高中物理新課程教師教學(xué)參考用書(shū)-必修2-Word版【完整版】

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高中物理新課程教師教學(xué)參考用書(shū)必修2Word版高中物理新課程教師教學(xué)參考用書(shū)必修2Word版【完整版】(文檔可以直接使用，也可根據(jù)實(shí)際需要修訂后使用,可編輯放心下載）1．能量概念的引入在以往的諸多教材中，一般是先定義功的概念及其表達(dá)式，然后說(shuō)“一個(gè)物體能對(duì)外做功，就說(shuō)它具有能〞。接著舉例說(shuō)明，做功伴隨著能量的變化，因而得出“功是能量變化的量度〞。這種講法給人的印象是：定義功是為了定義能，先有功的概念，才會(huì)有能的概念。但是在物理學(xué)中，能量并不是由功定義的。能量的概念是在人類追尋“運(yùn)動(dòng)中的守恒量是什么〞的過(guò)程中開(kāi)展起來(lái)的。能量概念之所以重要，就是因?yàn)樗且粋€(gè)守恒量。守恒關(guān)系是自然中十分重要的關(guān)系，從中學(xué)開(kāi)始加強(qiáng)學(xué)生對(duì)守恒關(guān)系的認(rèn)識(shí)是有益的，因?yàn)樗菢O為重要的研究方向。根據(jù)這種認(rèn)識(shí)，本書(shū)把守恒思想的提出放到了具體的概念之前，即從追尋守恒量出發(fā)引入能量概念，并把這種物理思想滲透在能量學(xué)習(xí)的全過(guò)程。2．功能關(guān)系的討論功的概念起源于早期工業(yè)革命的需要。當(dāng)時(shí)的工程師們需要一個(gè)比擬蒸汽機(jī)效益的方法。在實(shí)踐中大家逐漸同意用機(jī)器舉起的物體的重量與高度之積來(lái)量度機(jī)器的輸出，并稱之為功。19世紀(jì)初，法國(guó)科學(xué)家科里奧利明確地把作用力和受力點(diǎn)沿力的方向的位移的乘積叫做“運(yùn)動(dòng)的功〞。當(dāng)功和能量這兩個(gè)概念在具體的物理過(guò)程中“集合〞之時(shí)，人們才進(jìn)了一大步，認(rèn)識(shí)到“功的重要意義在于它可以決定能量的變化，因而為研究能量轉(zhuǎn)化過(guò)程奠定了定量分析的根底〞。這是今天的物理學(xué)總把“功〞和“能〞捆綁在一起的原因。功和能量在哪些物理過(guò)程中“集合〞了呢？重力做功和重力勢(shì)能的變化過(guò)程就是一個(gè)典型事例。本書(shū)就是從這里開(kāi)始，討論功和能的關(guān)系的。這既是一種教學(xué)思路，也是一種科學(xué)思維之路，因而對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力和研究方法是有益的。在重力做功與重力勢(shì)能關(guān)系的討論中，認(rèn)真分析了WG與路徑無(wú)關(guān)的問(wèn)題。這是希望有助于學(xué)生形成嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度。我們不是鼓勵(lì)學(xué)生質(zhì)疑嗎？如果物體從A至B，不同路徑下WG不同，EP還有意義嗎？物理教學(xué)應(yīng)培養(yǎng)“追根問(wèn)底〞的思維習(xí)慣，“自圓其說(shuō)〞應(yīng)是最起碼的要求。3．探究彈性勢(shì)能科學(xué)探究在于通過(guò)學(xué)生自主的探索行為，變未知為。其中是否會(huì)有實(shí)驗(yàn)，不是本質(zhì)特征。關(guān)于彈性勢(shì)能表達(dá)式的探究，就不含實(shí)驗(yàn)。這一探究活動(dòng)意在檢驗(yàn)以下兩點(diǎn)：第一，既然已經(jīng)知道功可能是能量變化的量度，而且重力勢(shì)能的表達(dá)式確實(shí)是通過(guò)重力做功的分析得出的，那么能否想到彈性勢(shì)能的表達(dá)式有可能通過(guò)彈力做功的分析而得出；第二，是否從前面利用極限思想的實(shí)例中受到啟發(fā)而產(chǎn)生認(rèn)知的遷移。對(duì)的計(jì)算那么無(wú)任何要求。4．動(dòng)能定理的探究探究功與物體速度變化的關(guān)系，是企圖通過(guò)實(shí)驗(yàn)，利用已經(jīng)從個(gè)案中有所領(lǐng)悟的功能關(guān)系，探究另一種能量——?jiǎng)幽艿谋磉_(dá)式。因?yàn)閯?dòng)能與速度相關(guān)是動(dòng)能的根本特征，而這一點(diǎn)已在第一節(jié)中就明確了。但是，這一實(shí)驗(yàn)探究最多只能得到Ek與物體的v2成正比，并不能得出Ek的表達(dá)式，因此功與速度變化關(guān)系的測(cè)量只是到達(dá)目的的一個(gè)橋梁。實(shí)驗(yàn)并不可能解決一切問(wèn)題，因此有必要將前述探究的思路轉(zhuǎn)換成一個(gè)理論性研究課題，即質(zhì)量為m的物體，在恒力F的作用下發(fā)生了一段位移l，并且速度由v1變?yōu)関2，試研究在這一過(guò)程中，力對(duì)物體的功與物體速度變化的關(guān)系。從研究結(jié)果中可以看出：第一，式中的與v相關(guān)，因而與動(dòng)能Ek相關(guān)，且與v2成正比也與上面的探究相一致；第二，始末兩態(tài)的之差與力的功W相等，因而與前面?zhèn)€案研究相一致，即功是它的變化的量度。至此，我們可以定義，并且得到W=Ek2-Ek1。5．機(jī)械能守恒定律本教材在得到機(jī)械能守恒關(guān)系時(shí)，沒(méi)有涉及Ep和Ek的具體表達(dá)式，因而更具普遍意義。驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)采用了不給步驟給思路，同時(shí)進(jìn)行難點(diǎn)提示的寫(xiě)法。在前面的實(shí)驗(yàn)中，測(cè)速度時(shí)都是用兩點(diǎn)間的平均速度代表其中某點(diǎn)的瞬時(shí)速度，在第九節(jié)證明了“做勻變速運(yùn)動(dòng)的紙帶上某點(diǎn)的瞬時(shí)速度，等于與它相鄰的兩點(diǎn)間的平均速度〞。前面沒(méi)有使用這種方法，目的是使學(xué)生更多地通過(guò)實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)瞬時(shí)速度，同時(shí)也是為了防止盲目追求精確度的傾向。在過(guò)去的教學(xué)中，這個(gè)結(jié)論是以一個(gè)習(xí)題的形式出現(xiàn)的，這里做了正式的證明。這也是為了給學(xué)生加深這樣的印象：無(wú)論做什么事情，采用一種新的方法，必須有可靠的根據(jù)，不能草率從事。6．能量守恒定律與能源本章第十節(jié)簡(jiǎn)述了發(fā)現(xiàn)能量守恒定律的歷史，根本思想是：能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)不是偶然的，它是人類對(duì)自然認(rèn)識(shí)開(kāi)展到一定階段的產(chǎn)物；除了物理學(xué)外，別的學(xué)科對(duì)能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)也有奉獻(xiàn)。本節(jié)還談到了能量轉(zhuǎn)化和能量轉(zhuǎn)移的方向性。過(guò)去的中學(xué)物理課程不涉及這個(gè)問(wèn)題，新課程更多地與社會(huì)實(shí)際相聯(lián)系，因此對(duì)能源問(wèn)題做了討論，而研究能源，從物理學(xué)的角度看自然要談宏觀過(guò)程的方向性。在必修模塊中這只是簡(jiǎn)單地提一提，如果學(xué)生繼續(xù)學(xué)習(xí)物理，在選修1－2和選修3－3中還有深入一些的討論。課時(shí)分配建議本章可以分成三個(gè)單元。第一單元第1節(jié)追尋守恒量1課時(shí)第二單元第2節(jié)功1課時(shí)第3節(jié)功率1課時(shí)第三單元第4節(jié)重力勢(shì)能1課時(shí)第5節(jié)探究彈性勢(shì)能的表達(dá)式1課時(shí)第6節(jié)探究功與物體速度變化的關(guān)系2課時(shí)第7節(jié)動(dòng)能和動(dòng)能定理1課時(shí)第8節(jié)機(jī)械能守恒定律1課時(shí)第9節(jié)實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律2課時(shí)第10節(jié)能量守恒定律與能源1課時(shí)1追尋守恒量能量概念的形成和開(kāi)展，始終是和能量守恒定律的建立過(guò)程緊密相連的。能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)告訴我們，盡管物質(zhì)世界千變?nèi)f化，但這種變化不是沒(méi)有規(guī)律的，根本的規(guī)律就是守恒定律。也就是說(shuō):一切運(yùn)動(dòng)變化無(wú)論屬于什么運(yùn)動(dòng)形式，反映什么樣的物質(zhì)特性，都要滿足一定的守恒定律。這一節(jié)是從一個(gè)較高的角度，給學(xué)生一種觀點(diǎn)，并希望學(xué)生在今后的學(xué)習(xí)中從這一高度去認(rèn)識(shí)問(wèn)題。機(jī)械能守恒定律是在人們認(rèn)識(shí)到動(dòng)能和勢(shì)能的具體形式，以及探索了它們之間能以一定的數(shù)量關(guān)系相互轉(zhuǎn)化之后建立起來(lái)的?！白穼な睾懔卡曇还?jié)，主要是使學(xué)生了解守恒思想的重要性。在物理學(xué)的開(kāi)展過(guò)程中，能量的概念幾乎是與人類對(duì)能量守恒的認(rèn)識(shí)同步開(kāi)展起來(lái)的，能量的概念之所以重要，就是因?yàn)樗莻€(gè)守恒量。守恒關(guān)系是自然界中十分重要的一類關(guān)系?！皺C(jī)械能守恒〞這個(gè)詞學(xué)生并不陌生，但是讓學(xué)生說(shuō)出自己對(duì)它的認(rèn)識(shí)又不是一件容易的事。在教學(xué)中可以讓學(xué)生先自己閱讀教材，提出一些問(wèn)題，例如：什么叫守恒？教材中說(shuō)：在牛頓之前，伽利略的斜面理想實(shí)驗(yàn)已經(jīng)顯現(xiàn)了能量及其守恒的思想，這個(gè)實(shí)驗(yàn)中什么是不變的？使學(xué)生觀察，當(dāng)小球沿A斜面從h高處由靜止?jié)L下時(shí)，小球的高度不斷減少，而速度不斷增大，這說(shuō)明小球憑借其位置而具有的能量不斷減少，而由于運(yùn)動(dòng)而具有的能量不斷增大。當(dāng)小球從斜面底沿另一個(gè)斜面B向上滾時(shí)，小球的位置不斷升高，而速度不斷減小，說(shuō)明小球憑借位置而具有的能量不斷增加，由于運(yùn)動(dòng)而具有的能量逐漸減少。如果斜面是光滑的，當(dāng)小球到達(dá)B斜面的h高度時(shí)，速度為零，小球好似“記得〞自己起始的高度。教師除了演示斜面的實(shí)驗(yàn)以外，還可以演示滾擺實(shí)驗(yàn)和單擺實(shí)驗(yàn)，同時(shí)說(shuō)明：在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中物體的動(dòng)能和勢(shì)能是可以相互轉(zhuǎn)化的，如果沒(méi)有摩擦和介質(zhì)阻力，物體好似“記得〞自己初始的高度，即某一量是守恒的。根據(jù)這一例如，請(qǐng)學(xué)生自己再舉出生活中的事例，例如，游樂(lè)園中的海盜船，如果沒(méi)有摩擦和空氣阻力，船在搖擺時(shí)都能到達(dá)一定的高度。這說(shuō)明，將實(shí)際生活中的問(wèn)題理想化后，確實(shí)存在著某一物理量是不變的。2功〔1〕功的概念的建立“功〞是本章中非常重要的一節(jié)。就本章的知識(shí)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，功是為進(jìn)一步得出“能〞這個(gè)更為廣泛、更為重要的概念效勞的。做功過(guò)程反映了能量的變化過(guò)程。因此，只有準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)“功〞這節(jié)內(nèi)容在整個(gè)教材體系中的地位，才能很好地把握教學(xué)要求和深廣度。本節(jié)是初中學(xué)習(xí)的繼續(xù)和提高。在該節(jié)中介紹了做功兩個(gè)不可缺少的因素和功的計(jì)算公式。對(duì)“功是能量轉(zhuǎn)化的量度〞這一物理意義不是一下子給出的，而是在研究功和能的關(guān)系時(shí)逐漸使學(xué)生認(rèn)識(shí)的。