必修二物理功率教学课件

必修二物理《功率》教学课件本课件将深入探讨功率的概念、计算方法及其在日常生活和科学中的应用通过系统学习，帮助高中学生掌握功率这一重要物理量，建立正确的物理观念，提升解决实际问题的能力学习目标理解功率的物理意义深入理解功率作为描述做功快慢的物理量，其本质含义和应用场景掌握功率计算方法熟练应用功率公式P=W/t和P=F·v，能够针对不同情境选择合适的计算方法能分析功率在实际中的应用将功率概念应用到日常生活和科技领域，解决实际问题，培养物理思维温故知新功的概念功的定义功的单位在物体位移方向上，力对物体所做的功等于力在位移方向上的分量与位国际单位制中，功的单位是焦耳（J）移大小的乘积1焦耳=1牛顿·1米当力与位移方向相同时W=F·s1J=1N·m其中，W为功，F为力，s为位移功是标量，只有大小，没有方向问题引入思考问题生活中的疑问小明和小红搬运相同重量的箱子到同一高度，小明用了2分钟，小红用了•同样是100瓦的灯泡和电风扇，为什么电费一样？5分钟•汽车引擎的马力表示什么？他们做的功相同，但为什么感觉不同？•为什么短跑运动员比长跑运动员更容易疲劳？物理学如何描述做功快慢这一现象？功率的初步理解功率的概念生活中的例子功率是描述做功快慢的物理量，表跑步与散步虽然走相同的路程，但消示单位时间内所做的功耗能量的速度不同，跑步的功率更大物理意义功率反映了能量转化或传递的快慢程度，是衡量能量利用效率的重要指标我们需要一个物理量来定量描述做功的快慢，这就是功率的概念引入背景功率的定义数学定义物理含义功率定义为做功的快慢，用功与时间的比值表示功率表示单位时间内所做的功，反映能量转化或传递的速率当一个物体在单位时间内做功越多，其功率就越大功率是描述能量转化效率的重要物理量，在工程技术和日常生活中有广泛应用其中•P表示功率•W表示做功的量•t表示做功所用的时间功率的单位国际单位常用单位换算功率的国际单位是瓦特（W），以英1千瓦（kW）=1000瓦特（W）国科学家詹姆斯·瓦特命名1兆瓦（MW）=1000千瓦（kW）1瓦特=1焦耳/秒1马力≈746瓦特1W=1J/s单位应用家用电器通常用瓦特（W）或千瓦（kW）标示发电站输出功率常用兆瓦（MW）或吉瓦（GW）汽车发动机功率常用马力或千瓦（kW）表示符号与物理量类型功率的符号与类型相关物理量•功率用符号P表示，来源于英文Power功率计算涉及的物理量•功率是标量，只有大小，没有方向•W（功）单位J，标量•功率可以是正值，表示做正功的速率•t（时间）单位s，标量•功率也可以是负值，表示做负功的速率•F（力）单位N，矢量•v（速度）单位m/s，矢量在计算P=F·v时，需要考虑F与v的夹角功率的物理意义能量转化的速率功率本质上表征单位时间内能量转化或传递的快慢功率越大，单位时间内能量转化或传递越多效率与性能指标功率是评价机器、设备性能的重要指标同类设备中，功率大的通常工作效率更高实际应用意义指导能源使用与设备选择帮助分析运动、工程等过程中的能量转化情况理解功率的物理意义，有助于我们更好地认识能量转化过程，解决实际问题判断谁做功快问题分析结论推导甲乙两人用同样的力F跑相同的距离s，但甲用时t₁，乙用时t₂，且t₁由于t₁F·s/t₂两人做的功相同W甲=W乙=F·s因此P甲P乙根据功率定义P=W/t结论用时少的人功率大甲的功率P甲=W甲/t₁=F·s/t₁这符合我们的直觉相同的工作，完成得越快，功率越大乙的功率P乙=W乙/t₂=F·s/t₂这也解释了为什么短跑比长跑更耗费体力，因为短跑的功率更大瞬时功率的引入平均功率的局限瞬时功率的概念实际过程中，物体做功的快慢可能随时间变化为描述某一时刻做功的快慢，引入瞬时功率概念例如汽车加速过程中，功率不断变化瞬时功率定义为做功的瞬时速率平均功率P=W/t无法描述这种变化表示在极短时间内的功与时间之比这是一个微分概念，需要用到微积分知识瞬时功率公式拓展恒力做功时的瞬时功率公式推导对于恒力做功的情况，瞬时功率可以表示为对于很小的时间间隔dt，做功dW=F·ds而ds=v·dt，所以dW=F·v·dt因此，瞬时功率其中•P是瞬时功率•F是作用力•v是物体速度注意当F与v方向不同时，P=F·v·cosθ，其中θ是F与v的夹角举例分析＝的应用P F·v情境描述一辆质量为1000kg的汽车在水平公路上以20m/s的匀速行驶已知空气阻力和摩擦力的合力为2000N，求发动机输出的功率分析过程汽车匀速行驶，说明合外力为零因此，发动机提供的牵引力F等于阻力2000N汽车速度v为20m/s计算功率根据公式P=F·v代入数据P=2000N×20m/s=40000W=40kW因此，发动机输出功率为40kW功率与能源消耗功率与能量转化速率日常例子功率大意味着单位时间内能量转化快电热水器（2000W）比电灯泡（60W）耗电更快相同时间内，高功率设备消耗更多能源空调（1500W）比电风扇（60W）能耗高能源消耗计算能量=功率×时间E=P×t单位焦耳J或千瓦时kWh了解功率对于合理使用能源、降低能源消耗具有重要意义选择合适功率的设备，可以在满足需求的同时避免能源浪费典型案例运动员与搬运工问题设置分析要点运动员以10m/s的速度跑了100m，用时10s关键是找出两种情况下做功的大小和时间搬运工在10s内将50kg的箱子搬到2m高处运动员克服阻力做功问谁的功率大？搬运工克服重力做功计算功率需要明确做功对象、做功力和位移注意区分水平运动和垂直提升的不同典型案例分析步骤计算功率计算做功量搬运工P=W/t=980J/10s=98W明确做功对象与力搬运工W=mgh=50kg×

