一、教學(xué)目標(biāo)
1.理解功的概念：
(1)知道做機(jī)械功的兩個(gè)不可缺少的因素，知道做功和“”的區(qū)別;
(2)知道當(dāng)力與位移方向的夾角大于90°時(shí)，力對(duì)物體做負(fù)功，或說物體克服這個(gè)力做了功。
2.掌握功的計(jì)算：
(1)知道計(jì)算機(jī)械功的公式W=Fscosα;知道在國(guó)際單位制中，功的單位是焦耳(J);知道功是標(biāo)量。
(2)能夠用公式W=Fscosα進(jìn)行有關(guān)計(jì)算。
二、重點(diǎn)、難點(diǎn)分析
1.重點(diǎn)是使在理解力對(duì)物體做功的兩個(gè)要素的基礎(chǔ)上掌握機(jī)械功的計(jì)算公式。
2.物體在力的方向上的位移與物體運(yùn)動(dòng)的位移容易混淆，這是難點(diǎn)。
3.要使學(xué)生對(duì)負(fù)功的意義有所認(rèn)識(shí)，也較困難，也是難點(diǎn)。
三、教具
帶有牽引細(xì)線的滑塊(或小車)。
四、主要教學(xué)過程
(一)引入新課
功這個(gè)詞我們并不陌生，物理習(xí)過功的一些初步，今天我們又來功的有關(guān)，絕不是簡(jiǎn)單地重復(fù)，而是要使我們對(duì)功的認(rèn)識(shí)再提高一步。
(二)教學(xué)過程設(shè)計(jì)
1.功的概念
先請(qǐng)同學(xué)回顧一下初中學(xué)過的與功的概念密切相關(guān)的如下兩個(gè)問題：什么叫做功?誰對(duì)誰做功?然后做如下總結(jié)并板書：
(1)如果一個(gè)物體受到力的作用，并且在力的方向上發(fā)生了位移，物理學(xué)中就說這個(gè)力對(duì)物體做了功。
然后演示用水平拉力使滑塊沿拉力方向在講桌上滑動(dòng)一段距離，并將示意圖畫到黑板上，如圖1所示，與同學(xué)一起討論如下問題：在上述過程中，拉力F對(duì)滑塊是否做了功?滑塊所受的重力mg對(duì)滑塊是否做了功?桌面對(duì)滑塊的支持力N是否對(duì)滑塊做了功?強(qiáng)調(diào)指出，分析一個(gè)力是否對(duì)物體做功，關(guān)鍵是要看受力物體在這個(gè)力的方向上是否有位移。至此可作出如下總結(jié)并板書：
(2)在物理學(xué)中，力和物體在力的方向上發(fā)生的位移，是做功的兩個(gè)不可缺少的因素。
2.功的公式
就圖1提出：力F使滑塊發(fā)生位移s這個(gè)過程中，F(xiàn)對(duì)滑塊做了多少功如何計(jì)算?由同學(xué)回答出如下計(jì)算公式：W=Fs。就此再進(jìn)一步提問：如果細(xì)繩斜向上拉滑塊，如圖2所示，這種情況下滑塊沿F方向的位移是多少?與同學(xué)一起分析并得出這一位移為s cos α。至此按功的前一公式即可得到如下計(jì)算公式：
W=Fscosα
再根據(jù)公式W=Fs做啟發(fā)式提問：按此公式考慮，只要F與s在同一直線上，乘起來就可以求得力對(duì)物體所做的功。在圖2中，我們是將位移分解到F的方向上，如果我們將力F分解到物體位移s的方向上，看看能得到什么結(jié)果?至此在圖2中將F分解到s的方向上得到這個(gè)分力為Fcosα，再與s相乘，結(jié)果仍然是W=Fscosα。就此指出，計(jì)算一個(gè)力對(duì)物體所做的功的大小，與力F的大小、物體位移s的大小及F和s二者方向之間的夾角α有關(guān)，且此計(jì)算公式有普遍意義(對(duì)計(jì)算機(jī)械功而言)。至此作出如下板書：
W=Fscosα
力對(duì)物體所做的功，等于力的大小、位移的大小、力和位移的夾角的余弦三者的乘積。
接下來給出F=100N、s=5m、α=37°，與同學(xué)一起計(jì)算功W，得出W=400N•m。就此說明1N•m這個(gè)功的大小被規(guī)定為功的單位，為方便起見，取名為焦耳，符號(hào)為J，即1J=1N•m。最后明確板書為：
在國(guó)際單位制中，功的單位是焦耳(J)
1J=1N•m
3.正功、負(fù)功
(1)首先對(duì)功的計(jì)算公式W=Fscosα的可能值與學(xué)生共同討論。從cos α的可能值入手討論，指出功W可能為正值、負(fù)值或零，再進(jìn)一步說明，力F與s間夾角α的取值范圍，最后總結(jié)并作如下板書：