教師在教學(xué)中有意識(shí)地一步一步地引導(dǎo)，使學(xué)生逐步理解。圖5－1在教學(xué)中可以讓學(xué)生回憶和復(fù)習(xí)初中已學(xué)過(guò)的功的概念，讓學(xué)生舉例說(shuō)明什么是做功，做功的過(guò)程需滿足什么條件。例如，學(xué)生會(huì)舉出起重機(jī)在吊起貨物向上運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)物體做功了；汽車在平直公路上前進(jìn)，發(fā)動(dòng)機(jī)的牽引力對(duì)汽車做功了等等。舉例過(guò)程中教師應(yīng)強(qiáng)調(diào)做功是指誰(shuí)對(duì)誰(shuí)做功，進(jìn)而提問(wèn)：在第一個(gè)例子中，如果起重機(jī)提著貨物靜止不動(dòng)，拉力對(duì)貨物是否做功了？如果提著貨物水平運(yùn)動(dòng)，拉力是否做功了？第二個(gè)例子中，汽車的重力是否做功了？地面對(duì)汽車的支持力是否做功了？等等。通過(guò)學(xué)生舉例的過(guò)程，使學(xué)生逐漸回憶起在初中學(xué)習(xí)過(guò)的做功的兩個(gè)不可缺少的因素，即力和物體在力的方向上的位移。做功的力和位移在同一方向時(shí)功的公式Ｗ＝Fl。如果力與位移的夾角是90°，力對(duì)物體不做功。這時(shí)教師再提出如果力F與位移s的夾角不是0°也不是90°，而是任意的角度，力對(duì)物體是否做功？使學(xué)生在這樣的矛盾沖突中展開(kāi)討論。教材中給出的方法是將F分解Fsinα和Fcosα，由于分力Fsinα與位移s是垂直的，故不做功，而Fcosα與s的夾角為0°，故做功為W＝Fscosα，進(jìn)而得出功的公式。得出公式W＝Fscosα后，仍應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行討論，使學(xué)生理解什么情況下力F做功，什么情況下力F不做功，與前面所說(shuō)的功的兩個(gè)不可缺少的因素相照應(yīng)。對(duì)于根底較好的學(xué)生，在教學(xué)中應(yīng)活潑和開(kāi)闊他們的思路，可以介紹另一種方法，即把位移ｓ分解，分解成平行于和垂直于力F的分位移scosα和ssinα，同樣可以得出Ｗ＝Fscosα?！?〕對(duì)功的公式的理解①公式的適用條件：公式W＝Fscosα并不是普遍適用的，它只適用于大小和方向均不變的恒力做功。這一點(diǎn)教材上沒(méi)有提及，但必須向?qū)W生指出。我們可以舉一個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明這一點(diǎn)。例如：如圖5－2所示，被壓縮的彈簧將物體彈出的過(guò)程中，彈力所做的功，就是變力做圖5－2功，力F的大小時(shí)刻在變化，這時(shí)W＝Fscosα就不適用了。圖5－2在以前的學(xué)習(xí)中，例如，在講到變速運(yùn)動(dòng)的位移時(shí)，就已經(jīng)滲透了積分的思想，對(duì)有余力的學(xué)生，可以啟發(fā)他們自己去探索求變力做功的方法。圖5－3例如：如圖5－3所示，一個(gè)物體在變力作用下做曲線運(yùn)動(dòng)，由O點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到O′點(diǎn)，我們可以把曲線分成很多小段，如圖中AB小段、CD小段等，每小段都足夠小，可認(rèn)為是直線，且力的變化很小，可以認(rèn)為是恒定的。這樣，對(duì)每小段來(lái)說(shuō)，就可以用W＝Fscosα計(jì)算功，所以求變力做功的方法是：把物體通過(guò)各個(gè)小段所做的功加在一起，就等于變力在整個(gè)過(guò)程中所做的功。②公式中各字母的正負(fù)取值：F和s分別指“力的大小〞和“位移的大小〞，即公式中Ｆ和ｓ恒取正值。公式應(yīng)寫(xiě)作Ｗ＝∣F∣·∣s∣cosα。Ｗ是可正可負(fù)的。從公式容易看出，Ｗ的正負(fù)完全決定于cosα的正負(fù)，也就是α的大小。不過(guò)Ｗ的正負(fù)并不表示功有方向。cosα＞0意味著力F對(duì)物體產(chǎn)生位移有一定的奉獻(xiàn)。cosα＜0時(shí)，F(xiàn)對(duì)物體產(chǎn)生的位移起著阻礙作用，所做的是負(fù)功。這時(shí)，物體要繼續(xù)產(chǎn)生位移，必須克服力F的阻礙，可以說(shuō)成力F對(duì)物體做負(fù)功，也可以表達(dá)為物體克服力F做功。③功是標(biāo)量，沒(méi)有方向：關(guān)于功不是矢量、沒(méi)有方向，學(xué)生不容易接受?？梢越o學(xué)生舉一些實(shí)例幫助學(xué)生理解。例如：在光滑水平面上，物體受兩個(gè)沿水平方向、互相垂直的大小分別為3N和4N的恒力，從靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)10m，求每個(gè)力做的功和合力做的總功。解：合力，合力方向即合位移方向容易求得與3N的力夾角為53°，與4N的力夾角為37°，所以W1＝F1scosα1＝3×10×cos53°J＝18JW2＝F2scosα2＝4×10×cos37°J＝32JW合＝5×10×cos0°＝50J＝W1＋W2≠可見(jiàn)，功的合成不符合平行四邊形定那么。所以，我們不能說(shuō)“正功與負(fù)功方向相反〞，正功和負(fù)功僅表示不同做功的效果。④關(guān)于參考系問(wèn)題：為了防止學(xué)生在計(jì)算功和后面運(yùn)用功能定理時(shí)濫用相對(duì)位移和相對(duì)速度造成錯(cuò)誤，有必要在此就向?qū)W生點(diǎn)穿參考系問(wèn)題。學(xué)生早道，同一個(gè)客觀的運(yùn)動(dòng)，相對(duì)于不同的參考系，位移ｓ是不同的，因此對(duì)不同的參考系，同一過(guò)程中算出的功也會(huì)不同。為了防止這種“不確定性〞，一般在中學(xué)物理中我們約定，計(jì)算功都以地面為參考系，而不隨便取其他物體為參考系。當(dāng)然作為教師應(yīng)該明白，如果選取其他慣性系為參照，盡管求出的功值不同，但只要速度也用相對(duì)于同一個(gè)慣性系的，用動(dòng)能定理求出的結(jié)果總是正確的。但如果參考系不是慣性系，那么必須考慮慣性力做功，不考慮慣性力做功的“動(dòng)能定理〞是錯(cuò)誤的。⑤關(guān)于α角的含義和取值范圍：α角是“力的方向和位移方向的夾角〞，而不是題目中的某一個(gè)以α命名的角。這個(gè)問(wèn)題可以結(jié)合教材中的問(wèn)題與練習(xí)的第1題，來(lái)提醒學(xué)生注意。⑥功與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及運(yùn)動(dòng)形式無(wú)關(guān)：力對(duì)物體做功，只跟力的大小、位移的大小以及兩者的夾角有關(guān)，而與物體受力后通過(guò)這段位移做什么運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。同時(shí)應(yīng)注意F與s必須具備同時(shí)性，即s必須是力F作用過(guò)程中物體的位移。如果力消失后物體繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，力所做的功，就只跟力作用的那段位移有關(guān)，跟其余的位移無(wú)關(guān)。⑦關(guān)于公式中s確實(shí)切含義：功的公式中s的含義是最眾說(shuō)紛紜的。本教材中指出s是“物體位移的大小〞。因?yàn)楦咧须A段研究的是質(zhì)點(diǎn)，所以物體的位移與“受力作用的質(zhì)點(diǎn)〞的位移是一致的，所以不必作這方面的展開(kāi)討論。但是，對(duì)于一些有余力的學(xué)生，也可進(jìn)一步討論。3功率〔1〕建立功率概念的方法功率是說(shuō)明力做功快慢的物理量。功率的定義、公式、單位等，在初中已經(jīng)學(xué)過(guò)，教學(xué)中可通過(guò)一些實(shí)際問(wèn)題讓學(xué)生回憶，舉例說(shuō)明做功有快慢之分。例如兩個(gè)機(jī)械甲和乙，甲機(jī)械4s做功2×104J，乙機(jī)械2s做功1．5×104J，請(qǐng)學(xué)生比擬兩個(gè)機(jī)械做功的快慢程度。學(xué)生會(huì)體會(huì)到凡描述快慢的物理量，一定跟時(shí)間有關(guān)。例如：描述物體運(yùn)動(dòng)快慢的物理量是位移與發(fā)生這段位移所用時(shí)間的比。描述速度變化快慢的物理量是速度的變化量與完成這一變化量所用的時(shí)間之比。功率是描述力對(duì)物體做功快慢的物理量，因此應(yīng)為力對(duì)物體所做的功與完成這些功所用的時(shí)間之比。與速度、加速度的定義方式相比擬，雖然它們研究的是不同性質(zhì)的問(wèn)題，但是研究方法是相同的，物理學(xué)中有很多物理量都是用比值的方法來(lái)定義的。在日常生活中，我們經(jīng)常說(shuō)某臺(tái)機(jī)械的功率，或某物體做功的功率。實(shí)際上功率是指某一個(gè)力對(duì)物體做功的功率。例如：汽車的功率就是汽車牽引力的功率，起重機(jī)吊起貨物的功率就是鋼繩拉力的功率。〔2〕額定功率和實(shí)際功率額定功率這一概念日常生活中經(jīng)常用到，如各種家用電器的銘牌上都標(biāo)有額定功率的值，這是指機(jī)器正常工作時(shí)的最大輸出功率。但是機(jī)器在實(shí)際工作時(shí)不一定是在額定功率下工作，實(shí)際功率一般總小于或等于額定功率。如果機(jī)器長(zhǎng)時(shí)間在大于額定功率下工作，機(jī)械會(huì)被損壞。本節(jié)在做一做欄目中要求學(xué)生調(diào)查自己周圍的各種機(jī)械，看看這些機(jī)械的功率與它們的體積和耗油量有沒(méi)有關(guān)系，或者收集各種說(shuō)明書(shū)，了解一些機(jī)械的功率，并能了解到功率的大小與它們的效能之間的某種關(guān)系。雖然在教學(xué)中這一欄目沒(méi)有做硬性要求，但是，這是使學(xué)生觀察自己身邊事物和參加社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)的好時(shí)機(jī)，所以教師應(yīng)抓住時(shí)機(jī)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生參與的積極性。〔3〕平均功率與瞬時(shí)功率即使是同一個(gè)力對(duì)物體做功，做功的功率也可能是有變化的，在一段時(shí)間內(nèi)力對(duì)物體做功的功率，實(shí)際上就是這段時(shí)間內(nèi)力對(duì)物體做功的平均功率。得出P＝Fv后，指出當(dāng)v為平均速度，那么P就為平均功率，學(xué)生對(duì)這個(gè)問(wèn)題的理解是比擬容易的。關(guān)于瞬時(shí)功率，教材沒(méi)有做特別的要求，而是設(shè)置在“做一做〞欄目中，對(duì)于根底較好的學(xué)生能夠順著欄目中提示的思路推出：當(dāng)Δt很短時(shí)，，而這時(shí)v是瞬時(shí)速度，所以P就是瞬時(shí)功率。極限的思想在講瞬時(shí)速度時(shí)有所滲透，在此學(xué)生可能仍不是很理解，但已經(jīng)不感到陌生了?！?〕汽車牽引力與速度的關(guān)系在很多教學(xué)參考書(shū)中，都討論汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在額定功率下起動(dòng)的問(wèn)題，并且有大量的習(xí)題。本教材回避了這個(gè)問(wèn)題，原因是這一起動(dòng)方式不符合實(shí)際，具體各種發(fā)動(dòng)機(jī)采取什么方式起動(dòng)，對(duì)此感興趣的學(xué)生可以當(dāng)做一個(gè)課題進(jìn)行調(diào)查或社會(huì)實(shí)踐，也可參考本章后的參考資料。對(duì)于P＝Fv的應(yīng)用，教材后的問(wèn)題與練習(xí)安排了第3小題，供學(xué)生討論。它可以使學(xué)生體會(huì)到，物理問(wèn)題的分析與數(shù)學(xué)問(wèn)題不同，簡(jiǎn)單地套用公式就會(huì)得到自相矛盾的結(jié)果。在分析過(guò)程中應(yīng)注意，功率一定的條件下，根據(jù)P＝Fv討論牽引力F與速度v的關(guān)系，在速度v不斷變化時(shí)，加速度又是怎么變化的等等。在問(wèn)題情景中培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。