9.8N/kg×运动员P=W/t=20000J/10s=2000W搬运工对箱子做功，克服重力2m=980J结论运动员的功率更大运动员对地面做功，克服阻力运动员假设阻力F=200N，则W=F·s=200N×100m=20000J基本类型一已知功与时间求功率例题解题步骤小明将重5N的书本垂直举高

0.8m，共用时4s，求小明做功的平均功率第一步计算小明对书本所做的功W=F·s=5N×

0.8m=4J功率计算结论与思考第二步根据功率定义计算小明做功的平均功率为1瓦特P=W/t=4J/4s=1W这相当于一个非常小的LED灯的功率基本类型二已知、求功率F v例题一列火车以20m/s的匀速运行，牵引力为2×10⁴N，求火车发动机的功率分析火车匀速运动，说明合外力为零牵引力F等于阻力大小可直接应用P=F·v公式计算P=F·v=2×10⁴N×20m/s=4×10⁵W=400kW结论火车发动机的功率为400千瓦相当于约536马力功率的曲线理解W-t图像的物理意义不同功率的图像特点在功-时间W-t图像中恒定功率W-t图像是一条直线，斜率为功率值•横轴表示时间t变化功率W-t图像是一条曲线，各点斜率不同•纵轴表示做功量W功率增大W-t曲线变得更陡•曲线斜率表示功率P功率减小W-t曲线变得更平缓P=dW/dt=曲线在该点的斜率功率为零W-t曲线水平（不做功）经典误区解析功率与功的混淆误区认为功率就是功解析功是能量传递或转化的量，单位焦耳J；功率是做功的快慢，单位瓦特W功率与速度的关系误区速度大功率一定大解析功率P=F·v，不仅与速度有关，还与力有关速度大但力小，功率可能不大功率与力的关系误区力大功率一定大解析功率不仅与力有关，还与速度有关力大但速度小，功率也可能不大避免这些误区，需要理解功率的本质是做功的快慢，与功、力、速度都有联系但不等同难点突破瞬时功率某一时刻与过程的差异恒力做功的瞬时功率平均功率描述整个过程的做功快慢对于恒力做功例如汽车加速过程中，虽然牵引力F可能保持不变，但由于速度v在变瞬时功率描述某一时刻的做功快慢化，瞬时功率也在变化加速运动中P随v增大而增大减速运动中P随v减小而减小当做功速率变化时，平均功率不能准确反映任一时刻的情况瞬时功率常见考法初始功率计算变速运动分析初始时刻v₁=2m/s例题一物体在水平面上运动，受到大小为10N的恒定推力若物体的速度初始功率P₁=F·v₁=10N×2m/s=20W从2m/s增加到5m/s，求推力功率的变化结论末速度功率计算功率增加了ΔP=P₂-P₁=50W-20W=30W末速度v₂=5m/s功率增加了

