师:同学们好,本节课我们一起学习沪科版八年级物理第十章第四节——做功的快慢。请大家认真观看多媒体上的两幅动态图片,思考一下哪幅图片中的机器人对物体做功了呢?
要回答这个问题,我们先来回顾一下做功的条件是什么,同学们还记得吗?
生:物体受力的作用,且在力的方向上移动一段距离。
师:对,由做功的条件不难判断,图一中的机器人对物体做了功。那么它做了多少功呢?我们如何计算在提升物体时做功的大小呢?若匀速向上搬升物体,根据二力平衡的知识,我们知道人对物体向上提的力(F)在大小上等于物体的重力(G)。根据功的计算公式(W = Fs),我们不难推得在提升物体时对物体做功的公式(W = Gh),我们也称此时对物体做的功为克服物体重力做的功。
现实生活中,我们除了要计算做功的多少,还要讨论做功的快慢。比如我们经常用起重机代替人力搬升物体,是因为起重机做功更快。同样的道理,如图,将相同的重物搬至相同的高度,请同学们思考,两位同学做功的多少相同吗?
生:由公式(W = Gh)可知,两位同学做功的多少相同。
师:那哪位同学做功更快呢?你是怎样比较出来的?
生:第一位同学做功更快,因为他用时短。
师:非常好,我们可以总结出比较做功快慢的第一种方法:做相同的功,比较所用时间的多少。我们再来看另一个场景,将不同的重物,如图中的桌子和箱子(桌子轻,箱子重)搬至相同的高度,两位同学做功的多少相同吗?
生:由公式(W = Gh)可知,第二位同学做功比第一位同学更多。
师:那么哪位同学做功更快呢?你是怎样比较出来的?
生:两位同学用了相同的时间,但是第二位同学做功更多,所以第二位同学做功更快。
师:没错,由此我们也可以总结出比较做功快慢的第二种方法:在相同的时间里比较做功的多少。
通过以上的讨论和学习,我们总结出,做功的快慢不仅取决于做功的多少,还取决于时间的长短,是由二者共同决定的。现实生活中我们经常会遇到这样的难题,图一用时(40)秒,图二用时(45)秒,图一和图二所搬升的重物不同,即它们在提升物体时做的功大小不同。当时间和做功的多少都不相同时,该怎样比较做功的快慢呢?同学们可以思考一下。
怎么样,想出答案了吗?相信同学们已经想到,刚才比较做功快慢的两种方法,与我们在八年级第一章学习比较运动快慢所采用的方法非常类似。在比较运动快慢的时候,我们用相同的路程比较所用时间的多少;在比较做功快慢时,我们做相同的功比较时间的多少。在比较运动快慢时,第二种方法我们采用了相同的时间比较路程的多少;同样的道理,比较做功快慢时,第二种方法是利用了相同的时间比较做功的多少。当路程与时间都不相同时,同学们想一想当时我们是怎样做的呢?
生:我们选取时间为标准进行比较,用路程除以时间,即路程与时间之比,求出单位时间内物体通过的路程,也就是速度。单位时间内物体通过的路程越长,表示运动得越快。
师:同样的道理,在做功的多少和时间都不相同时,我们也可以采用类似的方法,利用功与时间之比来进行比较,求出单位时间内物体所做的功。单位时间内物体做功越多,表示做功越快。
在物理学中,我们给它定义了一个新的物理量,叫做功率,功率用符号(P)来表示,它是用来描述做功快慢的物理量,不反映做功的多少。功率大仅表示做功快,不反映做功多;功率小只表示做功慢,不反映做功少。功率是做的功与做功所用时间之比,这种通过比值定义新物理量的方法,在物理学中我们称之为比值定义法。在初中物理学习当中,我们经常会用到这种方法,比如前面我们所学的路程与时间之比称为速度,质量与体积之比称为密度,压力与受力面积之比称为压强。在九年级物理学当中,我们还会学到电压与电阻之比称为电流。
根据定义,功率的公式可以写成(P = \frac{W}{t})。其中(W)表示做功的多少,单位是焦耳;(t)表示做功的时间,单位是秒。由此我们可以推得功率的单位是焦耳每秒。物理学上,为了纪念伟大物理学家瓦特在此方面所作出的杰出贡献,我们也将功率的单位定义为瓦特,简称瓦,符号(W),(1)焦耳每秒就等于(1)瓦特。(1)瓦特所对应的物理含义即一秒钟做功(1)焦耳,这也是功率的物理意义,反映了单位时间内物体做功的多少。比如人体心脏跳动时的功率约为(16)瓦,它的物理意义是一秒钟心脏做功(16)焦耳。再比如人跳绳时,功率约为(80)瓦,表示的物理意义为一秒钟人在跳绳时做功(80)焦。功率的常用单位还有兆瓦、千瓦,(1)兆瓦等于(10^{3})千瓦,等于(10^{6})瓦特。
接下来我们一起来看一下生活中一些常见的动物和交通工具的功率。优秀自行车运动员长时间运动的功率约为(70)瓦,短时间运动的功率可达(1)千瓦。排量为(1.6)升的家用小轿车的功率约为(80)千瓦。(6)吨载重汽车的功率约为(125)千瓦。马拉车长时间的功率约为(450)瓦。电力机车的功率约为(4200)千瓦。和谐号动车(8)节编组的功率约为(4800 - 8800)千瓦,可以发现这个功率是很大的。蓝鲸在游动时的功率可达(350)千瓦。万吨级远洋货轮的功率约为(7000 - 23000)千瓦。
学习完功率的概念以后,接下来请同学们思考以下的问题。一个物体在水平恒力(F)的作用下匀速直线运动一段时间(t),求恒力(F)做功的功率,同学们可以尝试着推导一下。
怎么样,推导出来了吗?我们一起来看。首先我们可以利用路程的计算公式(s = vt),求出恒力作用下运动的距离,然后利用功的计算公式求出恒力做的功,最后利用功率(P = \frac{W}{t}),求得恒力做功的功率。将三个式子进行联立,(P = \frac{W}{t} = \frac{Fs}{t}),变形一下我们可以得到(P = F\times\frac{s}{t} = Fv)。这是计算恒力做功功率的另一个公式,该公式仅适用于在恒力作用下物体做匀速直线运动时功率的求解。