4重力勢(shì)能〔1〕重力勢(shì)能概念的建立與過(guò)去教材相比，本書(shū)分析了重力做功與路徑無(wú)關(guān)的問(wèn)題。教材通過(guò)物體從A點(diǎn)到B點(diǎn)的不同路徑的計(jì)算，得出重力對(duì)物體所做的功只跟起點(diǎn)和終點(diǎn)的位置有關(guān)，而跟物體運(yùn)動(dòng)的路徑無(wú)關(guān)的結(jié)論。學(xué)生對(duì)5．4－1和5．4－2兩個(gè)路徑計(jì)算重力的功并不困難，但是要使學(xué)生真正認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，仍然要學(xué)生親自動(dòng)手算一算這兩種情況下重力對(duì)物體做了多少功。對(duì)于物體沿任意曲線運(yùn)動(dòng)的情況，又一次用到了極限的思想。在有了以前求變速運(yùn)動(dòng)的位移的學(xué)習(xí)經(jīng)歷之后，學(xué)生對(duì)極限的方法會(huì)有一定的印象。該處仍只要求學(xué)生能“跟〞來(lái)，并不要求學(xué)生自己去重復(fù)。因?yàn)檫@里主要強(qiáng)調(diào)的是科學(xué)方法，讓學(xué)生看到，我們可以站在更高的角度去處理問(wèn)題。正是因?yàn)橹亓ψ龉τ羞@樣的特點(diǎn)，才引入重力勢(shì)能的概念，對(duì)這一點(diǎn)學(xué)生會(huì)感覺(jué)比擬困難。這一認(rèn)知是逐漸建立起來(lái)的，在這里要求不宜過(guò)高。教師可以幫助學(xué)生回憶，在“追尋守恒量〞一節(jié)中，給出了勢(shì)能的定義，“物體勢(shì)能是物體憑借其位置而具有的能量。〞啟發(fā)學(xué)生思考，請(qǐng)學(xué)生說(shuō)一說(shuō)重力勢(shì)能應(yīng)該與哪些物理量有關(guān)。經(jīng)過(guò)討論，學(xué)生會(huì)得出，重力勢(shì)能應(yīng)跟物體在地球的相對(duì)位置有關(guān)，還應(yīng)與物體受到的重力有關(guān)。然后讓學(xué)生體會(huì)教材中所寫(xiě)的“看起來(lái)，物體所受的重力mg與它所處位置的高度的乘積mgh，是一個(gè)有特殊意義的物理量。〞它的特殊意義在于，它一方面與重力所做的功密切相關(guān)，另一方面它隨著高度的變化而變化，它恰恰是我們要尋找的重力勢(shì)能的表達(dá)式。與以前教材不同的是，該教材沒(méi)有生硬地給出“功是能量變化的量度〞，而是在探究重力做功、探究彈簧的拉力做功和探究功與物體速度變化關(guān)系的過(guò)程中，不斷滲透這一思想的。〔2〕重力做功與重力勢(shì)能的變化的關(guān)系教材中給出了圖5．4－4和圖5．4－5，可以根據(jù)這一問(wèn)題情景，編制具體的問(wèn)題，讓學(xué)生算一算，重力做功與重力勢(shì)能變化的關(guān)系。例如：起重機(jī)吊起的重物勻速上升、加速上升、減速上升時(shí)重力做的功與重力勢(shì)能的變化的關(guān)系；起重機(jī)吊起的重物勻速下降、加速下降和減速下降時(shí)重力做的功與重力勢(shì)能變化之間的關(guān)系。這樣可以使學(xué)生體會(huì)到，物體向上運(yùn)動(dòng)，重力做負(fù)功，重力勢(shì)能增加；重力做了多少功，重力勢(shì)能就增加多少。物體向下運(yùn)動(dòng)，重力做正功，重力勢(shì)能減少；重力做了多少功，重力勢(shì)能就減少多少。對(duì)學(xué)習(xí)根底較好的學(xué)生，一定要讓他思考“說(shuō)一說(shuō)〞欄目中的問(wèn)題?？梢阅弥亓ψ龉εc摩擦力做功相比擬，從而使學(xué)生理解，正是因?yàn)橹亓ψ龉εc路徑無(wú)關(guān)，才引入了重力勢(shì)能的概念，對(duì)于摩擦力不能引入相應(yīng)的摩擦力勢(shì)能?！?〕重力勢(shì)能①重力勢(shì)能是狀態(tài)量、是標(biāo)量由重力勢(shì)能的定義可知，重力勢(shì)能與物體與地球的相對(duì)位置有關(guān)。物體的位置發(fā)生變化了，物體的重力勢(shì)能就變化，所以勢(shì)能是狀態(tài)量。它的變化量與重力所做的功相對(duì)應(yīng)，所以是標(biāo)量，其單位與功的單位相同，都是焦耳。②重力勢(shì)能具有相對(duì)性如果計(jì)算放在桌子上的物體具有多大的重力勢(shì)能，可能不同的人算出的結(jié)果不同。這是因?yàn)椋煌娜诉x擇了不同的水平面做參考，在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)面上的物體的重力勢(shì)能就為零；物體在這個(gè)參考面以上，重力勢(shì)能就為某一正值；物體在這個(gè)參考面以下，重力勢(shì)能就為某一負(fù)值。重力勢(shì)能的大小與零勢(shì)能面的位置有關(guān)，而這個(gè)參考面可以任意規(guī)定，所以重力勢(shì)能具有相對(duì)性。一般以解決問(wèn)題時(shí)簡(jiǎn)便為原那么來(lái)選取零勢(shì)能面。③重力勢(shì)能屬于物體和地球組成的系統(tǒng)重力是地球與物體相互吸引而引起的，如果沒(méi)有地球?qū)ξ矬w的吸引，就談不上重力做功和重力勢(shì)能，因此物體所在的高度是物體同地球組成的系統(tǒng)內(nèi)部的相對(duì)位置變化結(jié)果的表現(xiàn)，所以重力勢(shì)能是這個(gè)系統(tǒng)的。平常所說(shuō)的“物體〞的重力勢(shì)能，只是一種習(xí)慣簡(jiǎn)化的說(shuō)法。5探究彈性勢(shì)能的表達(dá)式探究是通過(guò)學(xué)生自己的探索活動(dòng)，變未知為的學(xué)習(xí)過(guò)程。探究的目的是開(kāi)發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造潛能，啟發(fā)學(xué)生的思維，使學(xué)生參與到教與學(xué)的活動(dòng)中去。學(xué)生在自己思考的前提下，設(shè)計(jì)自己的探究方案。這個(gè)方案可以包含實(shí)驗(yàn)，也可以不包含實(shí)驗(yàn)。“探究彈性勢(shì)能的表達(dá)式〞就是一個(gè)不包含實(shí)驗(yàn)的探究。〔1〕如何研究拉力的功圖5－4教師在教學(xué)中可以采用類比的方法進(jìn)行教學(xué)。從研究方法上類比：重力勢(shì)能與彈性勢(shì)能都是物體憑借其位置而具有的能。研究重力勢(shì)能時(shí)是從分析重力做功入手，所以，研究彈性勢(shì)能也可以從分析彈力做功入手。重力的功與重力與物體的位置的變化有關(guān)，彈力的功與彈力和彈簧的形變量有關(guān)，這樣的猜測(cè)是很容易得到的。而關(guān)鍵的問(wèn)題是如何研究拉力的功。重力勢(shì)能和彈性勢(shì)能均是以重力和彈力的存在為前提的。所以，在研究時(shí)又必須比擬重力和彈力做功時(shí)的不同特點(diǎn)。在地球附近，重力是恒力。而在拉伸彈簧的過(guò)程中，拉力是隨彈簧的形變量的變化而變化的，拉力還因彈簧的不同而不同。因此拉力做功不能直接用功的公式W＝Fscosα。那么，如何求出拉力的功呢？與研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移方法類似，就是將彈簧的形變過(guò)程分成很多小段，每一小段中近似認(rèn)為拉力是不變的，所以，每一小段的功分別為：W1＝F1Δl1,W2＝F2Δl1…。W總＝W1＋W2＋W3…＝F1Δl1＋F2Δl2＋F3Δl3…〔2〕如何計(jì)算求和公式與勻變速直線運(yùn)動(dòng)中利用v－t圖象求位移s相似，我們可以畫(huà)出F－l的圖象(圖5－4)，每段拉力的功就是圖中細(xì)窄的矩形面積，對(duì)這些矩形面積求和，就得到了由F和l圍成的三角形的面積．注意，課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)彈性勢(shì)能的表達(dá)式?jīng)]有任何要求，教師不要利用這個(gè)表達(dá)式去解題?？梢愿鶕?jù)學(xué)生的具體情況采用不同的方式進(jìn)行教學(xué)。例如，對(duì)于物理興趣小組，可以利用實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行研究等?！部蓞⒖急菊碌膮⒖假Y料。〕〔3〕彈性勢(shì)能的大小也具有相對(duì)性在本節(jié)的“說(shuō)一說(shuō)〞欄目中，提出“能不能規(guī)定彈簧的任意長(zhǎng)度時(shí)的勢(shì)能為零勢(shì)能？〞的問(wèn)題。這一問(wèn)題可以在物理興趣小組中展開(kāi)討論，對(duì)一般學(xué)生可不做過(guò)多要求。這個(gè)問(wèn)題仍可讓學(xué)生與重力勢(shì)能的參考面的規(guī)定相比擬。如果我們規(guī)定了彈簧的任意長(zhǎng)度時(shí)的勢(shì)能為零勢(shì)能，在彈簧從某一位置拉至零勢(shì)能位置的過(guò)程中，拉力所做的功就等于彈簧的彈性勢(shì)能。顯然，這與規(guī)定自然長(zhǎng)度為零勢(shì)能時(shí)，從該位置拉到零勢(shì)能位置的功是不同的，所以，彈簧在某一位置時(shí)的彈性勢(shì)能是與零勢(shì)能位置的規(guī)定有關(guān)的。6探究功與物體速度變化的關(guān)系實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路：實(shí)驗(yàn)中用橡皮筋的彈力拉動(dòng)小車做功使小車獲得動(dòng)能，探究橡皮筋做的功與小車速度的關(guān)系。橡皮筋的彈力是變力，所做的功是變力功，沒(méi)有現(xiàn)成的公式可以計(jì)算功的大小。即使知道彈力功的公式也不能用它進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)橄鹌そ畹膭哦认禂?shù)也是變化的。但是在相同的位移情況下，用一條橡皮筋做的功為W，用兩條橡皮筋時(shí)做的功就是2W，依此類推可以找出功和速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)方法巧妙地避開(kāi)了應(yīng)用功的公式計(jì)算恒力功的大小，設(shè)計(jì)思路充分表達(dá)了探究的精神。另一方面，實(shí)驗(yàn)需要用規(guī)格相同的橡皮筋，在材料的準(zhǔn)備上也能表達(dá)出探究的精神。成品橡皮筋〔圈〕粗細(xì)不一，一致性差，而且比擬粗，彈力偏大。不同橡皮筋之間的彈力差異也較大，所以不適宜用在這一實(shí)驗(yàn)中，需要研究選用其他橡皮筋。選擇準(zhǔn)備橡皮筋的過(guò)程，也是教師和學(xué)生共同探究的過(guò)程?！?〕實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)要求學(xué)生認(rèn)真看書(shū)，了解實(shí)驗(yàn)要探究的內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)驗(yàn)技巧；探究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法，從而找出橡皮筋做功與小車速度之間的關(guān)系。認(rèn)真體會(huì)課文“探究思路〞所表達(dá)的科學(xué)探究的方法；以及“數(shù)據(jù)處理〞中提出的分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、找出功和速度關(guān)系的方法。學(xué)會(huì)這些探究問(wèn)題的方法，不僅在研究物理問(wèn)題時(shí)是必要的，而且也可用于研究其他學(xué)科的問(wèn)題?！?〕儀器及器材①小車〔前面帶小鉤〕；②100g～200g砝碼；③長(zhǎng)木板，兩側(cè)適當(dāng)?shù)膶?duì)稱位置釘兩個(gè)鐵釘；④打點(diǎn)計(jì)時(shí)器及紙帶；⑤學(xué)生電源及導(dǎo)線〔使用電火花計(jì)時(shí)器不用學(xué)生電源〕；⑥5～6條等長(zhǎng)的橡皮筋?！?〕考前須知①怎樣準(zhǔn)備橡皮筋？如前所述，市售的橡皮筋規(guī)格不能滿足實(shí)驗(yàn)要求，而且用至4根以上時(shí)彈力過(guò)大，使打出的紙帶點(diǎn)數(shù)過(guò)少，以致找不出小車不受力勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)所打出的點(diǎn)。