動能勢能動能定理

1、2 動能 勢能 動能定理教學(xué)目標(biāo)：理解功和能的概念，掌握動能定理，會熟練地運(yùn)用動能定理解答有關(guān)問題教學(xué)重點(diǎn)：動能定理教學(xué)難點(diǎn)：動能定理的應(yīng)用教學(xué)方法：講練結(jié)合，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)教學(xué)過程：一、動能1動能：物體由于運(yùn)動而具有的能，叫動能。其表達(dá)式為：。2對動能的理解（1）動能是一個狀態(tài)量，它與物體的運(yùn)動狀態(tài)對應(yīng)動能是標(biāo)量它只有大小，沒有方向，而且物體的動能總是大于等于零，不會出現(xiàn)負(fù)值（2）動能是相對的，它與參照物的選取密切相關(guān)如行駛中的汽車上的物品，對汽車上的乘客，物品動能是零；但對路邊的行人，物品的動能就不為零。3動能與動量的比較（1）動能和動量都是由質(zhì)量和速度共同決定的物理量， 或 （2）動能和

2、動量都是用于描述物體機(jī)械運(yùn)動的狀態(tài)量。（3）動能是標(biāo)量，動量是矢量。物體的動能變化，則其動量一定變化；物體的動量變化，則其動量不一定變化。（4）動能決定了物體克服一定的阻力能運(yùn)動多么遠(yuǎn)；動量則決定著物體克服一定的阻力能運(yùn)動多長時間。動能的變化決定于合外力對物體做多少功，動量的變化決定于合外力對物體施加的沖量。（5）動能是從能量觀點(diǎn)出發(fā)描述機(jī)械運(yùn)動的，動量是從機(jī)械運(yùn)動本身出發(fā)描述機(jī)械運(yùn)動狀態(tài)的。二、重力勢能1重力勢能：物體和地球由相對位置決定的能叫重力勢能，是物體和地球共有的。表達(dá)式：，與零勢能面的選取有關(guān)。2對重力勢能的理解（1）重力勢能是物體和地球這一系統(tǒng)共同所有，單獨(dú)一個物體談不上具有勢能

3、即：如果沒有地球，物體談不上有重力勢能平時說物體具有多少重力勢能，是一種習(xí)慣上的簡稱重力勢能是相對的，它隨參考點(diǎn)的選擇不同而不同，要說明物體具有多少重力勢能，首先要指明參考點(diǎn)(即零點(diǎn))（2）重力勢能是標(biāo)量，它沒有方向但是重力勢能有正、負(fù)此處正、負(fù)不是表示方向，而是表示比零點(diǎn)的能量狀態(tài)高還是低勢能大于零表示比零點(diǎn)的能量狀態(tài)高，勢能小于零表示比零點(diǎn)的能量狀態(tài)低零點(diǎn)的選擇不同雖對勢能值表述不同，但對物理過程沒有影響即勢能是相對的，勢能的變化是絕對的，勢能的變化與零點(diǎn)的選擇無關(guān)（3）重力做功與重力勢能重力做正功，物體高度下降，重力勢能降低；重力做負(fù)功，物體高度上升，重力勢能升高可以證明，重力做功與路徑

4、無關(guān)，由物體所受的重力和物體初、末位置所在水平面的高度差決定，即：WG=mgh所以重力做的功等于重力勢能增量的負(fù)值，即WG= -Ep= -（mgh2-mgh1）三、動能定理1動能定理的表述合外力做的功等于物體動能的變化。（這里的合外力指物體受到的所有外力的合力，包括重力）。表達(dá)式為W=EK動能定理也可以表述為：外力對物體做的總功等于物體動能的變化。實(shí)際應(yīng)用時，后一種表述比較好操作。不必求合力，特別是在全過程的各個階段受力有變化的情況下，只要把各個力在各個階段所做的功都按照代數(shù)和加起來，就可以得到總功。和動量定理一樣，動能定理也建立起過程量（功）和狀態(tài)量（動能）間的聯(lián)系。這樣，無論求合外力做的功

5、還是求物體動能的變化，就都有了兩個可供選擇的途徑。和動量定理不同的是：功和動能都是標(biāo)量，動能定理表達(dá)式是一個標(biāo)量式，不能在某一個方向上應(yīng)用動能定理?！纠?】 一個質(zhì)量為m的物體靜止放在光滑水平面上，在互成60角的大小相等的兩個水平恒力作用下，經(jīng)過一段時間，物體獲得的速度為v，在力的方向上獲得的速度分別為v1、v2，那么在這段時間內(nèi)，其中一個力做的功為A B C D 錯解：在分力F1的方向上，由動動能定理得，故A正確。正解：在合力F的方向上，由動動能定理得，某個分力的功為，故B正確。2對外力做功與動能變化關(guān)系的理解：外力對物體做正功，物體的動能增加，這一外力有助于物體的運(yùn)動，是動力；外力對物體做

6、負(fù)功，物體的動能減少，這一外力是阻礙物體的運(yùn)動，是阻力，外力對物體做負(fù)功往往又稱物體克服阻力做功 功是能量轉(zhuǎn)化的量度，外力對物體做了多少功；就有多少動能與其它形式的能發(fā)生了轉(zhuǎn)化所以外力對物體所做的功就等于物體動能的變化量即 3應(yīng)用動能定理解題的步驟（1）確定研究對象和研究過程。和動量定理不同，動能定理的研究對象只能是單個物體，如果是系統(tǒng)，那么系統(tǒng)內(nèi)的物體間不能有相對運(yùn)動。（原因是：系統(tǒng)內(nèi)所有內(nèi)力的總沖量一定是零，而系統(tǒng)內(nèi)所有內(nèi)力做的總功不一定是零）。（2）對研究對象進(jìn)行受力分析。（研究對象以外的物體施于研究對象的力都要分析，含重力）。（3）寫出該過程中合外力做的功，或分別寫出各個力做的功（注意

