的大小 物理学中，把力与物体在力的方向上通过的距离的乘积称为机械功，简称功。 （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 二、功的计算 （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（N•m）；它有一个专门的名称叫做焦耳，简称焦，符号是 J。 1J=1N•m 从地上拿起一个约 50 g 的鸡蛋，并把它缓缓举过头顶，在此过程中你对鸡蛋做的功大约为1J。 二、功的计算 甲做功W甲 = F甲s甲=500N×2m=1000J 乙做功W乙 = F乙s乙=200N×6m=1200J 想一想：你现在可以比较他们做功的大小了吧？ 乙做功多 甲把重为500N的石料提到高2m的墙顶上 乙把重为200N的瓦片提到高6m的屋檐上 二、功的计算 功的公式变形 W = Fs 已知做功多少和物体在力的方向上移动的距离，可求出力的大小。 已知做功多少和力的大小，可求出物体在力的方向上移动的距离。 力F与距离s具有对应性：即距离S是物体沿受力的方向移动的距离，F与s在同一直线上； F与s具有同体性：即F与s对应同一个物体。 注意事项：式中物理量全部用国际单位制。 二、功的计算 拓展：对公式W=Fs的理解 同向性 公式中的s是物体在力F的方向上移动的距离。例如，某人用50N的水平推力，推动重100N的箱子，箱子在水平地面上前进10m，求重力对箱子做的功。 如果按W=Gs=100N×10m=1000J计算，则计算结果是错误的，因为这个10m不是在重力方向上移动的距离，实际是重力没有做功。 同体性 F、s必须对应同一物体 同时性 W=Fs中的力在使物体沿着力的方向移动距离s的过程中，应始终作用在物体上，该力撤销后物体移动的距离不能计算在内。 二、功的计算 拓展：应用公式W=Fs计算功时的注意事项 分过程计算 应用公式W=Fs计算时，力的大小和方向应是不变的，若力的大小和方向是变化的，应分过程计算 单位统一 利用公式进行计算时，必须同时使用国际单位制中的单位，F的单位用N，s使用m，W使用J 相关因素 力对物体做功的多少，只与作用在物体上的力F，以及物体在力的方向上移动的距离s有关，与物体的质量m、速度v、运动状态（加速、减速或匀速）无关 二、功的计算 拓展：对做功的两种表述 （1）力的方向与物体移动方向一致，称为力对物体做功。 （2）力的方向与物体运动方向相反，可以称为克服某个力做功。 如克服重力做功：向上抛出某个物体时，重力方向向下，物体运动方向向上，对于该物体，我们一般说物体克服重力做功。 二、功的计算 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 二、功的计算 思考与讨论 结合举重和人推车等事例，谈谈能量的转化与做功的关系。 举重运动员具有能量才能对杠铃做功，做功时消耗的能量转化为杠铃的重力势能；推车的人有能量才能对车做功，做功时消耗的能量转化为车的动能以及由于摩擦而产生的热能。 物体具有做功的本领，是因为它具有能量。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。因此，可以用功来量度能量转化的多少，能量的单位与功的单位一样，都是焦耳。 二、功的计算 物理学家——焦耳 介绍 经历 主要成就 詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（1818年12月24日—1889年10月11日），出生于曼彻斯特近郊的沙弗特，英国物理学家，英国皇家学会会员。 焦耳自幼跟随父亲参加酿酒劳动，没有受过正规教育。青年时期，认识了化学家道尔顿。道尔顿教给他数学、哲学和化学方面的知识，为焦耳后来的研究奠定了理论基础。 热功当量：焦耳测出了热功当量，1卡=4.15焦耳。 焦耳定律：电流通过导体所产生的热量与电流的平方成正比，与导体的电阻成正比，与通电时间成正比。 焦耳热：毛细管电泳需要电场做功，有电场做功就会产生热量。 二、功的计算 视频讲解——《功的计算》 三、课堂总结 第3节 能量转化的量度 三、课堂总结 ①功：功等于力与物体在力的方向上移动的距离的乘积。 ②公式：功＝力×距离 W=Fs ③单位：焦，符号是J ④公式变形：求作用在物体上的力：F=W/s 求在力的方向上移动的距离：s=W/F ①功包括两个必要因素 ：一是作用在物体上的力； 二是物体在这个力的方向上移动了距离。 ②力对物体不做功的三种情况：有力无距离；有距离无力；力与运动距离的方向垂直。 功的 概念 做功的 条件 功 三、课堂总结 课堂总结——《功的计算》 四、练习与应用 第3节 能量转化的量度 四、练习与应用 1.在科学上，如果物体受到 　力　⁠的作用，并且在这个力的方向上通过了一段距离，我们就说这个力对物体做了 　功　⁠。  2.做功的两个必要因素：（1）  　作用在物体上的 ⁠；（2）  　物体在这个力的方。  力　 功　 作用在物体上的力　 方向上通过一段距离　 3.功用字母 　 W 　⁠表示，在国际单位制中，功的 单位是 　焦耳（或焦）　⁠，用字母 　J　⁠表示。  4.功的计算公式： 　W＝Fs　⁠。  5.物体具有做功的本领，是因为它具有 　能量　⁠。做功的过程实质上就是 　能量　⁠转化的过程，力对物体做了多少功，就有多少 　能量　⁠发生了转化。  W 　 焦耳（或焦）　 J　 W＝Fs　 能量　 能量　 能量　 四、练习与应用 【例题】小兰的质量为45kg，书包的质量为5kg，沿着楼梯登上三楼教室，若每层楼梯有15级台阶，每级台阶高20cm，问小兰从地面登上三楼需做多少功？（g=10N/kg） 由题意知：小兰与包的总重力 G=（m人+m包）g =50kg×10N/kg=500N 从地面登上三楼升高的高度 s=15×2×20cm=600cm=6m 则需做功 W=Fs=Gs=500N×6m=3000J 四、练习与应用 【例题】质量为50kg的雪橇上装满了350kg的原木，一匹马拉着雪橇沿着平直的雪地中匀速前行，将原木运到了500m外的货场。如果雪橇行进中受到的摩擦力是800N，求马的水平拉力做的功。 雪橇在平直的雪地匀速前行，则马的水平拉力F拉=F摩=800N 雪橇沿水平拉力的方向移动的距离s=500m 所以马的水平拉力做的功W=Fs=800N×500m=4×105J 注意：雪橇受到的重力G与雪地的支持力F都不做功。 四、练习与应用 【例题】如图所示的四种情形中，对力是否做功判断正确的是（　　） A．甲图中人提着滑板在平直的路上匀速行走，人对滑板做了功 B．乙图中人推着车在平直的道路上匀速行走，人对货车做了功 C．丙图中人用力搬石头但石头未被搬动，人对石头做了功 D．丁图中足球离开脚后继续在空中飞行时，人对足球做了功 B 四、练习与应用 A．甲图人提着滑板在平直的路面上匀速行走，人对滑板施加了竖直向上的力的作用，但滑板没有在力的方向上通过距离，所以人对滑板不做功，故A错误； B．乙图中人推着货车在平直的道路上匀速行走，货车沿着推力的方向通过了距离，所以人对货车做了功，故B正确； C．丙图中人用力搬石头但石头仍保持静止，人对石头施加了力，石头没有在力的方向上通过距离，所以人对石头没有做功，故C错误； D．丁图中足球离开脚后由于惯性继续在空中飞行的过程中，足球不再受人的踢力，所以人对足球没有做功，故D错误。 所以选B 五、提升训练 第3节 能量转化的量度 五、提升训练 1、如图所示，某同学分别用背、抱、平拉、滚拉的方式运水(塑料桶中间带有转轴，桶中装满水)，在粗糙程度相同的水平地面上匀速行走相同路程，他对水做功最多的是( ) C 五、提升训练 2、如图所示是一辆吊车吊装重物的过程，分为上升、平移、下降三个阶段。下列能表示上升和平移两个阶段中吊车拉力对重物做功量(阴影表示有做功)的是( ) A 五、提升训练 3、如图所示，两个滑梯高度相等，如果小玲分别从①号直梯和②号旋转滑梯上端滑到地面，小玲所受重力做功分别为W1和W2，则下列说法正确的是( ) A．W1＞W2 B．W1＜W2 C．W1＝W2 D．无法比较 C 五、提升训练 4、如图甲所示，物体在水平拉力F的作用下由静止沿粗糙水平面向右运动，0～6 s拉力随时间变化的规律如图乙所示，速度随时间变化的规律如图丙所示。