蔡育惠
(福建省泉州實(shí)驗(yàn)中學(xué) 362000)
高中物理教學(xué)要更好服務(wù)于人的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展為根本目標(biāo),落實(shí)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng).在必修二的教學(xué)部分中,關(guān)于功和機(jī)械能的章節(jié)內(nèi)容要求,具體落實(shí)在本課內(nèi)容主要有以下幾點(diǎn):物理觀念上,要求能夠理解功、功率、動(dòng)能、能量守恒的內(nèi)涵,能用能量守恒來(lái)解釋生活中相關(guān)現(xiàn)象,解決一些相應(yīng)的實(shí)際問(wèn)題,具有與功和機(jī)械能相關(guān)的能量觀念.科學(xué)思維上要求能在熟悉的物理情境中運(yùn)用能量觀念解決問(wèn)題時(shí)構(gòu)建物理模型,能從能量守恒的角度分析動(dòng)力學(xué)問(wèn)題,通過(guò)推理,獲得結(jié)論,能從不同視角解決動(dòng)力學(xué)問(wèn)題.科學(xué)態(tài)度與責(zé)任上要有較強(qiáng)的學(xué)習(xí)和探究物理的興趣,能認(rèn)識(shí)功能關(guān)系對(duì)日常生活的影響.
(1)理解功率的概念及其物理意義,能用功率的定義式進(jìn)行相關(guān)計(jì)算.
(2)知道功率的決定式的物理意義,并能夠分析當(dāng)汽車(chē)功率一定時(shí),牽引力與速度的關(guān)系等與功率的相關(guān)問(wèn)題.
(3)能理解和區(qū)別生活中各種機(jī)械的額定功率、實(shí)際功率、最大功率、平均功率、瞬時(shí)功率的意義.引導(dǎo)學(xué)生在生活中學(xué)習(xí)物理,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和研究物理的好奇心和求知欲.
(1)本節(jié)重點(diǎn)是理解功率的概念、意義及對(duì)功率的定義式和決定式的準(zhǔn)確掌握.
(2)本節(jié)難點(diǎn)在于汽車(chē)實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中涉及功率的相關(guān)問(wèn)題分析.學(xué)生常常不能區(qū)分瞬時(shí)功率和平均功率,將平均功率誤認(rèn)為瞬時(shí)功率,要特別注意理解瞬時(shí)功率的概念.
汽車(chē)啟動(dòng)模型的理論要求:要求學(xué)生利用功率的概念和牛頓第二定律分析汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程,旨在提高學(xué)生綜合分析的能力.
本文要分享的汽車(chē)啟動(dòng)的物理模型的過(guò)程包含勻加速運(yùn)動(dòng),變加速運(yùn)動(dòng),勻速運(yùn)動(dòng)三個(gè)過(guò)程,重點(diǎn)在于引導(dǎo)學(xué)生分析,兩個(gè)主要的轉(zhuǎn)折點(diǎn),其一是汽車(chē)功率增加至額定功率時(shí),勻加速結(jié)束,其二是汽車(chē)的速度提升,牽引力減小,加速度減小至零,變加速結(jié)束,之后勻速運(yùn)動(dòng),此類(lèi)問(wèn)題可以視為是瓶頸問(wèn)題.
模型介紹:如圖1,已知汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的額定功率為Pm,在平直公路上受到的阻力大小恒定為f,原來(lái)靜止的汽車(chē)以恒定的加速度a0啟動(dòng),當(dāng)汽車(chē)功率達(dá)到額定功率后保持額定功率不變繼續(xù)加速,直至最后勻速直線運(yùn)動(dòng).
圖1
關(guān)于這個(gè)啟動(dòng)的模型,涉及的參數(shù)比較的多,物理過(guò)程也比較復(fù)雜,落實(shí)這個(gè)啟動(dòng)過(guò)程,要圍繞幾個(gè)問(wèn)題:
第一:什么時(shí)候汽車(chē)的輸出功率達(dá)到最大值?
第二:什么時(shí)候汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了最大值?
第三:如何理解汽車(chē)的額定功率是我們研究的參數(shù)變化問(wèn)題的瓶頸值?
相關(guān)參數(shù)的分析、討論及圖像展示如下:
當(dāng)汽車(chē)以恒定加速度a0做初速度為零的勻加速啟動(dòng).那么根據(jù)牛頓第二定律可得:
F1-f=ma0,那么F1=f+ma0,所以牽引力為恒力.
這個(gè)過(guò)程中汽車(chē)輸出的功率滿(mǎn)足:
p=F1v=(f+ma0)·at,功率與時(shí)間成正比(圖2中0-t1的第一階段圖像所示).當(dāng)功率達(dá)到了額定功率之后,就保持功率大小不變((圖2中t1-t2的第二階段圖像所示)
圖2 圖3
這個(gè)勻加速過(guò)程所用的時(shí)間t1滿(mǎn)足:
汽車(chē)之后繼續(xù)保持額定功率前進(jìn).
因?yàn)轭~定功率保持不變時(shí),牽引力還是大于阻力,所以速度增加,那么導(dǎo)致?tīng)恳蜏p小,加速度也就減小(F,a,v三個(gè)參數(shù)變化如圖4所示).所以v-t在t1-t2階段是一個(gè)向下彎曲的曲線.(圖3所示)
圖4
關(guān)于汽車(chē)的啟動(dòng),要求掌握?qǐng)D2中兩個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻:t1時(shí)刻汽車(chē)的輸出功率達(dá)到額定功率Pm;t2時(shí)刻汽車(chē)的運(yùn)行速度達(dá)到最大值.圖2上一共是三個(gè)階段,分別是加速度恒定為a0勻加速度階段,加速度在不斷減小的變加速階段,勻速直線運(yùn)動(dòng)階段.
圖5 圖6
在實(shí)際的教學(xué)中,汽車(chē)的啟動(dòng)過(guò)程,我們要注意運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析的完整性,準(zhǔn)確處理牽引力、加速度、速度之間的關(guān)系,能夠應(yīng)用功能關(guān)系,將變力做功問(wèn)題分析解答清楚.因?yàn)槲覀儗?duì)信息的接收能力,通過(guò)圖像是一個(gè)非常直觀和高效的,所以在教學(xué)中,運(yùn)用v-t圖,P-t圖,a-t圖,F(xiàn)-t圖來(lái)鞏固和加速學(xué)生對(duì)運(yùn)動(dòng)情境中相關(guān)參數(shù)的變化的理解,是非常有效的.并且在實(shí)際的教學(xué)中也得到了很好的效果,故特此分享.