戰(zhàn)向陽

(大連市第四十七中學(xué) 遼寧 大連 116021)

李 巖

(大連教育學(xué)院 遼寧 大連 116021)

張 晶

(大連市第二十一中學(xué) 遼寧 大連 116021)

(收稿日期：2016-05-23)

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中考二輪復(fù)習(xí)效率計(jì)算專題教學(xué)設(shè)計(jì)

戰(zhàn)向陽

(大連市第四十七中學(xué) 遼寧 大連 116021)

李 巖

(大連教育學(xué)院 遼寧 大連 116021)

張 晶

(大連市第二十一中學(xué) 遼寧 大連 116021)

(收稿日期：2016-05-23)

九年級(jí)學(xué)生對(duì)于機(jī)械效率的計(jì)算掌握較好，但對(duì)于機(jī)械在能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中涉及的效率計(jì)算比較生疏，往往不知道誰除誰.對(duì)于以上問題的產(chǎn)生和原因，給出了有針對(duì)性的教學(xué)設(shè)計(jì).

效率計(jì)算 能量轉(zhuǎn)化

1 問題背景

效率的計(jì)算題是近年來中考綜合計(jì)算中的常見題型，載體主要以電動(dòng)機(jī)、電熱器、發(fā)電機(jī)、汽車輪船發(fā)動(dòng)機(jī)、太陽能熱水器等為主.《課標(biāo)》要求“從能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移角度認(rèn)識(shí)效率”，體現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的思想.此類題型主要考查學(xué)生的閱讀提取信息，分析物理過程，綜合應(yīng)用各章節(jié)知識(shí)點(diǎn)，計(jì)算等能力.學(xué)生往往只是對(duì)于機(jī)械效率和熱機(jī)效率的計(jì)算比較熟悉，掌握較好，但對(duì)于力熱轉(zhuǎn)化、電熱轉(zhuǎn)化、光電轉(zhuǎn)化等綜合問題理解和分析能力較弱.

2 教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 新課導(dǎo)入 機(jī)械效率的計(jì)算

【例1】如圖1所示，斜面長(zhǎng)s，高h(yuǎn).用推力F沿斜面方向，將一個(gè)重為G的物體由斜面底端A勻速推到頂端B．斜面的機(jī)械效率η=______.

圖1 斜面

【例2】如圖1所示，斜面長(zhǎng)s，高h(yuǎn).沿斜面方向?qū)⒁粋€(gè)重為G的物體由斜面底端A勻速推到頂端B，物體所受摩擦力為f.斜面的機(jī)械效率η=______.

2.2 新課教學(xué)

用電動(dòng)機(jī)提升重物，完成以下問題.

問題1：什么是效率？

【例3】如圖2所示，直流電動(dòng)機(jī)通過電流做功提升重物，但在電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的過程中，有部分電能變成內(nèi)能．已知線圈電阻R=1.5 Ω，電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，通過線圈電流I=2 A，物體質(zhì)量m=540 g，以v=10 m/s勻速上升，不計(jì)繩的重力和一切摩擦．物體上升t=20 s的過程中．求：

(1)電流通過線圈產(chǎn)生的熱量；

(2)提升物體的有用功；

(3)電動(dòng)機(jī)工作效率；

(4)電壓表讀數(shù).

圖2 提升重物裝置

解析：(1)電流通過線圈產(chǎn)生的熱量

Q=I2Rt

代入數(shù)據(jù)得

Q=120 J

(2)物體的重力

G=mg

代入數(shù)據(jù)得

G=5.4 N

h=s=vt

代入數(shù)據(jù)得

h=200 m

電動(dòng)機(jī)做的有用功

W有=Gh

代入數(shù)據(jù)得

W有=1 080 J

(3)電動(dòng)機(jī)消耗的電能

W總=Q+W有

代入數(shù)據(jù)得

W總=1 200 J

電動(dòng)機(jī)工作效率

代入數(shù)據(jù)得

η=90%

(4)由題W電=W總=1 200 J

W電=UIt

則

代入數(shù)據(jù)得

U=30 V

學(xué)生對(duì)于電動(dòng)機(jī)問題掌握普遍不熟悉，以此例題反映出學(xué)生存在的問題，使學(xué)生在處理問題過程中遇到并發(fā)現(xiàn)問題，引發(fā)思考.

提問：求解(3)過程中你遇到什么問題？

學(xué)生：不知道誰除誰；不知道總功是誰，怎么求.

提問：產(chǎn)生以上問題的原因是什么？

學(xué)生(思考)：不知道效率是什么，怎么求.

教師：使用任何機(jī)械做功的過程都是能量轉(zhuǎn)化的過程.使用電動(dòng)機(jī)消耗電能對(duì)物體做功，使物體具有了機(jī)械能同時(shí)放出了熱量.對(duì)物體做的功是有用功，消耗的電能是總能量.求解效率就是將這兩部分相除即可.效率就是能量轉(zhuǎn)化過程中的轉(zhuǎn)化率.