2.5倍，与速度增加的比例相同末速度功率P₂=F·v₂=10N×5m/s=50W多步计算典型题问题描述一部电梯载重500kg，以2m/s的速度匀速上升10m，求电动机的输出功率已知电梯系统的机械效率为80%计算有用功电梯上升过程中，重力做负功，电动机做正功有用功W有用=重力势能增加=mgh=500kg×

9.8N/kg×10m=49000J考虑效率机械效率η=W有用/W输出=80%电动机输出功W输出=W有用/η=49000J/

0.8=61250J计算功率电梯上升时间t=s/v=10m/2m/s=5s电动机功率P=W输出/t=61250J/5s=12250W=

12.25kW功率与效率的联系效率的定义功率与效率的关系效率η是有用功与总功的比值输入功率与输出功率的关系实际应用中，效率决定了能量转化中的损耗效率表示能量转化的有效程度例如η始终小于1（或100%）•白炽灯效率约5%，功率100W时，只有5W转化为光能•LED灯效率可达90%，功率10W时，有9W转化为光能生活中的功率对比60W800W1500W台灯微波炉电水壶普通LED台灯的功率，足家用微波炉的典型功率，电水壶的常见功率，可在够照明但能耗低可快速加热食物数分钟内烧开水200W冰箱家用冰箱的平均功率，需要24小时持续运行了解家用电器的功率有助于估算电费电费=功率kW×使用时间h×电价元/kWh例如使用1500W电水壶10分钟，电价为

0.5元/kWh，电费为

1.5kW×10/60h×

0.5元/kWh=

0.125元功率与机械能转化势能物体因位置不同而具有的能量例如高处的物体具有重力势能Ep=mgh动能物体因运动而具有的能量动能公式Ek=½mv²机械能势能与动能的总和E=Ep+Ek功率机械能变化快慢的物理量P=dE/dt功率大意味着机械能变化快例如，相同高度滑下的滑板车，质量大的滑板车势能转化为动能快，功率大实验探究一测定小车拉力功率实验目的测定小车拉力做功的功率，验证P=F·v公式实验器材小车、弹簧测力计、计时器、卷尺、砝码实验步骤•用弹簧测力计拉动小车，使其匀速运动•记录弹簧测力计的读数F•测量小车运动的距离s和时间t•计算小车的速度v=s/t•计算功率P=F·v，并与P=W/t=F·s/t进行比较数据处理计算不同情况下的功率，分析实验误差来源讨论影响功率测量准确性的因素实验探究二用电吹风测功率实验目的与原理实验步骤测量电吹风的实际功率，比较与铭牌标称功率的差异

