高考微專題：四幅圖講清楚汽車啟動模型

蔡育惠

(福建省泉州實驗中學 362000)

1 落實物理核心素養要求

高中物理教學要更好服務于人的長遠發展為根本目標，落實學生物理核心素養的培養.在必修二的教學部分中，關于功和機械能的章節內容要求，具體落實在本課內容主要有以下幾點：物理觀念上，要求能夠理解功、功率、動能、能量守恒的內涵，能用能量守恒來解釋生活中相關現象，解決一些相應的實際問題，具有與功和機械能相關的能量觀念.科學思維上要求能在熟悉的物理情境中運用能量觀念解決問題時構建物理模型，能從能量守恒的角度分析動力學問題，通過推理，獲得結論，能從不同視角解決動力學問題.科學態度與責任上要有較強的學習和探究物理的興趣，能認識功能關系對日常生活的影響.

2 汽車啟動模型的重難點和教學實踐

2.1 教學要求

(1)理解功率的概念及其物理意義，能用功率的定義式進行相關計算.

(2)知道功率的決定式的物理意義，并能夠分析當汽車功率一定時，牽引力與速度的關系等與功率的相關問題.

(3)能理解和區別生活中各種機械的額定功率、實際功率、最大功率、平均功率、瞬時功率的意義.引導學生在生活中學習物理，激發學生學習和研究物理的好奇心和求知欲.

2.2 重難點分析

(1)本節重點是理解功率的概念、意義及對功率的定義式和決定式的準確掌握.

(2)本節難點在于汽車實際運動過程中涉及功率的相關問題分析.學生常常不能區分瞬時功率和平均功率，將平均功率誤認為瞬時功率，要特別注意理解瞬時功率的概念.

汽車啟動模型的理論要求：要求學生利用功率的概念和牛頓第二定律分析汽車的運動過程，旨在提高學生綜合分析的能力.

本文要分享的汽車啟動的物理模型的過程包含勻加速運動，變加速運動，勻速運動三個過程，重點在于引導學生分析，兩個主要的轉折點，其一是汽車功率增加至額定功率時，勻加速結束，其二是汽車的速度提升，牽引力減小，加速度減小至零，變加速結束，之后勻速運動，此類問題可以視為是瓶頸問題.

模型介紹：如圖1，已知汽車發動機輸出的額定功率為Pm，在平直公路上受到的阻力大小恒定為f，原來靜止的汽車以恒定的加速度a0啟動，當汽車功率達到額定功率后保持額定功率不變繼續加速，直至最后勻速直線運動.

圖1

關于這個啟動的模型，涉及的參數比較的多，物理過程也比較復雜，落實這個啟動過程，要圍繞幾個問題：

第一：什么時候汽車的輸出功率達到最大值？

第二：什么時候汽車的運動速度達到了最大值？

第三：如何理解汽車的額定功率是我們研究的參數變化問題的瓶頸值？

相關參數的分析、討論及圖像展示如下：

當汽車以恒定加速度a0做初速度為零的勻加速啟動.那么根據牛頓第二定律可得：

F1-f=ma0，那么F1=f+ma0，所以牽引力為恒力.

這個過程中汽車輸出的功率滿足：

p=F1v=(f+ma0)·at，功率與時間成正比(圖2中0-t1的第一階段圖像所示).當功率達到了額定功率之后，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

這個勻加速過程所用的時間t1滿足：

汽車之后繼續保持額定功率前進.

因為額定功率保持不變時，牽引力還是大于阻力，所以速度增加，那么導致牽引力就減小，加速度也就減小(F,a,v三個參數變化如圖4所示).所以v-t在t1-t2階段是一個向下彎曲的曲線.(圖3所示)

圖4

關于汽車的啟動，要求掌握圖2中兩個關鍵時刻：t1時刻汽車的輸出功率達到額定功率Pm；t2時刻汽車的運行速度達到最大值.圖2上一共是三個階段，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，勻速直線運動階段.

圖5 圖6

3 教學反思

在實際的教學中，汽車的啟動過程，我們要注意運動過程分析的完整性，準確處理牽引力、加速度、速度之間的關系，能夠應用功能關系，將變力做功問題分析解答清楚.因為我們對信息的接收能力，通過圖像是一個非常直觀和高效的，所以在教學中，運用v-t圖，P-t圖，a-t圖，F-t圖來鞏固和加速學生對運動情境中相關參數的變化的理解，是非常有效的.并且在實際的教學中也得到了很好的效果，故特此分享.