圖5－5可以選擇服裝中使用的多股橡皮筋的松緊帶，外形有帶狀和圓柱狀〔選用由多根細(xì)橡皮筋組成的〕。帶狀松緊帶要仔細(xì)地剪成單股〔一根橡皮筋〕，如果有包裹橡皮筋的紗層可以留下，以保護(hù)橡皮筋。圓柱狀松緊帶只要去掉外層包裹的紗線即可。用鐵絲夾住橡皮筋的兩端，并做成小鉤狀，如圖5－5所示?？梢宰龀梢桓?、兩根、三根和四根的幾種備用，它們的長(zhǎng)度均約為32cm，加上兩端的鉤子總長(zhǎng)度約35cm。橡皮筋的橫斷面一般為正方形或圓形，單根橡皮筋的邊長(zhǎng)〔帶包層〕約0．8mm，不帶包層的橡皮筋邊長(zhǎng)約0．6mm。圖5－6②如圖5－6所示，先固定打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，在長(zhǎng)木板的兩側(cè)A處釘兩個(gè)小釘，小車放在B處掛上一根橡皮筋，使橡皮筋處于自由長(zhǎng)度，并且AB之間的長(zhǎng)度略小于A到長(zhǎng)木板右端的長(zhǎng)度或大致相等，使小車從B位置運(yùn)動(dòng)到長(zhǎng)木板右端時(shí)受到橡皮筋向左的拉力做減速運(yùn)動(dòng)的距離較小。③小車從B位置拉到C位置的長(zhǎng)度BC，應(yīng)當(dāng)在橡皮筋的彈性限度內(nèi)。因?yàn)橄鹌そ畹那闆r不同，橡皮筋的長(zhǎng)度、AB、BC之間的距離要視具體情況做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。圖5－7④另一種方法見(jiàn)圖5－7所示，橡皮筋與小車在一條直線上。小車在B位置時(shí)使橡皮筋為自由長(zhǎng)度，橡皮筋對(duì)小車沒(méi)有拉力，小車從B向A運(yùn)動(dòng)時(shí)有一段近似勻速運(yùn)動(dòng)，可以求出小車速度。這種方法所用的橡皮筋的長(zhǎng)度可適當(dāng)短一些，A端可以固定在長(zhǎng)木板的端部。⑤小車質(zhì)量約為200g，當(dāng)用到多條橡皮筋時(shí)，小車運(yùn)動(dòng)速度過(guò)大，可能使打出的紙帶上的點(diǎn)數(shù)少，難以選到適宜的點(diǎn)計(jì)算小車速度。可在小車上加100g～200g砝碼。⑥實(shí)驗(yàn)時(shí)可以用到6根橡皮筋，打出6條紙帶，連同0點(diǎn)可以有7個(gè)點(diǎn)，在描繪曲線時(shí)比擬容易判斷曲線的性質(zhì)。用6根橡皮筋打出的紙帶仍可以有足夠的點(diǎn)數(shù)計(jì)算小車的速度。⑦由于實(shí)驗(yàn)器材和每次操作過(guò)程的分散性，尤其是橡皮筋不可能做到各條之間的長(zhǎng)度、粗細(xì)完全一致，使得每次改變橡皮筋的條數(shù)以后，紙帶上反映小車勻速運(yùn)動(dòng)階段的點(diǎn)數(shù)，和這些點(diǎn)的位置不一定都在事先設(shè)定的B點(diǎn)之后，而可能在B點(diǎn)的前后。這是因?yàn)樾≤囋趲讞l橡皮筋拉動(dòng)下運(yùn)動(dòng)至B點(diǎn)時(shí)，各條橡皮筋可能在B點(diǎn)的前、后對(duì)小車不產(chǎn)生拉力，使紙帶上打出的點(diǎn)出現(xiàn)上述情況。因此需要對(duì)紙帶上的點(diǎn)進(jìn)行分析，方法是比擬B點(diǎn)左右及B點(diǎn)之后的假設(shè)干個(gè)相鄰兩點(diǎn)間的距離是否根本相同？選擇相鄰距離根本相同的假設(shè)干個(gè)點(diǎn)作為小車的勻速運(yùn)動(dòng)階段，用這些點(diǎn)計(jì)算小車的速度。⑧平衡摩擦力時(shí)，要輕推一下小車，觀察小車是否做勻速運(yùn)動(dòng)。⑨誤差分析：誤差的主要來(lái)源之一是橡皮筋的長(zhǎng)度、粗細(xì)不一，使橡皮筋的拉力與橡皮筋的條數(shù)不成正比；其次是小車受力為零的位置不一定在設(shè)定的B點(diǎn)；第三，由于小車不受拉力的位置不一定在B點(diǎn)，這就使拉力功W與橡皮筋的條數(shù)不成正比，而作圖象時(shí)縱坐標(biāo)的單位長(zhǎng)度依然將功與橡皮筋的條數(shù)按正比關(guān)系取值，這樣使作出的W、v各對(duì)應(yīng)點(diǎn)的分布與W－v函數(shù)圖象發(fā)生偏離?！?〕教學(xué)中的幾點(diǎn)考慮①實(shí)驗(yàn)的精妙之處就在于它的探究思路。橡皮筋的彈力做功不便于用公式計(jì)算，然而改變橡皮筋的條數(shù)，保持小車相同的運(yùn)動(dòng)距離，那么彈力功的大小與橡皮筋的條數(shù)成正比。因此教學(xué)中要讓學(xué)生認(rèn)真看書(shū)，體會(huì)做功的數(shù)值雖然不能計(jì)算，但是仍然可以找出做功的倍數(shù)關(guān)系。這種探究思路在科學(xué)史上是有先例的，例如庫(kù)侖探究靜電力的規(guī)律時(shí)，還沒(méi)有電量的單位，庫(kù)侖巧妙地解決了電量的大小問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)了庫(kù)侖定律。因此在教學(xué)中不要僅滿足于完成實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，無(wú)視了研究問(wèn)題的方法。②數(shù)據(jù)的處理同樣表達(dá)了探究問(wèn)題的思路。在W－v坐標(biāo)系中描繪出W、v的各對(duì)應(yīng)點(diǎn)后，既要觀察各點(diǎn)的位置關(guān)系，又要思考這些點(diǎn)之間應(yīng)有的函數(shù)關(guān)系。由于實(shí)驗(yàn)誤差，這些點(diǎn)的位置有可能表現(xiàn)為直線分布，也可能表現(xiàn)為曲線分布。課文中提出了不同的探究方法，這是促使學(xué)生認(rèn)真思考的重要方法，而不是僅滿足于得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。如果實(shí)驗(yàn)得到的各點(diǎn)在W－v坐標(biāo)系中大致呈現(xiàn)線性分布，又如何解釋？又如何處理？這些都需要學(xué)生分析、研究。小車質(zhì)量小〔如空車〕而橡皮筋拉力較大時(shí)，小車的速度就比擬大，加之實(shí)驗(yàn)次數(shù)少,所取的點(diǎn)數(shù)也少，使W、v各對(duì)應(yīng)點(diǎn)近似成線性分布?？梢詮膬煞矫娼鉀Q：實(shí)驗(yàn)時(shí)在小車中加砝碼，增大小車質(zhì)量，使小車速度不致過(guò)快；畫(huà)圖象時(shí)加大縱坐標(biāo)軸的單位長(zhǎng)度。從原點(diǎn)O開(kāi)始描繪圖線也可以防止畫(huà)成直線。③如果沒(méi)有可用的成品橡皮筋，就需要自制。在準(zhǔn)備橡皮筋的過(guò)程中，可以發(fā)動(dòng)學(xué)生參與，既動(dòng)手又動(dòng)腦，這也是培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ倪^(guò)程。④可補(bǔ)充描繪W－v2圖象與W－v圖象比擬。⑤利用Excel數(shù)據(jù)處理，在“添加趨勢(shì)線〞選項(xiàng)中可以實(shí)現(xiàn)多種曲線性質(zhì)的選擇，可以節(jié)省處理數(shù)據(jù)的時(shí)間。〔5〕實(shí)驗(yàn)實(shí)例〔電火花計(jì)時(shí)器〕說(shuō)明：小車質(zhì)量為300g，使用的橡皮筋1根至6根，每次增加1根。小車受力的位移即橡皮筋被拉伸的長(zhǎng)度為19cm。功與速度的關(guān)系圖象v/ms-1W0．000．000．801．001．102．001．283．001．534．001．765．001．896．00

圖5－8功與速度平方的關(guān)系圖象v/ms-2W0．000．00．641．01．212．01．643．02．344．03．105．03．576．0

圖5－97動(dòng)能和動(dòng)能定理〔1〕動(dòng)能的表達(dá)式：在前幾節(jié)的學(xué)習(xí)中，學(xué)生已經(jīng)建立了一種認(rèn)識(shí)，那就是某個(gè)力對(duì)物體做功一定對(duì)應(yīng)著某種能量形式的變化。本節(jié)就是來(lái)尋找動(dòng)能的表達(dá)式。因?yàn)橛星皫坠?jié)的根底，本節(jié)可以放手讓學(xué)生自己去推理和定義動(dòng)能的表達(dá)式。在本章的第一節(jié)“追尋守恒量〞中，已經(jīng)知道物體由于運(yùn)動(dòng)而具有的能量叫動(dòng)能。上一節(jié)又探究了功與物體速度變化的關(guān)系，學(xué)生會(huì)通過(guò)推理得出，物體的動(dòng)能一定與物體的運(yùn)動(dòng)速度的二次方成正比。動(dòng)能還與哪些因素有關(guān)呢？學(xué)生可能會(huì)猜出物體的動(dòng)能與物體的質(zhì)量等因素有關(guān)，但動(dòng)能的表達(dá)式還應(yīng)該進(jìn)行理論的推導(dǎo)。首先應(yīng)使物體的運(yùn)動(dòng)速度發(fā)生變化，因?yàn)樗俣茸兓矬w的動(dòng)能就變化。使物體速度變化的原因是物體受到了力的作用，從最簡(jiǎn)單的方法入手，應(yīng)是給物體施加一個(gè)恒力，使物體做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，在該過(guò)程中求出力F對(duì)物體所做的功W，得到。應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生思考，這一物理量具有怎樣的特定意義，為什么它就是我們要尋找的動(dòng)能的表達(dá)式，它是描述狀態(tài)的物理量還是描述過(guò)程的物理量，它是矢量還是標(biāo)量等問(wèn)題。本教材這樣做，不像以前通過(guò)某些實(shí)驗(yàn)，得出某些結(jié)論的簡(jiǎn)單做法，而是增加了探索的氣氛。教材對(duì)這類問(wèn)題的處理是為了教學(xué)而設(shè)計(jì)的，不一定與歷史軌跡完全相同，但卻符合人們探索時(shí)的認(rèn)識(shí)規(guī)律，表達(dá)了科學(xué)探究的特點(diǎn)?！?〕動(dòng)能定理動(dòng)能定理是一條適用范圍很廣的物理定理，但教材在推導(dǎo)這一定理時(shí)，由一個(gè)恒力做功使物體的動(dòng)能變化，得出力在一個(gè)過(guò)程中所做的功等于物體在這個(gè)過(guò)程中動(dòng)能的變化。然后逐步擴(kuò)大幾個(gè)力做功和變力做功及物體做曲線運(yùn)動(dòng)的情況。這個(gè)梯度是很大的。為了幫助學(xué)生真正理解動(dòng)能定理，教師可以設(shè)置一些具體的問(wèn)題，讓學(xué)生尋找物體動(dòng)能的變化與哪些力做功相對(duì)應(yīng)。例如：第一種情況：置于光滑水平面上的1kg的物體，在水平拉力作用下勻加速前進(jìn)，水平拉力F＝2N，物體在該力作用下運(yùn)動(dòng)了2m。第二種情況：置于粗糙水平面上的1kg的物體，在水平拉力作用下勻加速前進(jìn)，水平拉力F＝2N，動(dòng)摩擦因數(shù)為0．4，物體在該力作用下運(yùn)動(dòng)了2m。在這兩種情況下，請(qǐng)學(xué)生計(jì)算：

拉力做的功摩擦力做的功合力做的功物體動(dòng)能的變化第一種情況第二種情況