當(dāng)0°≤α<90°時(shí)，cosα為正值， W為正值，稱為力對(duì)物體做正功，或稱為力對(duì)物體做功。
當(dāng)α=90°時(shí)，cosα=0，W=0，力對(duì)物體做零功，即力對(duì)物體不做功。
當(dāng)90°<α≤180°時(shí)，cosα為負(fù)值， W為負(fù)值，稱為力對(duì)物體做負(fù)功，或說物體克服這個(gè)力做功。
(2)與學(xué)生一起先討論功的物理意義，然后再說明正功、負(fù)功的物理意義。
①提出功是描述什么的物理量這個(gè)問題與學(xué)生討論。結(jié)合圖1，使學(xué)生注意到力作用滑塊并持續(xù)使滑塊在力的方向上運(yùn)動(dòng)，發(fā)生了一段位移，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)其特征是力在空間位移上逐漸累積的作用過程。
然后就此提出：這個(gè)累積作用過程到底累積什么?舉如下兩個(gè)事例啟發(fā)學(xué)生思考：
a.一輛手推車上裝有很多貨物，搬運(yùn)工推車要用很大的力。向前推一段距離就要休息一會(huì)兒，然后有了力氣再推車走。
b.如果要你將重物從一樓向六樓上搬，搬運(yùn)過程中會(huì)有什么感覺?
首先使學(xué)生意識(shí)到上述兩個(gè)過程都是人用力對(duì)物體做功的過程，都要消耗體能。就此指出做功過程是能量轉(zhuǎn)化過程，做功越多，能量轉(zhuǎn)化得越多，因而功是能量轉(zhuǎn)化的量度。能量是標(biāo)量，相應(yīng)功也是標(biāo)量。板書如下：
功是描述力在空間位移上累積作用的物理量。功是能量轉(zhuǎn)化的量度，功是標(biāo)量。
②在上述對(duì)功的意義認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，討論正功和負(fù)功的意義，得出如下認(rèn)識(shí)并板書：
正功的意義是：力對(duì)物體做功向物體提供能量，即受力物體獲得了能量。
負(fù)功的意義是：物體克服外力做功，向外輸出能量(以消耗自身的能量為代價(jià))，即負(fù)功表示物體失去了能量。
4.例題講解或討論
例1.課本p.110上的〔例題〕是功的計(jì)算公式的應(yīng)用示范。分析過程中應(yīng)使學(xué)生明確：推力F對(duì)箱子所做的功，實(shí)際上就是推力F的水平分力Fcosα對(duì)箱子所做的功，而推力 F的豎直分力Fsinα與位移s的方向是垂直的，對(duì)箱子不做功。
例2.如圖3所示，ABCD為畫在水平地面上的正方形，其邊長(zhǎng)為a，P為靜止于A點(diǎn)的物體。用水平力F沿直線 AB拉物體緩慢滑動(dòng)到B點(diǎn)停下，然后仍用水平力F沿直線BC拉物體滑動(dòng)到C點(diǎn)停下，接下來仍用水平力F沿直線CD拉物體滑動(dòng)到D點(diǎn)停下，最后仍用水平力F沿直線DA拉物體滑動(dòng)到A點(diǎn)停下。若后三段運(yùn)動(dòng)中物體也是緩慢的，求全過程中水平力F對(duì)物體所做的功是多少?
此例題先讓學(xué)生做，然后找出一個(gè)所得結(jié)果是W=0的學(xué)生發(fā)言，此時(shí)會(huì)有學(xué)生反對(duì)，并能說出W=4Fa才是正確結(jié)果。讓后者講其思路和做法，然后總結(jié)，使學(xué)生明確在每一段位移a中，力F都與a同方向，做功為Fa，四個(gè)過程加起來就是4Fa。強(qiáng)調(diào)：功的概念中的位移是在這個(gè)力的方向上的位移，而不能簡(jiǎn)單地與物體運(yùn)動(dòng)的位移畫等號(hào)。要結(jié)合物理過程做具體分析。
例3.如圖4所示，F(xiàn)1和F2是作用在物體P上的兩個(gè)水平恒力，大小分別為：F1=3N，F(xiàn)2=4N，在這兩個(gè)力共同作用下，使物體P由靜止開始沿水平面移動(dòng)5m距離的過程中，它們對(duì)物體各做多少功?它們對(duì)物體做功的代數(shù)和是多少?F1、F2的合力對(duì)P做多少功?