1.用电压表测量电源电压U

2.将电吹风接入电流表，测量工作电流I原理电功率P=UI，其中U为电压，I为电流

3.计算电功率P=UI

4.比较计算结果与电吹风铭牌标称功率

5.分析差异原因（如电阻变化、电压波动等）实验注意事项确保用电安全，使用合适量程的仪表，多次测量取平均值以减小误差数据误差分析测量功率的误差来源减小误差的方法数据拟合与判断仪器误差测量工具（如测力计、秒多次测量取平均值减少随机误差绘制实验数据图像如F-v关系图表）的精度有限改进实验装置提高测量精度线性拟合分析P与F·v的关系是否符合读数误差观察者在读取数据时的主观理论预期控制实验条件减少外界干扰因素因素误差分析计算相对误差，评估实验精外界干扰摩擦力变化、气流影响等外确度部因素拓展家用电器铭牌解读铭牌常见参数物理意义•额定功率设备正常工作时的功率消耗额定功率P=额定电压U×额定电流I•额定电压设备正常工作所需的电压例如电水壶标示220V~50Hz1500W•额定电流设备正常工作时的电流表示在220V、50Hz交流电下，功率为1500W•频率交流电的频率要求（如50Hz）对应电流I=P/U=1500W/220V≈

6.8A超过额定值使用可能导致设备损坏或安全问题拓展光的功率光功率的概念激光笔与普通光源对比实际应用光功率是光源单位时间内发出的能量，单位普通LED灯功率5-10W，光线发散医疗激光精确控制功率进行手术为瓦特W激光笔功率仅1-5mW，但光线高度集中激光切割高功率激光用于工业加工光功率反映光源的亮度和能量传递能力激光笔能量密度高，尽管总功率小光通信低功率激光传输信息拓展探究生物能量转换功率人体能量转换不同活动的功率人体在运动时将食物化学能转换为机械能75%食物能量单位卡路里（千卡，kcal）短跑运动员1千卡≈

4.18千焦（kJ）短时间内可达1000-2000W人体能量转换效率约20-25%40%自行车运动员持续输出300-400W20%普通行走约100W左右综合应用题演练分析与计算位移变速电梯问题加速段s₁=½at²=½×2/3×3²=3m一部载重1000kg的电梯从静止开始，3秒内匀加速上升到2m/s，然后以这个速度匀速上匀速段s₂=vt=2×5=10m升5秒，再用2秒匀减速至静止电梯总共上升了多高？电梯电动机的最大功率是多少？（忽略摩擦，电动机效率为75%）减速段s₃=v₀t-½at²=2×2-½×1×2²=4-1=3m总位移s=s₁+s₂+s₃=3+10+3=16m考虑效率功率分析实际输入功率P输入=P/η=20933/

0.75≈27911W=

27.9kW匀速阶段功率P=F·v=mg·v=1000×

9.8×2=19600W电动机最大功率应不小于

27.9kW加速阶段考虑额外功率P=mg·v+m·a·v最大功率出现在加速末P=1000×

9.8×2+1000×2/3×2=19600+1333=20933W典型中高考题精析

（一）例题解题思路一轮船以恒定的速度v在静水中航行，轮船的发动机功率为P，水对轮船轮船匀速运动，所以动力F与阻力相等的阻力为F下列说法正确的是根据功率公式P=F·v，选项C正确

1.轮船的速度与发动机功率成正比分析其他选项的错误原因

2.轮船的速度与水的阻力成反比实验表明，水的阻力F与速度v的平方成正比F∝v²

3.轮船航行时，P=F·v

4.轮船的速度与发动机功率的平方根成正比代入P=F·v，得到P∝v³，即v∝∛P所以A、B、D都不正确典型中高考题精析

（二）题目描述一质量为2kg的物体在光滑斜面上由静止开始下滑，斜面长2m，高1m求1物体到达斜面底端时的速度2物体下滑过程中重力的平均功率解析第一问根据机械能守恒定律mgh=½mv²v=√2gh=√2×