教師還可以設(shè)置更復(fù)雜的情景，在多種情況下由學(xué)生歸納總結(jié)出，合力在一個(gè)過(guò)程中所做的功，等于物體在這個(gè)過(guò)程中動(dòng)能的變化。然后再擴(kuò)展到，如果是變力做功，物體又做曲線運(yùn)動(dòng)，我們就可以把力對(duì)物體做功的路徑，分解成許多小段，認(rèn)為物體在每小段運(yùn)動(dòng)中受到的力是恒力，運(yùn)動(dòng)的軌跡是直線。①合力的功：教材在“功〞一節(jié)中的“做一做〞欄目中，已經(jīng)證明了“幾個(gè)力對(duì)一個(gè)物體做功的代數(shù)和，等于這幾個(gè)力的合力對(duì)這物體所做的功〞。所以在使用動(dòng)能定理時(shí)，可以先求出物體所受的合力，再求出合力的功；也可以先求出各個(gè)力做的功，再求出功的代數(shù)和，這二者是相同的。②動(dòng)能的變化：動(dòng)能只有正值，沒(méi)有負(fù)值。但動(dòng)能的變化卻有正有負(fù)。在這里可引導(dǎo)學(xué)生回憶學(xué)習(xí)加速度時(shí)，求速度的變化，“變化〞是指末狀態(tài)的物理量減去初狀態(tài)的物理量，而不是大的減小的。動(dòng)能的變化量為正值，表示物體的動(dòng)能增加了；動(dòng)能的變化量為負(fù)值，表示物體的動(dòng)能減少了。③動(dòng)能定理的應(yīng)用：為了讓學(xué)生體會(huì)到應(yīng)用動(dòng)能定理的優(yōu)點(diǎn)，教師一定要用好教材中的兩道例題，讓學(xué)生先試著用牛頓運(yùn)動(dòng)定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)公式去做，然后用動(dòng)能定理去做，比擬兩種方法的優(yōu)劣，使他們感受到：在不涉及運(yùn)動(dòng)加速度和運(yùn)動(dòng)時(shí)間時(shí)，利用動(dòng)能定理解決力學(xué)問(wèn)題更簡(jiǎn)捷。8機(jī)械能守恒定律〔1〕動(dòng)能和勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化本教材通過(guò)實(shí)例，說(shuō)明物體的動(dòng)能和勢(shì)能之間可以互相轉(zhuǎn)化。為了使教學(xué)更充實(shí)些，除了教材中所舉的自由落體、光滑斜面、豎直上拋及彈簧等實(shí)例外，還可以引導(dǎo)學(xué)生舉出生活中常見(jiàn)的實(shí)例，例如：平拋和斜拋的石子、在光滑的曲面上運(yùn)動(dòng)的物體等等。對(duì)教材中舉出的幾個(gè)實(shí)例，應(yīng)根據(jù)學(xué)生的實(shí)際選用。自由落體運(yùn)動(dòng)和豎直上拋運(yùn)動(dòng)，是學(xué)生比擬熟悉的運(yùn)動(dòng)，教師可以反復(fù)使物體做這種運(yùn)動(dòng)，讓學(xué)生觀察、體驗(yàn)到高度大時(shí)速度小，速度小時(shí)高度大，進(jìn)而得到重力勢(shì)能大時(shí)動(dòng)能小，勢(shì)能小時(shí)動(dòng)能大。在引導(dǎo)學(xué)生分析物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化過(guò)程中得出重力勢(shì)能增大〔減小〕的過(guò)程就是動(dòng)能減少〔增大〕的過(guò)程。要啟發(fā)學(xué)生注意，勢(shì)能的變化是由于重力或彈力做功而引起的。如果重力作為外力，又可以改變物體的動(dòng)能。如果重力做正功，重力勢(shì)能減少，動(dòng)能增加，意味著重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能；反之，如果重力做負(fù)功，重力勢(shì)能增加，動(dòng)能減少，意味著動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能。這樣可以幫助學(xué)生理解教材中所說(shuō)的“通過(guò)重力或彈力做功，機(jī)械能可以從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式〞。圖5－10課文中圖5．8－1實(shí)驗(yàn)也可用如圖5－10的裝置做。懸掛單擺的鐵架臺(tái)上增加一個(gè)橫桿P和一只水平放置的尺子AB，實(shí)驗(yàn)時(shí)①調(diào)整橫桿P的高度觀察小球擺動(dòng)的情況；②調(diào)整水平尺子的高度使小球從不同位置擺動(dòng)，觀察小球擺動(dòng)的情況。將各次實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行概括，思考這些現(xiàn)象說(shuō)明什么問(wèn)題。也可以將單擺懸掛在小黑板上，然后在小黑板上畫(huà)上假設(shè)干條水平橫線，手持短尺替代橫桿?！?〕機(jī)械能守恒定律①“在只有重力或彈力做功的物體系統(tǒng)內(nèi)〞是機(jī)械能守恒的條件，機(jī)械能包括物體的動(dòng)能、重力勢(shì)能和彈性勢(shì)能。而重力做功和彈力做功只對(duì)應(yīng)著物體重力勢(shì)能和彈性勢(shì)能的變化，即機(jī)械能內(nèi)部的相互轉(zhuǎn)化。其實(shí)，嚴(yán)格的說(shuō)法應(yīng)為“系統(tǒng)所受外力和系統(tǒng)內(nèi)部非保守內(nèi)力不做功〞。但這對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，是較難理解的。對(duì)于學(xué)有余力的學(xué)生可以這樣深入分析，而對(duì)多數(shù)學(xué)生來(lái)說(shuō)，只要通過(guò)一些實(shí)際事例來(lái)說(shuō)明，能使學(xué)生理解機(jī)械能守恒的條件就可以了。在“思考與討論〞中設(shè)置了具體的情景，教師可以根據(jù)這一情景給出更具體的數(shù)據(jù)，讓學(xué)生計(jì)算。計(jì)算過(guò)程中，學(xué)生會(huì)得出：重力的功與重力勢(shì)能的變化是相等的，而物體的動(dòng)能變化量卻不同。在真空中的小球的勢(shì)能全部轉(zhuǎn)化為了動(dòng)能，而在粘滯性很強(qiáng)的液體中落下的小球的勢(shì)能，轉(zhuǎn)化為動(dòng)能和內(nèi)能。前者機(jī)械能守恒，后者機(jī)械能不守恒，但能的總量不變。教師可以進(jìn)而推廣到一般情況下，如果除重力、彈力外還有其他力對(duì)物體做正功，那么物體的機(jī)械能就要增加，且其他力做多少功，物體的機(jī)械能就增加多少。反之，如果力對(duì)物體做負(fù)功，機(jī)械能將減少。而增加的機(jī)械能并不是憑空產(chǎn)生的，減少的機(jī)械能也不能無(wú)影無(wú)蹤地消失。機(jī)械能包括動(dòng)能、重力勢(shì)能和彈性勢(shì)能，而重力勢(shì)能是屬于物體和地球組成的重力系統(tǒng)的，彈性勢(shì)能是屬于彈簧的彈力系統(tǒng)的，所以，適用機(jī)械能守恒定律的對(duì)象是系統(tǒng)。②如果物體在運(yùn)動(dòng)中，符合機(jī)械能守恒的條件，那么，在應(yīng)用機(jī)械能守恒定律研究問(wèn)題時(shí)，可以只考慮運(yùn)動(dòng)的初狀態(tài)和末狀態(tài)，不必考慮兩個(gè)狀態(tài)之間的過(guò)程細(xì)節(jié)。教材中的例題，就可以很好地表達(dá)利用機(jī)械能守恒定律解決問(wèn)題的優(yōu)越性。9實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)安排在學(xué)習(xí)了機(jī)械能守恒定律之后，使學(xué)生不僅從理論上了解機(jī)械能守恒定律，而且通過(guò)實(shí)際觀測(cè)從感性上增加了認(rèn)識(shí)，也深化了對(duì)機(jī)械能守恒定律的理解。在這一實(shí)驗(yàn)之前學(xué)生屢次使用過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，處理紙帶的方法并不陌生，實(shí)驗(yàn)操作也比擬容易，所以要求學(xué)生認(rèn)真看書(shū)，完成實(shí)驗(yàn)。課文中重點(diǎn)介紹了瞬時(shí)速度測(cè)量的另一種方法，要求學(xué)生明白道理?！?〕儀器及器材①電火花計(jì)時(shí)器〔或電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器〕；②重物〔質(zhì)量300g±3g〕及紙帶；③天平〔秤量大于300g〕及砝碼；④鐵架臺(tái)、復(fù)夾、燒瓶夾；⑤電源。〔2〕考前須知①計(jì)時(shí)器要穩(wěn)定地固定在鐵架臺(tái)上，計(jì)時(shí)器平面與紙帶限位孔調(diào)整在豎直方向，鐵架臺(tái)放在桌邊，計(jì)時(shí)器距地面高度約1m。圖5－11②試驗(yàn)裝置如圖5－11所示，在鐵架臺(tái)上部安裝一根橫桿，固定一個(gè)夾子夾住紙帶始端，紙帶不會(huì)上下晃動(dòng)，下落時(shí)初速為零，打出的第一個(gè)點(diǎn)是清晰的小點(diǎn)。③為減小測(cè)量高度h值的相對(duì)誤差，選取的各計(jì)數(shù)點(diǎn)要離起始點(diǎn)遠(yuǎn)一些。要從起始點(diǎn)開(kāi)始測(cè)量出h1、h2，再求出Δh＝h2－h(huán)1。④計(jì)時(shí)器附帶的重物質(zhì)量為300g±3g。實(shí)驗(yàn)室常用的托盤(pán)天平秤量只有200g。如果沒(méi)有500g秤量的物理天平，可以用校準(zhǔn)的500g彈簧秤替代。⑤誤差分析：重物和紙帶下落過(guò)程中要克服阻力，主要是紙帶與計(jì)時(shí)器之間的摩擦力。計(jì)時(shí)器平面不在豎直方向，紙帶平面與計(jì)時(shí)器平面不平行是阻力增大的原因。電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的阻力大于電火花計(jì)時(shí)器。交流電的頻率f不是50Hz也帶來(lái)誤差。f＜50Hz,使動(dòng)能Ek＜Ep的誤差進(jìn)一步加大，f＞50Hz那么可能出現(xiàn)Ek＞Ek的結(jié)果。⑥過(guò)程開(kāi)始和終結(jié)位置的選擇實(shí)驗(yàn)用的紙帶一般小于1m，從起始點(diǎn)開(kāi)始大約能打出20個(gè)點(diǎn)。終結(jié)位置的點(diǎn)可選擇倒數(shù)第一個(gè)點(diǎn)或倒數(shù)第二個(gè)點(diǎn)，從這一個(gè)點(diǎn)向前數(shù)4～6個(gè)點(diǎn)當(dāng)開(kāi)始的點(diǎn)，可以減小這兩個(gè)點(diǎn)瞬時(shí)速度及兩點(diǎn)之間距離〔高度h〕測(cè)量的誤差?！?〕教學(xué)中的幾點(diǎn)考慮①在紙帶上選擇某兩點(diǎn)，比擬重物在這兩點(diǎn)的動(dòng)能與勢(shì)能之和，從而驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，是否回避起始點(diǎn)？課文中“紙帶上某兩點(diǎn)的距離等于重物下落的高度，這樣就能得到重物下落過(guò)程中勢(shì)能的變化〞。在第四節(jié)中已經(jīng)學(xué)習(xí)了重力勢(shì)能的相對(duì)性，處理紙帶時(shí)選擇適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)為參考點(diǎn)，勢(shì)能的大小不必從起始點(diǎn)開(kāi)始計(jì)算。圖5－12如圖5－12所示，選取2、5兩點(diǎn)，比擬它們的機(jī)械能E2和E5，以點(diǎn)5為零勢(shì)能參考點(diǎn)，那么有Ek2+mgh=Ek5這樣，紙帶上打出起始點(diǎn)0后的第一個(gè)0．02s內(nèi)的位移是否接近2mm，以及第一個(gè)點(diǎn)是否清晰也就無(wú)關(guān)緊要了。實(shí)驗(yàn)打出的任何一條紙帶都可以用于計(jì)算機(jī)械能是否守恒。圖5－13實(shí)驗(yàn)時(shí)如果用夾子夾住紙帶，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的第一個(gè)計(jì)時(shí)點(diǎn)的點(diǎn)跡清晰，計(jì)算時(shí)從第一個(gè)計(jì)時(shí)點(diǎn)開(kāi)始至某一點(diǎn)的機(jī)械能守恒，其誤差也不會(huì)太大?；乇艿谝粋€(gè)計(jì)時(shí)點(diǎn)的原因也包括實(shí)驗(yàn)時(shí)手提紙帶的不穩(wěn)定，使第一個(gè)計(jì)時(shí)點(diǎn)打出的點(diǎn)跡過(guò)大，從而測(cè)量誤差加大。②關(guān)于速度的測(cè)量課文中介紹了測(cè)量瞬時(shí)速度的另一種方法，有詳細(xì)的導(dǎo)出過(guò)程。學(xué)生不但應(yīng)當(dāng)懂得公式導(dǎo)出的道理還應(yīng)當(dāng)會(huì)推導(dǎo)公式，并且可以結(jié)合v－t圖象了解瞬時(shí)速度和時(shí)間中點(diǎn)的平均速度相等的物理意義。如圖5－13所示。③處理紙帶時(shí)，如果時(shí)間間隔取0．1s，可能出現(xiàn)紙帶上的點(diǎn)數(shù)不夠用的情況，所以計(jì)時(shí)時(shí)間不要取得太長(zhǎng)。④要求學(xué)生寫(xiě)好實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師一定要評(píng)閱或組織學(xué)生相互交流。學(xué)生自己寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告是實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ囊粋€(gè)方面。尤其是對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠性的評(píng)估，要求學(xué)生不但會(huì)動(dòng)手，更要會(huì)動(dòng)腦。(4)參考實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),m=0．30kg計(jì)數(shù)點(diǎn)n45678910t(s)0．080．100．120．140．160．180．20h(10-2m2．924．626．709．1812．0315．2818．92v=Δh／Δt(m/s)0．9451．141．331．531．72ΔEk=1／2mv20．1340．1950．2650．3510．444ΔEp=mgh0．1360．1970．2700．3540．450