點(diǎn)評(píng)：求解效率問題，表面看找到有用的能量和總能量，相除即可.但學(xué)生們往往忽略了對(duì)其背后的能量轉(zhuǎn)化過程的分析，導(dǎo)致出現(xiàn)不會(huì)求總功的現(xiàn)象.

總結(jié)方法：

第一，分析物理過程中的能量轉(zhuǎn)化過程.

第二，找出輸出的有用能量和輸入的總能量，做比相除.

即

問題2：效率的意義是什么？

提問：例3(3)求出的效率90%的意義是什么？

學(xué)生(思考)：電動(dòng)機(jī)將消耗的電能的90%轉(zhuǎn)化為機(jī)械能.

練習(xí)：從能量轉(zhuǎn)化角度說出下列效率的意義.

(1)某太陽能電池工作的效率是16%.

(2)某鋰電池充電時(shí)的效率是99%.

(3)某柴油機(jī)工作的效率是55%.

(4)某電熱水器工作的效率是87%.

學(xué)生思考并回答,從中體會(huì)效率的意義.

2.3 反饋練習(xí)

【例4】如圖3所示，電焊是利用電流的熱效應(yīng)，將焊條熔化，從而使兩金屬部件焊接在一起.電焊機(jī)的輸出電壓U=40 V,輸出功率P=2 000 W.電焊機(jī)正常工作t=5 s，使一根質(zhì)量m=20 g的焊條溫度升高了ΔT=1 000 ℃，焊條熔點(diǎn)為1 100 ℃，比熱容c=0.4×103J/(kg·℃).

圖3 電焊

(1)某種橡皮絕緣銅芯導(dǎo)線在常溫下安全載流量(長(zhǎng)時(shí)間通電時(shí)的最大安全電流)如表1所示，從安全角度考慮、計(jì)算，說明應(yīng)選哪種導(dǎo)線作為電焊機(jī)的輸出導(dǎo)線？

表1 導(dǎo)線的安全載流量

(2)焊條吸收的熱量是多少？

(3)電焊機(jī)對(duì)焊條加熱的效率是多少?

解析：(1)電焊機(jī)工作時(shí)的電流

代入數(shù)據(jù)得

I=50 A

由表1可知，應(yīng)選橫截面積為10 mm2的導(dǎo)線.

(2)焊條吸熱

Q吸=cmΔT

代入數(shù)據(jù)得

Q吸=8 000 J

(3)電焊機(jī)工作5 s產(chǎn)生的熱量

Q放=W=Pt

代入數(shù)據(jù)得

Q放=10 000 J

由

代入數(shù)據(jù)得

η=80%

【例5】大連使用風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)，如圖4所示，該系統(tǒng)既可以通過太陽能電池組獨(dú)立發(fā)電并儲(chǔ)存在蓄電池，也可以通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)獨(dú)立發(fā)電并儲(chǔ)存在蓄電池；在風(fēng)、光都具備時(shí)可以同時(shí)發(fā)電.某種型號(hào)的風(fēng)光互補(bǔ)路燈技術(shù)參數(shù)如表2所示.

圖4 風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)

(1)假設(shè)路燈每晚工作時(shí)間t=10 h,求路燈正常工作時(shí)每晚消耗多少千瓦時(shí)的電能？

(2)在平均風(fēng)速v=8 m/s的晚上，風(fēng)力發(fā)電機(jī)除了保障路燈正常工作外，同時(shí)還給蓄電池充電，如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)一晚上工作時(shí)間t=10 h，則在這段時(shí)間內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的力電轉(zhuǎn)化效率為多大？

(3)如果太陽光照射到地面時(shí)輻射功率P=800 J/(s·m2)(1 s 輻射在每1 m2上的光能為800 J) ，若太陽能電池板的面積S=1.25 m2，太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率為多大？

表2 某型號(hào)的風(fēng)光互補(bǔ)路燈技術(shù)參數(shù)

WL= PLet

代入數(shù)據(jù)得

WL=0.6 kW·h

(2)風(fēng)力發(fā)電機(jī)每晚產(chǎn)生的電能W風(fēng)= P風(fēng)et，代入數(shù)據(jù)得

W風(fēng)=2.6 kW·h

由

得

η=23%

(3)太陽能電池板接收到的總功率

P總=800 W/m2×1.25 m2=1 000 W

太陽能電池板平均輸出功率

P出=100 W

所以光電轉(zhuǎn)換效率為

2.4 課堂小結(jié)

對(duì)于能量轉(zhuǎn)化過程中的效率計(jì)算，還有很多其他載體，表3從做功和熱傳遞過程兩方面給出相關(guān)效率計(jì)算方法.

表3 效率的計(jì)算方法