9.8×1≈

4.43m/s解析第二问重力做功W=mgh=2×

9.8×1=

19.6J下滑时间设加速度为a，有s=½at²a=gsinθ=g×h/s=

9.8×1/2=

4.9m/s²t=√2s/a=√2×2/

4.9≈

0.9s计算功率平均功率P=W/t=

19.6/

0.9≈

21.8W情境分析体育运动中的功率2000W400W1200W短跑运动员专业自行车手举重运动员100米冲刺期间的峰值功长时间骑行中的持续功举起重物时的瞬时功率，率，持续约10秒率，可维持数小时持续数秒300W游泳运动员100米自由泳比赛中的平均功率体育运动中功率的大小与运动类型、持续时间密切相关爆发力强的运动瞬时功率大，但难以长时间维持；耐力型运动功率较小，但可持续较长时间团队合作小组讨论功率提升设计优化自行车设计讨论如何改进自行车的空气动力学特性，减少阻力，提高骑行功率转化效率提升水泵效率探究水泵叶轮形状、管道设计对水泵功率输出的影响，设计更高效的水泵系统太阳能板最大功率追踪设计最大功率点追踪系统，使太阳能板在不同光照条件下都能发挥最大功率小组讨论时，应注重以下要点分析现有设计的功率限制因素；应用物理原理提出改进方案；考虑实际可行性和成本因素；进行理论计算验证设计有效性物理现实新能源与大功率设备·电动汽车充电功率风力发电站•普通家用充电桩

3.5-7kW风力发电机功率与风速的关系•快速充电站50-120kW•超级充电站250kW以上充电时间=电池容量kWh÷充电功率kW其中例60kWh电池，用120kW充电桩，理论充电时间为

0.5小时•ρ为空气密度•A为扫风面积•v为风速•η为转换效率风速增加一倍，理论功率增加八倍思维拓展极端功率现象1TW190GW500PW

384.6TW闪电火箭发动机高强度激光太阳辐射瞬时功率可达1太瓦（10^12瓦），土星五号火箭第一级发动机功率约世界上最强大的激光器峰值功率可照射到地球的太阳辐射总功率，相但持续时间极短，仅约10微秒190吉瓦，相当于190座大型核电达500拍瓦（5×10^17瓦），超过当于36万座大型核电站站全球能源消耗极端功率现象通常由巨大的能量在极短时间内释放产生，或由持续的巨大能源供应维持研究这些现象有助于我们理解自然界能量转化的极限网络任务查找身边的高低功率设备任务目标研究方向通过网络查找生活中常见设备的功率•家用电器功率对比数据，比较分析不同功率设备的特点•交通工具发动机功率比较和应用场景•工业设备功率研究•小功率电子设备分析成果展示制作功率对比表格或图表分析功率与能源消耗、效率的关系探讨高低功率设备设计的物理原理鼓励学生在任务中思考为什么有的设备需要高功率而有的则使用低功率？功率大小与设备效率、使用寿命有何关系？如何合理选择适当功率的设备？学科素养提升建模思维物理建模的意义建模过程物理建模是将复杂现实问题简化为可用物理规律描述的理想模型问题分析功率问题建模常涉及明确要研究的功率现象，确定已知和未知量•确定系统边界•识别主要影响因素简化假设•忽略次要因素忽略次要因素，如摩擦、空气阻力等•应用适当的物理规律建立模型用物理规律和数学方程描述问题验证模型通过实验或数据验证模型的准确性物理建模举例案例汽车功率与速度关系研究汽车在不同速度下所需的功率，建立功率与速度的函数关系模型分析影响因素汽车行驶时主要受到滚动阻力F滚=μmg（与速度无关）和空气阻力F空=kv²（与速度平方成正比）建立数学模型总阻力F=F滚+F空=μmg+kv²功率P=Fv=μmgv+kv³模型分析低速时P≈μmgv（近似线性关系）高速时P≈kv³（近似立方关系）这解释了为什么高速行驶耗油量增加迅速交互测验判断、选择、填空（）11判断题功率是标量，只有大小没有方向（）功率的国际单位是焦耳每秒（）瞬时功率等于合外力与物体速度的乘积（）2选择题下列说法正确的是（）A.功率越大，完成的总功越多B.物体运动速度越大，功率一定越大C.物体受力越大，功率一定越大D.功率是描述做功快慢的物理量3填空题做功的多少用________表示，做功的快慢用________表示当物体做功的速率不变时，________功率等于________功率交互测验计算与应用题（）2题目一一个学生以恒定速度v=