10能量守恒定律與能源(1)能量守恒定律本節(jié)是對(duì)本章知識(shí)內(nèi)容的總結(jié)和擴(kuò)展。學(xué)生通過(guò)機(jī)械能的學(xué)習(xí)，也許會(huì)體會(huì)到“科學(xué)概念的作用在于它具有概括多種自然現(xiàn)象的能力〞。能量就是從千差萬(wàn)別的各種自然現(xiàn)象中抽象出來(lái)的概念。學(xué)生學(xué)習(xí)到這里，已經(jīng)可以從機(jī)械能轉(zhuǎn)化和守恒擴(kuò)展到自然界各種能量的轉(zhuǎn)化和守恒了。本節(jié)可采用討論的教學(xué)形式。例如：按教材P27方框中提示的年代和事件，通過(guò)查找資料來(lái)展示十九世紀(jì)初到十九世紀(jì)中葉的科學(xué)開(kāi)展史，可以組織學(xué)生辦小型的展覽和班會(huì)，請(qǐng)學(xué)生談?wù)勛约簩?duì)能量的認(rèn)識(shí)。特別應(yīng)該對(duì)教材中“思考與討論〞欄目中所說(shuō)的“既然能量是守恒的，不可消滅，為什么我們還要節(jié)約能源？〞的話題進(jìn)行討論。在討論中逐漸使學(xué)生認(rèn)識(shí)到，能量從更深的層次上反映了物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和相互作用的本質(zhì)。能量守恒定律是人們認(rèn)識(shí)自然的重要工具。能源關(guān)系到人們的衣食住行，關(guān)系到國(guó)家的興旺興旺。能源的開(kāi)發(fā)和利用，是關(guān)系人類生存和開(kāi)展的一個(gè)重大的社會(huì)問(wèn)題。這一節(jié)教學(xué)目標(biāo)的落腳點(diǎn)應(yīng)放在使學(xué)生樹(shù)立科學(xué)的世界觀、形成可持續(xù)開(kāi)展的意識(shí)上。新課程更多地與社會(huì)實(shí)際相聯(lián)系，鼓勵(lì)學(xué)生提出問(wèn)題。本節(jié)“思考與討論〞對(duì)能源問(wèn)題做了討論，這是一個(gè)質(zhì)疑的范例，它引導(dǎo)我們考慮能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的方向性。從物理學(xué)的角度研究宏觀過(guò)程的方向性，在現(xiàn)階段只需用一些簡(jiǎn)單的實(shí)例，讓學(xué)生初步地體會(huì)一下就可以了。例如：摩擦力做功的過(guò)程，要損耗機(jī)械能而生熱，產(chǎn)生的熱不可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械功。在其他的宏觀過(guò)程中也是如此，例如：兩種氣體放到一個(gè)容器內(nèi)，總會(huì)均勻地混合到一起，但不會(huì)再自發(fā)地別離開(kāi)來(lái)。通過(guò)實(shí)例說(shuō)明，在能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過(guò)程中，能的量是守恒的，但能量的品質(zhì)卻降低了，可被人直接利用的能在逐漸減少，這是能量耗散現(xiàn)象。所以，能量雖然守恒，但我們還要節(jié)約能源。1問(wèn)題與練習(xí)答：做自由落體運(yùn)動(dòng)的物體在下落過(guò)程中，勢(shì)能不斷減少，動(dòng)能不斷增加，在轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，動(dòng)能和勢(shì)能的總和不變。2問(wèn)題與練習(xí)1．解：甲圖：W=Fscos(180°－150°)=10×2×J=17．32J圖乙：W=Fscos(180°－30°)=－10×2×J=－17．32J圖丙：W=Fscos30°=10×2×J=17．32J2．解：重物被勻速提升時(shí)，合力為零，鋼繩對(duì)重物的拉力的大小等于重物所受的重力，即F＝G＝2×104N鋼繩拉力所做的功為W1=Fscos0°=2×104×5J=1×105J重力做的功為W2=Gscos180°=－2×104×5J=－1×105J物體克服重力所做的功為1×105J，這些力做的總功為零。圖5－143．解：如圖5－14所示，滑雪運(yùn)發(fā)動(dòng)受到重力、支持力和阻力的作用，運(yùn)發(fā)動(dòng)的位移為：s=h／sin30°=20m，方向沿斜坡向下。所以，重力做功：WG=mgscos60°=60×10×20×J=6．0×103J支持力所做的功：WN=FNscos90°=0阻力所做的功：Wf=Fscos180°=－50×20J=－1．0×103J這些力所做的總功W總=Wg+WN+Wf=5．0×103J。4．解：在這兩種情況下，物體所受拉力相同，移動(dòng)的距離也相同，所以拉力所做的功也相同，為7．5J。拉力做的功與是否有其他力作用在物體上沒(méi)有關(guān)系，與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也沒(méi)有關(guān)系。光滑水平面上，各個(gè)力對(duì)物體做的總功為7．5J。粗糙水平面上，各個(gè)力對(duì)物體做的總功為6．5N。3問(wèn)題與練習(xí)1．解：在貨物勻速上升時(shí)，電動(dòng)機(jī)對(duì)貨物的作用力大小為F=G=2．7×105N由P=Fv可得=3．7×10－2m/s2．解：這臺(tái)抽水機(jī)的輸出功率為=3×103W它半小時(shí)能做功W=Pt=3×103×1800J=5．4×106J。3．答：此人推導(dǎo)的前提不明確。當(dāng)F增大，根據(jù)P＝Fv推出，P增大的前提應(yīng)是v不變，從推出，P增大那么v增大的前提是F不變，從推出，v增大F減小的前提是P不變。說(shuō)明：對(duì)這類物理問(wèn)題的方向，應(yīng)注意聯(lián)系實(shí)際，有時(shí)機(jī)械是以一定功率運(yùn)行的，這時(shí)P一定，那么F與v成反比。有時(shí)機(jī)械是以恒定牽引力工作的，這時(shí)P與v成正比。4．解：〔1〕汽車的加速度減小，速度增大。因?yàn)椋藭r(shí)開(kāi)始發(fā)動(dòng)機(jī)在額定功率下運(yùn)動(dòng)，即P=F牽v。v增大那么F牽減小，而，所以加速度減小?！?〕當(dāng)加速度減小到零時(shí)，汽車做勻速直線運(yùn)動(dòng)，F(xiàn)牽＝F，所以，此為汽車在功率P下行駛的最大速度。4問(wèn)題與練習(xí)1．證明：設(shè)斜面高度為h，對(duì)應(yīng)于傾角為θ1、θ2、θ3的斜面長(zhǎng)分別為l1、l2、l3。由功的公式可知，在傾角為θ1的斜面，重力與位移的夾角為〔〕，重力所做的功為：WG=mgl1cos〔〕=mgl1sinθ1=mgh。同理可證，在傾角為θ2、θ3的斜面上，重力所做的功都等于mgh，與斜面傾角無(wú)關(guān)。2．答：〔1〕足球由位置1運(yùn)動(dòng)到位置2時(shí)，重力所做的功為－mgh，足球克服重力所做的功為mgh，足球的重力勢(shì)能增加了mgh?！?〕足球由位置2運(yùn)動(dòng)到位置3時(shí)，重力做的功為mgh，足球的重力勢(shì)能減少了mgh?！?〕足球由位置1運(yùn)動(dòng)到位置3時(shí)，重力做功為零，重力勢(shì)能變化為零。說(shuō)明：此題的意圖是使學(xué)生體會(huì)，重力勢(shì)能的變化是與重力做功相對(duì)應(yīng)的。重力做了多少功,重力勢(shì)能就變化多少。重力做正功重力勢(shì)能減少，重力做負(fù)功重力勢(shì)能增加。3．答：〔1〕所選擇的參考平面小球在A點(diǎn)的重力勢(shì)能小球在B點(diǎn)的重力勢(shì)能整個(gè)下落過(guò)程中小球重力做的功整個(gè)下落過(guò)程中小球重力勢(shì)能的變化桌面5．88J－3．92J9．8J9．8J地面9．8J09．8J9．8J〔2〕如果下落過(guò)程中有空氣阻力，表格中的數(shù)據(jù)不變。說(shuō)明：此題的意圖是使學(xué)生認(rèn)識(shí)，重力勢(shì)能跟零勢(shì)面的選取有關(guān)，而重力勢(shì)能的變化跟重力的功相對(duì)應(yīng)，與零勢(shì)能面的選取無(wú)關(guān)。重力做的功只跟物體位置的變化有關(guān)，與是否存在其他力無(wú)關(guān)。4．答：A正確。例如：物體在向上的拉力作用下，如果做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，這時(shí)拉力的功大于重力勢(shì)能的增加量。如果物體做勻減速直線運(yùn)動(dòng)，這時(shí)拉力的功小于重力勢(shì)能的減少量。B錯(cuò)誤。物體勻速上升，拉力的大小等于重力，拉力的功一定等于重力勢(shì)能的增加量。C錯(cuò)誤。根據(jù)WG=Ep1－Ep2可知，重力做－1J的功，物體勢(shì)能的增加量為1J。D錯(cuò)誤。重力做功只與起點(diǎn)和終點(diǎn)的位置有關(guān)，與路徑無(wú)關(guān)，A、B兩點(diǎn)的位置不變，從A點(diǎn)到B點(diǎn)的過(guò)程中，無(wú)論經(jīng)過(guò)什么路徑，重力的功都是相同的。7問(wèn)題與練習(xí)1．答：a．動(dòng)能是原來(lái)的4倍。b．動(dòng)能是原來(lái)的2倍。c．動(dòng)能是原來(lái)的8倍。d．動(dòng)能不變。2．解：由動(dòng)能定理W=Ek2－Ek1=可知，在題目所述的兩種情況下，()較大的，需要做的功較多。速度由10km/h加速到20km/h的情況下：()＝〔202－102〕〔km/s〕2＝300〔km/s〕2速度由50km/h加快到60km/h情況下：()＝〔602－502〕〔km/s〕2＝1100〔km/s〕2可見(jiàn)，后一種情況所做的功比擬多。3．解：設(shè)平均阻力為f，根據(jù)動(dòng)能定理W=，有fscos180°=＝1．6×103N子彈在木板中運(yùn)動(dòng)5cm時(shí)，所受木板的阻力各處不同，題目所說(shuō)的平均阻力是對(duì)這5cm說(shuō)的。4．解：人在下滑過(guò)程中，重力和阻力做功，設(shè)人受到的阻力為f，根據(jù)動(dòng)能定理W=ΔEk,WG+Wf=mgh－fs=解方程得：vt=4m/s≈5．66m5．解：設(shè)人將足球踢出的過(guò)程中，人對(duì)球做的功為W，根據(jù)動(dòng)能定理可從人踢球到球上升至最大高度的過(guò)程中：WG+W=－0即－mgh+W=

W=×0．5×202J+0．5×10×10J=150J