此例題要解決兩個(gè)方面的問題，一是強(qiáng)化功的計(jì)算公式的正確應(yīng)用，糾正學(xué)生中出現(xiàn)的錯(cuò)誤，即不注意力與位移方向的分析，直接用3N乘5m、4N乘5m這種低級(jí)錯(cuò)誤，引導(dǎo)學(xué)生注意在題目沒有給出位移方向時(shí)，應(yīng)該根據(jù)動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)作出符合實(shí)際的判斷;二是通過例題得到的結(jié)果，使學(xué)生知道一個(gè)物體所受合力對(duì)物體所做的功。等于各個(gè)力對(duì)物體所做的功的代數(shù)和，并從合力功與分力功所遵從的運(yùn)算法則，深化功是標(biāo)量的認(rèn)識(shí)。
解答過程如下：位移在F1、F2方向上的分量分別為s1=3m、s2=4m，F(xiàn)1對(duì)P做功為9J，F(xiàn)2對(duì)P做功為16J，二者的代數(shù)和為25J。F1、F2的合力為5N，物體的位移與合力方向相同，合力對(duì)物體做功為W=Fs=5N×5m=25J。
例4.如圖5所示。A為靜止在水平桌面上的物體，其右側(cè)固定著一個(gè)定滑輪O，跨過定滑輪的細(xì)繩的P端固定在墻壁上，于細(xì)繩的另一端Q用水平力F向右拉，物體向右滑動(dòng)s的過程中，力F對(duì)物體做多少功?(上、下兩段繩均保持水平)
本例題仍重點(diǎn)解決計(jì)算功時(shí)對(duì)力和位移這兩個(gè)要素的分析。如果著眼于受力物體，它受到水平向右的力為兩條繩的拉力，合力為2F。因而合力對(duì)物體所做的功為W=2Fs;如果著眼于繩子的Q端，即力F的作用點(diǎn)，則可知物體向右發(fā)主s位移過程中，Q點(diǎn)的位移為2s，因而力F拉繩所做的功W=F•2s=2Fs。兩種不同處理結(jié)果是相同的。
五、小結(jié)
1.對(duì)功的概念和功的物理意義的主要內(nèi)容作必要的重復(fù)(包括正功和負(fù)功的意義)。
2.對(duì)功的計(jì)算公式及其應(yīng)用的主要問題再作些強(qiáng)調(diào)。
六、說明
1.考慮到功的定義式W=Fscosα與課本上講的功的公式相同，特別是對(duì)式中s的解釋不一，有物體位移與力的作用點(diǎn)的位移之分，因而沒有給出明確的功的定義的文字表達(dá)。實(shí)際問題中會(huì)用功的公式正確進(jìn)行計(jì)算就可以了。從例題4可以看出，定義一個(gè)力對(duì)物體所做的功，將位移解釋為力的作用點(diǎn)在力的方向上的位移是比較恰當(dāng)?shù)�。如果將位移解釋為受力物體在力的方向上的位移，學(xué)生會(huì)得出W=Fs這一錯(cuò)誤結(jié)果，還會(huì)理直氣壯地堅(jiān)持錯(cuò)誤，糾正起來就困難多了。
2.由于對(duì)功的物理意義的講解是初步的，因而對(duì)正功、負(fù)功的物理意義的講解也是初步的。這節(jié)課中只是講到受力物體得到能量還是失去能量這個(gè)程度。在學(xué)習(xí)了機(jī)械能守恒定律之后，再進(jìn)一步作出說明。在機(jī)械能守恒的物理過程中，有重力做功，地球上的一個(gè)物體的機(jī)械能并沒有增加，因而正、負(fù)功的意義就不能用能量得失關(guān)系去說明了。在這種情況下，重力做正功，表示勢(shì)能向動(dòng)能轉(zhuǎn)化;重力做負(fù)功，表示動(dòng)能向勢(shì)能轉(zhuǎn)化，這里的正功、負(fù)功不再表示能量得失，而是表示能量轉(zhuǎn)化方向的。
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