0.5m/s爬上10m高的楼梯，学生质量为50kg，求1学生做功多少？2学生的功率是多少？题目二一辆质量为1200kg的汽车在水平路面上从静止开始，经过10s达到72km/h，假设汽车受到的阻力恒为600N，求发动机在这10s内的平均功率题目三一个功率为500W的电动机能在多长时间内将10kg的物体提升到20m的高度？假设机械效率为80%请同学们独立完成上述题目，之后我们将进行答案讲解和分析注意在解题过程中明确标出已知量、未知量，并写出完整的解题步骤课堂练习及答案讲解

（一）题目三答案题目二答案物体重力势能增加W=mgh=10kg×题目一答案汽车末速度v=72km/h=20m/s

9.8N/kg×20m=1960J1学生做功W=mgh=50kg×加速度a=v/t=20m/s÷10s=2m/s²考虑效率W输入=W/η=1960J/

0.8=

9.8N/kg×10m=4900J2450J牵引力F牵=ma+F阻=1200kg×2学生爬楼梯时间t=h/v=2m/s²+600N=3000N时间t=W输入/P=2450J/500W=

4.9s10m/

0.5m/s=20s平均速度v平均=v/2=10m/s功率P=W/t=4900J/20s=245W平均功率P=F牵×v平均=3000N×10m/s=30000W=30kW课堂练习及答案讲解

（二）变式题答案解析一辆质量为800kg的汽车，从静止开始，匀加速行驶了5s后达到1末速度v=54km/h=15m/s54km/h，然后以此速度匀速行驶已知汽车在整个过程中阻力恒为加速度a=v/t=15m/s÷5s=3m/s²400N，发动机的功率为15kW求2匀速时，发动机功率等于抵消阻力所需功率1汽车加速阶段的加速度P=F·v，v=P/F=15000W/400N=

37.5m/s=135km/h2汽车匀速行驶时的速度是否为54km/h？如不是，实际速度为多少？计算结果大于54km/h，说明汽车能以54km/h匀速行驶，且发动机未达最大功率匀速行驶时功率P=F·v=400N×15m/s=6000W=6kW总结回顾定义单位功率是描述做功快慢的物理量国际单位瓦特W平均功率P=W/t1W=1J/s瞬时功率P=dW/dt=F·v常用单位千瓦kW、兆瓦MW易错点应用功与功率的混淆机械设备功率分析瞬时功率与平均功率混淆电器能源消耗计算忽视效率因素运动能量转化研究小组展示与交流实验探究组展示不同简单机械的功率测量结果，分析影响功率的因素能效分析组比较不同家用电器的功率与效率，提出节能改进建议运动物理组分析不同运动项目中的功率表现，解释运动员体能与功率的关系交流环节中，鼓励学生提问、互评，共同讨论功率概念的应用拓展教师适时引导，帮助学生澄清概念误区，深化对功率的理解课后思考与拓展阅读深度思考题推荐阅读资料

1.为什么同功率的发动机在不同车型上表现不同？•《能量与功率》，物理科普读物

2.如何从能量转化效率角度解释功率的意义？•《日常生活中的物理学》，功率章节

3.人类能够承受的最大功率是多少？这一限制由什么因素决定？•《运动生物力学》，人体功率分析

4.功率与时间的关系可以用什么数学模型描述？•《能源物理学导论》，功率与能源转换

5.在太空环境中，功率的概念是否有变化？为什么？•《功率在工程中的应用》，工程技术专著结束与展望功率基础作为描述做功快慢的物理量，功率是能量研究的重要概念能量转化功率在能量转化、热力学、电磁学等后续章节中有广泛应用实际应用在工程、医学、体育等多领域，功率分析是解决实际问题的关键未来探索能源技术发展、新材料研究等前沿领域，都需要深入理解功率概念通过本课的学习，希望同学们不仅掌握了功率的计算方法，更重要的是建立了物理思维，培养了分析解决问题的能力鼓励大家在日常生活中主动发现功率相关的现象，用物理眼光解读世界。