8問(wèn)題與練習(xí)1．解：〔1〕小球在從A點(diǎn)下落至B點(diǎn)的過(guò)程中，根據(jù)動(dòng)能定理W=ΔEk，mg(h1－h(huán)2)=〔2〕由mg(h1－h(huán)2)=，得mgh1+=mgh2+等式左邊表示物體在A點(diǎn)時(shí)的機(jī)械能，等式右邊表示物體在B點(diǎn)時(shí)的機(jī)械能，小球從A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)的過(guò)程中，機(jī)械能守恒。2．A．飛船升空的階段，動(dòng)力對(duì)飛船做功，飛船的機(jī)械能增加。B．飛船在橢圓軌道上繞地球運(yùn)行的階段，只有引力對(duì)飛船做功，機(jī)械能守恒。C．飛船在空中減速后，返回艙與軌道別離，然后在大氣層以外向著地球做無(wú)動(dòng)力飛行的過(guò)程中，只有引力做功，機(jī)械能守恒。D．進(jìn)入大氣層并運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間后，降落傘張開(kāi)，返回艙下降的過(guò)程中，空氣阻力做功，機(jī)械能減少。3．解：〔1〕石塊從拋出到落地的過(guò)程中，只有重力做功，所以機(jī)械能守恒。設(shè)地面為零勢(shì)能面，根據(jù)機(jī)械能守恒定律：，得根據(jù)動(dòng)能定理：W=Ekt－Ek0即mgh=vt=vt=15m/s〔2〕由vt=知，石塊落地時(shí)速度大小與石塊初速度大小和石塊拋出時(shí)的高度有關(guān)，與石塊的質(zhì)量和石塊初速度的仰角無(wú)關(guān)。4．解：根據(jù)題意，切斷電動(dòng)機(jī)電源的列車，假定在運(yùn)動(dòng)中機(jī)械能守恒，要列車沖上站臺(tái)，此時(shí)列車的動(dòng)能Ek至少要等于列車在站臺(tái)上的重力勢(shì)能Ep。列車沖上站臺(tái)時(shí)的重力勢(shì)能：Ep=mgh=20mm2/s2列車在A點(diǎn)時(shí)動(dòng)能：Ek=×m×72m2/s2=24．5mm2/s2可見(jiàn)Ek＞Ep，所以列車能沖上站臺(tái)。設(shè)列車沖上站臺(tái)后的速度為v1。根據(jù)機(jī)械能守恒定律，有Ek=Ep+=Ek－Ep=24．5mm2/s2－20mm2/s2=4．5mm2/s2可得v1＝3m/s5．答：〔1〕從狀態(tài)甲至狀態(tài)丙的過(guò)程中，彈性勢(shì)能逐漸減少，動(dòng)能和重力勢(shì)能逐漸增大，當(dāng)彈簧對(duì)小球向上的彈力大小與重力大小相等時(shí)，物體的動(dòng)能到達(dá)最大。之后，彈性勢(shì)能和動(dòng)能逐漸減少，重力勢(shì)能逐漸增大，當(dāng)彈簧恢復(fù)到自然長(zhǎng)度時(shí)，彈性勢(shì)能為零。之后，重力勢(shì)能仍逐漸增大，動(dòng)能逐漸減少，到達(dá)C點(diǎn)時(shí)，動(dòng)能減少到零，重力勢(shì)能到達(dá)最大。小球從狀態(tài)甲運(yùn)動(dòng)到狀態(tài)丙的過(guò)程中，機(jī)械能守恒，彈簧的彈性勢(shì)能為：mg(hAB+hBC)=0．2×10(0．1+0．2)J=0．6J〔2〕小球從狀態(tài)乙到狀態(tài)丙的過(guò)程中，動(dòng)能逐漸減少，重力勢(shì)能逐漸增大。小球從狀態(tài)乙到狀態(tài)丙的過(guò)程中，機(jī)械能守恒，所以小球在B點(diǎn)的動(dòng)能與小球在C點(diǎn)的勢(shì)能相等，EkB＝mghBC＝0．2×10×0．2J＝0．4J10問(wèn)題與練習(xí)1．答：家用電飯鍋是把電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；洗衣機(jī)是把電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，等等。2．解：〔1〕依題意可知，三峽水庫(kù)第二期蓄水后，用于發(fā)電的水流量每秒為：1．35×104m3－3500m每秒鐘轉(zhuǎn)化為電能是：mgh×20％＝ρVgh×20％＝1．0×103×1．0×104×10×135×20％J/s＝2．7×109J/s發(fā)電功率最大是2．7×109W=2．7×106kW。(2)設(shè)三口之家每戶的家庭生活用電功率為1kW，考慮到不是每家同時(shí)用1kW的電，我們平均每家同時(shí)用電0．5kW，那么三峽發(fā)電站能供應(yīng)=5．8×106戶用電，人口數(shù)為3×5．8×106=17×106人，即可供17個(gè)百萬(wàn)人口城市的生活用電?！惨弧掣拍?、規(guī)律和背景資料機(jī)械功的定義和計(jì)算機(jī)械功是所有廣義功中最根本，也是最重要的一類。實(shí)際上，顧名思義，廣義功的概念是由機(jī)械功推廣而來(lái)的。由于機(jī)械功是系統(tǒng)機(jī)械能傳遞與轉(zhuǎn)化的量度，所以把它與能量，特別是機(jī)械能分開(kāi)來(lái)討論是不可能的。以下我們一般把機(jī)械功就簡(jiǎn)稱為功。圖5－15一個(gè)質(zhì)點(diǎn)m，在恒力F的作用下發(fā)生了一段有限的直線位移Δr，r是質(zhì)點(diǎn)m相對(duì)于所選的參考系固定的任意點(diǎn)O的位置矢量，Δr與F之間的夾角為θ，如圖5－15，那么力F對(duì)該質(zhì)點(diǎn)所做的功W被定義為A=F·Δr=Frcosθ

〔1〕這個(gè)定義式是說(shuō)，恒力對(duì)質(zhì)點(diǎn)在一段直線位移上所做的功，等于該力與質(zhì)點(diǎn)位移的標(biāo)積，或說(shuō)等于力的大小、位移的大小及力與位移間夾角的余弦三者的乘積。由這個(gè)定義式可以討論幾個(gè)問(wèn)題?！?〕質(zhì)點(diǎn)是一種理想模型，實(shí)際中并不存在。對(duì)質(zhì)點(diǎn)定義功，是為了概念和計(jì)算的精確。在功的定義中涉及的〔線〕位移，原那么上也只對(duì)質(zhì)點(diǎn)有定義；經(jīng)推廣，可用于做平動(dòng)的剛體及一般力學(xué)系統(tǒng)的平動(dòng)分運(yùn)動(dòng)。但是，在現(xiàn)行的初中物理教材中沒(méi)有介紹過(guò)質(zhì)點(diǎn)模型；高中教材中雖做了介紹，但在其力學(xué)的動(dòng)力學(xué)局部中根本沒(méi)有使用。所以把做功與被做功的對(duì)象統(tǒng)稱為“物體〞。這樣做的一個(gè)好處是，可以使初學(xué)者更容易理解“功是能量變化的量度〞這一本質(zhì)?！澳芰孔兓暿潜囟ㄒl(fā)生在實(shí)際物體之中或?qū)嶋H物體之間的?！?〕但凡把被做功的對(duì)象稱之為“物體〞的教材，對(duì)做功過(guò)程中發(fā)生的位移都說(shuō)是“力的作用點(diǎn)的位移〞或“物體的位移〞。力的作用點(diǎn)也稱為物體的受力點(diǎn)，這也是一個(gè)抽象的概念，實(shí)際中不存在物體的受力部位是一個(gè)沒(méi)有尺寸大小的幾何點(diǎn)的情況。如果物體的受力部位比擬集中，那么在一定條件下可以把受力部位視為一個(gè)點(diǎn)，這就是力的作用點(diǎn)。例如，用一根細(xì)繩牽引物體，那么物體上與繩的連接部位就可以視為繩對(duì)物體的拉力的作用點(diǎn)。這里，繩為細(xì)繩是條件。所以，所謂“作用點(diǎn)的位移〞，一般應(yīng)理解為物體受力部位能視為質(zhì)點(diǎn)時(shí)該質(zhì)點(diǎn)的位移。如上所言，位移只對(duì)點(diǎn)有定義。所以，所謂“物體的位移〞是指物體可以視為質(zhì)點(diǎn)時(shí)的位移。例如，對(duì)一個(gè)只做平動(dòng)的剛體就可以言及它的位移；對(duì)于一般物體的平動(dòng)分運(yùn)動(dòng)也可以言及位移。如果這樣的位移是在某個(gè)力的作用下發(fā)生的，就可以用〔1〕式計(jì)算這個(gè)力在該位移上對(duì)物體做的功。前面已經(jīng)提過(guò)，在現(xiàn)行的初、高中教材中都把被做功的對(duì)象稱為“物體〞，如說(shuō)“物體在力的方向上通過(guò)的距離〞、“物體……在力的方向上發(fā)生一段位移〞等，這里的“物體〞都應(yīng)理解為可以抽象成質(zhì)點(diǎn)的?！?〕功的計(jì)算與參考系的選擇有關(guān)，〔1〕式須對(duì)指定參考系應(yīng)用。〔按習(xí)慣，凡不特加說(shuō)明的，都是以地面參考系為指定參考系。〕做功的兩個(gè)必要因素──力和位移與參考系的關(guān)系是不同的。力學(xué)中常見(jiàn)的作用力，有的只和相互作用的質(zhì)點(diǎn)間的距離有關(guān)，如萬(wàn)有引力〔含重力〕、彈性力，而摩擦力本質(zhì)是分子力和庫(kù)侖力，它們也是由相互作用的質(zhì)點(diǎn)間的距離決定的；有的由宏觀上看只與質(zhì)點(diǎn)間的相對(duì)速度有關(guān)，如介質(zhì)阻力。但由經(jīng)典力學(xué)的伽利略變換可知，質(zhì)點(diǎn)間的距離與彼此間的相對(duì)速度與參考系的選擇無(wú)關(guān)。所以，在經(jīng)典力學(xué)范圍內(nèi)，作用力與參考系的選擇無(wú)關(guān)。但是位移作為一個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)的量，與參考系的選擇有明顯的關(guān)系。這樣，綜合起來(lái)看，一個(gè)作用力的功有相對(duì)性，即與參考系的選擇有關(guān)，這是由受力質(zhì)點(diǎn)的位移有相對(duì)性決定的。圖5－16圖5－17〔4〕在注意了功的相對(duì)性之后，再來(lái)討論一個(gè)有關(guān)位移的問(wèn)題。由于實(shí)際中被做功的對(duì)象都是有大小尺寸的物體，所以有時(shí)會(huì)發(fā)生力的作用點(diǎn)〔受力質(zhì)點(diǎn)〕在物體上改變位置的情況。作用點(diǎn)的位置改變，不算為作用點(diǎn)對(duì)指定參考系發(fā)生位移，在這個(gè)改變上該力沒(méi)有對(duì)物體做功。例如，如圖5－16所示，手捏住一端固定于墻壁上的繩并在繩上滑動(dòng)，繩上不同點(diǎn)順次充當(dāng)手對(duì)繩的摩擦力F的作用點(diǎn)；但各作用點(diǎn)均未對(duì)指定參考系〔地面〕發(fā)生位移，故這個(gè)摩擦力對(duì)繩不做功。又如，如圖5－17所示，子彈頭射入一固定于地面的木塊中，彈孔壁上的不同點(diǎn)〔實(shí)際上是一圈〕順次充當(dāng)子彈對(duì)木塊的摩擦力F的作用點(diǎn)；但各作用點(diǎn)均未對(duì)指定參考系發(fā)生位移，故這個(gè)摩擦力對(duì)木塊不做功。但是，假設(shè)木塊不固定，在子彈射入并停止在其中的過(guò)程中，相對(duì)地面發(fā)生了一段直線平動(dòng)位移Δr，那么在這個(gè)位移上F對(duì)木塊做功，假設(shè)將F視為恒力，那么這個(gè)功為F?Δr?！?〕不同的書(shū)中會(huì)出現(xiàn)“力做功〞及“物體做功〞兩種提法。那么，這兩種提法究竟有沒(méi)有區(qū)別呢？首先應(yīng)該說(shuō)，從原那么上講這兩種提法是通用的，沒(méi)有什么不同，說(shuō)物體做功，也是說(shuō)物體對(duì)被做功的對(duì)象所施的力在做功。但仔細(xì)玩味，二者還是有些細(xì)微差異的。由功是能量的傳遞與轉(zhuǎn)化的量度這一角度來(lái)看，提“物體做功〞更實(shí)際一些，所以認(rèn)為它只是“力做功〞的簡(jiǎn)單說(shuō)法似乎粗糙了一些。另外，對(duì)初中學(xué)生來(lái)說(shuō)，“力做功〞太抽象了，不如“物體做功〞容易接受。當(dāng)?shù)搅烁邔哟蔚膶W(xué)習(xí)階段，所遇到的做功的情況復(fù)雜起來(lái)了。用“力做功〞的提法分析起來(lái)就會(huì)更精確。什么“作用力的功〞、“反作用力的功〞、“合力的功〞、“分力的功〞等等都能分得很清楚，表達(dá)得很簡(jiǎn)明。所以，“力做功〞的提法會(huì)更好用。例如，對(duì)“合力的功等于諸分力功的代數(shù)和〞這一定理的表述和證明，改用“物體做功〞的提法就很難進(jìn)行?！?〕在〔1〕式中，假設(shè)有＜θ≤π，那么有W＜0，即力對(duì)物體做負(fù)功。由動(dòng)能定理來(lái)看，力對(duì)物體做負(fù)功，是使物體的動(dòng)能減少。在習(xí)慣上，對(duì)這個(gè)問(wèn)題還有一種提法，叫做“物體克服阻力做了功〞。對(duì)這種提法存在著不同的理解。例如，在現(xiàn)行的高中教材中說(shuō)：“一個(gè)力對(duì)物體做了負(fù)功，是因?yàn)檫@個(gè)力阻礙物體的運(yùn)動(dòng)，成為物體運(yùn)動(dòng)的阻力。在這種情況下，我們也常常說(shuō)成是物體克服這個(gè)力做了功〔取絕對(duì)值〕。所以，摩擦力對(duì)前進(jìn)中的機(jī)車做負(fù)功，也可以說(shuō)成是機(jī)車克服摩擦力做了功。向上拋出的物體在向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，重力對(duì)物體做負(fù)功，也可以說(shuō)成是物體克服重力做了功。〞由這段話可以看出，這里是把這兩種提法視為是兩件事，在前一件事中被做了負(fù)功的物體，在后一件事中成了對(duì)外做等值正功的物體，而隱含的轉(zhuǎn)換條件就是“作用力的功與反作用力的功等值異號(hào)〞。