则在2～4 s物体克服摩擦力所做的功为( ) A．10 J B．15 J C．30 J D．50 J C 五、提升训练 5、用弹簧测力计沿水平方向两次拉着同一物体在同一水平面上运动，两次运动的s－t图像如图所示。其对应的弹簧测力计示数分别为F1、F2，相同时间内所做的功分别为W1、W2，则它们的关系正确的是（　C　） A. F1＞F2　W1＞W2 B. F1＜F2　W1＜W2 C. F1＝F2　W1＞W2 D. F1＝F2　W1＜W2 C 五、提升训练 6、如图所示为小球从某高度处由静止下落h过程的路程与时间关系图，在下列四个选项中，描述重力对该球做功大小与下落高度关系正确的图线是（　C　） 　　 C 　　 五、提升训练 7、如图所示，塔式起重机下挂着重物，现有下列三种情形：① 重物静止不动；② 重物匀速向上运动；③ 重物沿水平方向匀速移动。下列关于钢索拉力对重物做功的判断及其原因的分析，正确的是（　B　） A. 只有情形①③做了功，因为重物的机械能发生了变化 B. 只有情形②做了功，因为重物的机械能发生了变化 C. 只有情形①③做了功，因为起重机消耗了能量 D. 只有情形②做了功，因为起重机消耗了能量 B 五、提升训练 8、一个人先后用同样大小的力F将不同质量的物体分别在光滑水平地面、粗糙水平地面和粗糙斜面上沿力的方向移动相同的距离s，如图所示，关于力F所做的功的大小关系正确的是（　D　） A. 在光滑水平地面做的功大 B. 在粗糙水平地面做的功大 C. 在粗糙斜面做的功大 D. 一样大 D 五、提升训练 9、跳绳作为某校体育考核项目之一，1min跳满180次为满分。小雨同学 身高为170cm，体重已达800N。想要获得满分的成绩，要比别人付出更 多的努力。 （1） 如果小雨同学每次跳起的高度为5cm，那么想要获得满分的成 绩，至少需克服自己的体重做功 ⁠。 （2） 假如小雨同学克服自己的体重做功而消耗的能量的50％由脂肪提 供，1次满分跳绳在理论上可以帮助小雨同学消耗 g脂肪。（每 克脂肪提供的能量取3.7×104J，结果保留一位小数） 7200J　 0.1　 五、提升训练 10、我国研制生产的水陆两栖飞机鲲龙——AG600（如图）可在水面直接起飞，主要用于森林灭火和水上救援。飞机空载时的总质量为41.5t，用于灭火时一次最多携带水12t。根据以上信息，回答下列问题：（g取 10N/kg） （1） 若装满水的AG600从水面起飞至400m高空，则飞机克服重力至少需要做多少功？ 解：2.14×108J （2） 飞机在投水灭火过程中，若保持一定高度匀速飞行，则此过程中 飞机的机械能将 ⁠。 减小　 五、提升训练 11、人正常步行时，步距变化不大，步距可作为身体上的一把“尺子”。小华根据自己的腿长和步距画出了如图所示的步行示意图，对步行时重心的变化进行了分析，当两脚一前一后着地时重心降低，因此每走一步都要克服重力做功。如果小华的质量为50kg，那么请根据图中小华测量的有关数据，计算小华每走一步克服重力所做的功。（g取10N/kg） 解： 重心升高的高度h＝65cm－＝5cm＝0.05m，克服重力做的功W＝Gh＝mgh＝50kg×10N/kg×0.05m＝25J。 五、提升训练 12、小科在电视中看到古代士兵射箭时往往是按一定角度斜向上射出，而不是水平射出。他猜想可能是以某个角度射出时箭矢运动的距离最远。为了验证自己的猜想，小科在教室里找到了一个带指针的大量角器（指针可以绕A点转动，方便指示角度）、原长为7cm的橡皮筋和一些粉笔头，并把橡皮筋的一端固定在指针上，如图所示。 五、提升训练 （1） 从拉动橡皮筋把粉笔头弹出去，直至粉笔头落地。在整个过程 中，下列有对粉笔头做功的力是 ⁠。 A. 橡皮筋对粉笔头的弹力 B. 粉笔头受到的重力 C. 人对橡皮筋的拉力 D. 橡皮筋受到的重力 AB　 （2） 请你利用提供的仪器设计实验来验证小科的猜想： ⁠ ⁠ ⁠。 将图示的量 角器固定在墙上，每次使橡皮筋伸长的长度相同，使粉笔头以不同的角 度射出，射出方向与水平方向的夹角θ可由量角器读出，记录粉笔头运 动的水平距离和射出角度　 　　 　　 　　 $$