但是，這條“規(guī)律〞并不是普遍存在的〔參看后面的“內(nèi)力的功〞局部?！乘杂腥藢?duì)此提出異議，提出了“滑動(dòng)的物體在克服摩擦阻力前進(jìn)的過(guò)程中，究竟是物體的哪一個(gè)力做了正功；物體在克服重力上升的過(guò)程中，究竟是物體的哪個(gè)力做了正功〞等問(wèn)題。筆者持另一種意見(jiàn)，認(rèn)為“力做負(fù)功〞與“物體克服阻力做功〞只是同一件事的兩種不同說(shuō)法而已。這里根本不牽涉物體施出的力做功的問(wèn)題。后一種說(shuō)法只是被做負(fù)功的物體動(dòng)能減少這一事實(shí)的代換說(shuō)法；至于所減少的動(dòng)能哪里去了：是傳遞給其他物體了，還是轉(zhuǎn)化為物體所參與的系統(tǒng)的勢(shì)能了，還是轉(zhuǎn)化為除勢(shì)能以外的能量形式了，亦或是這幾種情況兼而有之，那么純屬于另外的問(wèn)題，不影響這兩說(shuō)法的等價(jià)性。至于這種代換說(shuō)法是否完全貼切，那么當(dāng)別論，反正已是約定俗成了。摘自?高中物理專題分析叢書(shū)──功、熱量和能?，人民教育出版社〔二〕聯(lián)系生活、科技和社會(huì)資料1．柴油機(jī)車的功率與效率以柴油機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力通過(guò)傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)車輪的機(jī)車。柴油機(jī)不能自己起動(dòng)，需要借助另一小功率動(dòng)力機(jī)械或高壓壓縮空氣在無(wú)負(fù)荷〔與機(jī)車動(dòng)軸脫離聯(lián)系〕狀態(tài)下才能起動(dòng)。起動(dòng)后要在一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)才能獲得足夠的轉(zhuǎn)矩和功率來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)車。而機(jī)車的速度變化非常大，從靜止到最高速度，即動(dòng)輪轉(zhuǎn)速?gòu)牧愕阶罡咿D(zhuǎn)速。故不能將柴油機(jī)軸直接和機(jī)車軸連接，必須在兩者之間配裝一套可變轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的傳動(dòng)裝置作媒介，將動(dòng)力傳送到機(jī)車動(dòng)軸。傳動(dòng)裝置應(yīng)能充分發(fā)揮柴油機(jī)功率，又使機(jī)車具有良好的牽引特性，而且效率要高。常用的柴油機(jī)車的傳動(dòng)裝置有機(jī)械傳動(dòng)裝置、液力傳動(dòng)裝置〔液力耦合器和液力變扭器〕和電力傳動(dòng)裝置。①機(jī)械傳動(dòng)裝置：用機(jī)械方式變換機(jī)車動(dòng)輪和原動(dòng)機(jī)〔柴油機(jī)〕的轉(zhuǎn)速比和轉(zhuǎn)矩比以傳遞動(dòng)力的裝置。柴油機(jī)經(jīng)過(guò)主離合器與多擋位的齒輪變速箱相連，變速箱的輸出軸通過(guò)萬(wàn)向軸和車軸齒輪箱連接〔或通過(guò)曲拐和連桿〕，驅(qū)動(dòng)機(jī)車車輪。啟動(dòng)柴油機(jī)時(shí)，先將主離合器脫開(kāi)，柴油機(jī)工作平穩(wěn)后，閉合主離合器，使機(jī)車起動(dòng)。隨著機(jī)車速度的加快，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速也成正比地上升。到柴油機(jī)轉(zhuǎn)速上升到最高轉(zhuǎn)速時(shí)，必須即時(shí)換接齒輪變速箱的下一擋位，以減少變速箱輸出軸和輸入軸的轉(zhuǎn)速比。換擋時(shí)，先降低柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，換擋完成后，再提高柴油機(jī)轉(zhuǎn)速以增加機(jī)車速度，直至柴油機(jī)又到達(dá)最高轉(zhuǎn)速，再換接到下一擋位。柴油機(jī)在每一變速擋位下的轉(zhuǎn)速與機(jī)車速度成正比，它的功率也就根本上與機(jī)車速度成正比，因而柴油機(jī)幾乎總不能發(fā)揮它的全部功率的潛力。機(jī)車牽引曲線只能呈階梯形。階梯的級(jí)數(shù)等于變速的擋位數(shù)。級(jí)數(shù)越多，功率的利用越好，但傳動(dòng)裝置也越復(fù)雜、越重、越貴。柴油機(jī)車的傳動(dòng)裝置一般為4～5級(jí)。②液力傳動(dòng)裝置：利用原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)離心泵，使獲得能量的工作液體〔機(jī)車用油〕沖擊渦輪從而驅(qū)動(dòng)車輪來(lái)實(shí)現(xiàn)傳遞動(dòng)力的裝置。1902年德國(guó)的費(fèi)廷格提出了液力循環(huán)元件〔液力耦合器和液力變扭器〕的方案，即將泵輪和渦輪組合在同一殼體內(nèi)，工作液體在循環(huán)流動(dòng)，這種元件大大提高了液力傳動(dòng)裝置的效率。液力耦合器有相對(duì)布置的一個(gè)泵輪和一個(gè)渦輪，泵輪和渦輪的扭矩相等。渦輪轉(zhuǎn)速略低于泵輪轉(zhuǎn)速，兩者轉(zhuǎn)速之比即為液力耦合器的效率。液力耦合器用于機(jī)車主傳動(dòng)時(shí)，效率約為97％。液力變扭器除泵輪和渦輪外，還有固定的導(dǎo)向輪。渦輪與泵輪的扭矩之比稱為變扭比，轉(zhuǎn)速比越小那么變扭比越大。在同樣的泵輪轉(zhuǎn)速下，渦輪轉(zhuǎn)速越低那么渦輪扭矩越大。因此，機(jī)車速度越低那么牽引力越大。機(jī)車起動(dòng)時(shí)牽引力最大。液力變扭器的效率只在最正確工況下到達(dá)最大值?，F(xiàn)代機(jī)車用的液力變扭器效率可達(dá)90％～91％。但當(dāng)轉(zhuǎn)速比低于或高于最正確工況時(shí)，效率曲線呈拋物線形狀下降。液力傳動(dòng)裝置不用銅，重量輕，本錢(qián)低，可靠性高，維修量少，并具有隔振、無(wú)級(jí)調(diào)速和恒功率特性好等優(yōu)點(diǎn)。因而得到廣泛的應(yīng)用。③電力傳動(dòng)裝置：把機(jī)車原動(dòng)機(jī)的動(dòng)力變換成電能，再變換成機(jī)械能以驅(qū)動(dòng)車輪而實(shí)現(xiàn)傳遞動(dòng)力的裝置。電力傳動(dòng)裝置按開(kāi)展的順序有直－直流電力傳動(dòng)裝置、交－直流電力傳動(dòng)裝置、交－直－交流電力傳動(dòng)裝置、交－交流電力傳動(dòng)裝置四種。它們所用的牽引發(fā)電機(jī)、變換器〔指整流器、變送器、循環(huán)變頻器等〕和牽引電動(dòng)機(jī)類型各不相同。圖5－18〔i〕直－直流電力傳動(dòng)裝置：工作原理如圖5－18所示，原動(dòng)機(jī)G為柴油機(jī)，通過(guò)聯(lián)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)直流牽引發(fā)電機(jī)ZF，后者把柴油機(jī)軸上的機(jī)械能變換成可控的直流電能，通過(guò)電線傳送給1臺(tái)或多臺(tái)串并聯(lián)或全并聯(lián)接線的直流牽引電動(dòng)機(jī)ZD，直流牽引電動(dòng)機(jī)將電能變換成轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩都可調(diào)節(jié)的機(jī)械能，經(jīng)減速齒輪驅(qū)動(dòng)機(jī)車動(dòng)輪，實(shí)現(xiàn)牽引。此外設(shè)有自控裝置。自控裝置既對(duì)柴油機(jī)調(diào)速又對(duì)牽引發(fā)電機(jī)調(diào)磁的聯(lián)合調(diào)節(jié)器、牽引發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)和牽引電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)控制的裝置等組成，用來(lái)保證直－直流電力傳動(dòng)裝置接近理想的工作特性。圖5－19〔ii〕交－直流電力傳動(dòng)裝置：工作原理如圖5－19所示，與直－直流電力傳動(dòng)裝置原理相似，可以看出兩者的差異在于柴油機(jī)G驅(qū)動(dòng)同步牽引發(fā)電機(jī)TF，經(jīng)二極管整流橋ZL，把增頻三相交流電變換成直流電，事實(shí)上TF和ZL組成無(wú)整流子直流電機(jī)。其余局部和自控裝置主要工作原理與直－直流電力傳動(dòng)裝置相同。圖5－20〔iii〕交－直－交流電力傳動(dòng)裝置：異步牽引電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，工作可靠，在變頻調(diào)壓電源控制下能提供優(yōu)良的調(diào)整性能。如圖5－20所示，柴油機(jī)G驅(qū)動(dòng)同步牽引發(fā)電機(jī)TF，產(chǎn)生恒頻可調(diào)三相交流電〔柴油機(jī)恒速時(shí)〕，經(jīng)整流橋ZL變換成直流電，再經(jīng)過(guò)可控硅逆變器N〔具有分諧波調(diào)制功能〕再將直流電逆變成三相變頻調(diào)壓交流電，通過(guò)三根電線傳輸給多臺(tái)并聯(lián)接線的異步牽引電動(dòng)機(jī)AD。AD將交流電能變換成轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩可調(diào)的機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)機(jī)車動(dòng)輪，實(shí)現(xiàn)牽引。它的自控裝置由聯(lián)合調(diào)節(jié)器以及對(duì)同步牽引發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)、變換器、異步牽引電動(dòng)機(jī)作脈沖、數(shù)?；蜻壿嬁刂频难b置組成，從而提供接近理想的工作特性。圖5－21〔iv〕交－交流電力傳動(dòng)裝置：交－直－交流變頻調(diào)壓電能經(jīng)二次變換，降低了傳動(dòng)裝置的效率，而且逆變器用可控硅需要強(qiáng)迫關(guān)斷，對(duì)主電路技術(shù)有較高的要求。為提高效率，在交－交流電力傳動(dòng)裝置中采用了自然關(guān)斷可控硅相控循環(huán)變頻器，如圖5－21所示，柴油機(jī)G驅(qū)動(dòng)同步發(fā)電機(jī)TF，發(fā)出增頻可調(diào)壓交流電，經(jīng)相控循環(huán)變頻器FB變換成可變頻調(diào)壓的三相交流電〔降頻〕，輸給多臺(tái)全并聯(lián)接線的異步牽引電動(dòng)機(jī)AD〔也有用同步牽引電動(dòng)機(jī)的〕。AD將交流電能變換成轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩可調(diào)的機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)動(dòng)輪實(shí)現(xiàn)牽引。它的自控裝置也是由聯(lián)合調(diào)節(jié)器、脈沖、數(shù)模、邏輯電路等裝置構(gòu)成〔但對(duì)可控硅導(dǎo)通程序要求嚴(yán)格〕，同樣能保證優(yōu)良的工作特性。2．電力機(jī)車的功率與效率①直流電力機(jī)車：裝有直流串勵(lì)牽引電動(dòng)機(jī)的機(jī)車，接觸網(wǎng)電壓為1500V或3000V直流電壓。直流電力機(jī)車的起動(dòng)和速度調(diào)節(jié)以往是借助于調(diào)節(jié)起動(dòng)電阻和牽引電動(dòng)機(jī)的串聯(lián)－并聯(lián)轉(zhuǎn)換來(lái)完成的。但這種起動(dòng)和調(diào)速方式不能做到連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)速度，而且電能耗損大，線路轉(zhuǎn)換復(fù)雜。隨著直流斬波技術(shù)的開(kāi)展，逐漸為新的脈沖調(diào)壓方式所代替。在直流電力機(jī)車上通常采用牽引電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)削弱的方法來(lái)提高機(jī)車的速度，增加機(jī)車功率。磁場(chǎng)削弱的級(jí)數(shù)一般為二至三級(jí)。②交流電力機(jī)車：接觸網(wǎng)電壓20kV或25kV，單相