7、功的正負(fù)）。如果研究過程中物體受力情況有變化，要分別寫出該力在各個階段做的功。（4）寫出物體的初、末動能。（5）按照動能定理列式求解。【例2】 如圖所示，斜面傾角為，長為L，AB段光滑，BC段粗糙，且BC=2 AB。質(zhì)量為m的木塊從斜面頂端無初速下滑，到達(dá)C端時速度剛好減小到零。求物體和斜面BC段間的動摩擦因數(shù)。CBA解：以木塊為對象，在下滑全過程中用動能定理：重力做的功為mgLsin，摩擦力做的功為，支持力不做功。初、末動能均為零。mgLsin=0，點(diǎn)評：從本例題可以看出，由于用動能定理列方程時不牽扯過程中不同階段的加速度，所以比用牛頓定律和運(yùn)動學(xué)方程解題簡潔得多。vv /fGGf【例3】

8、將小球以初速度v0豎直上拋，在不計(jì)空氣阻力的理想狀況下，小球?qū)⑸仙侥骋蛔畲蟾叨?。由于有空氣阻力，小球?qū)嶋H上升的最大高度只有該理想高度的80%。設(shè)空氣阻力大小恒定，求小球落回拋出點(diǎn)時的速度大小v。解：有空氣阻力和無空氣阻力兩種情況下分別在上升過程對小球用動能定理： h/10h和，可得H=v02/2g，再以小球?yàn)閷ο螅谟锌諝庾枇Φ那闆r下對上升和下落的全過程用動能定理。全過程重力做的功為零，所以有：，解得點(diǎn)評：從本題可以看出：根據(jù)題意靈活地選取研究過程可以使問題變得簡單。有時取全過程簡單；有時則取某一階段簡單。原則是盡量使做功的力減少，各個力的功計(jì)算方便；或使初、末動能等于零?！纠?】如圖所示，

9、質(zhì)量為m的鋼珠從高出地面h處由靜止自由下落，落到地面進(jìn)入沙坑h/10停止，則（1）鋼珠在沙坑中受到的平均阻力是重力的多少倍？（2）若讓鋼珠進(jìn)入沙坑h/8，則鋼珠在h處的動能應(yīng)為多少？設(shè)鋼珠在沙坑中所受平均阻力大小不隨深度改變。解析：（1）取鋼珠為研究對象，對它的整個運(yùn)動過程，由動能定理得W=WF+WG=EK =0。取鋼珠停止處所在水平面為重力勢能的零參考平面，則重力的功WG=mgh，阻力的功WF= Ff h， 代入得mghFf h=0，故有Ff /mg=11。即所求倍數(shù)為11。（2）設(shè)鋼珠在h處的動能為EK，則對鋼珠的整個運(yùn)動過程，由動能定理得W=WF+WG=EK =0，進(jìn)一步展開為9mgh/

10、8Ff h/8= EK，得EK=mgh/4。點(diǎn)評：對第（2）問，有的學(xué)生這樣做，h/8h/10= h/40，在h/40中阻力所做的功為Ff h/40=11mgh/40，因而鋼珠在h處的動能EK =11mgh/40。這樣做對嗎？請思考?！纠?】 質(zhì)量為M的木塊放在水平臺面上，臺面比水平地面高出h=0.20m，木塊離臺的右端L=1.7m。質(zhì)量為m=0.10M的子彈以v0=180m/s的速度水平射向木塊，并以v=90m/s的速度水平射出，木塊落到水平地面時的落地點(diǎn)到臺面右端的水平距離為s=1.6m，求木塊與臺面間的動摩擦因數(shù)為。解：本題的物理過程可以分為三個階段，在其中兩個階段中有機(jī)械能損失：子彈射

11、穿木塊階段和木塊在臺面上滑行階段。所以本題必須分三個階段列方程：Lhs子彈射穿木塊階段，對系統(tǒng)用動量守恒，設(shè)木塊末速度為v1，mv0= mv+Mv1木塊在臺面上滑行階段對木塊用動能定理，設(shè)木塊離開臺面時的速度為v2， 有：木塊離開臺面后的平拋階段，由、可得=0.50點(diǎn)評：從本題應(yīng)引起注意的是：凡是有機(jī)械能損失的過程，都應(yīng)該分段處理。從本題還應(yīng)引起注意的是：不要對系統(tǒng)用動能定理。在子彈穿過木塊階段，子彈和木塊間的一對摩擦力做的總功為負(fù)功。如果對系統(tǒng)在全過程用動能定理，就會把這個負(fù)功漏掉。四、動能定理的綜合應(yīng)用動能定理可以由牛頓定律推導(dǎo)出來，原則上講用動能定律能解決物理問題都可以利用牛頓定律解決，

12、但在處理動力學(xué)問題中，若用牛頓第二定律和運(yùn)動學(xué)公式來解，則要分階段考慮，且必須分別求每個階段中的加速度和末速度，計(jì)算較繁瑣。但是，我們用動能定理來解就比較簡捷。我們通過下面的例子再來體會一下用動能定理解決某些動力學(xué)問題的優(yōu)越性。1應(yīng)用動能定理巧求變力的功如果我們所研究的問題中有多個力做功，其中只有一個力是變力，其余的都是恒力，而且這些恒力所做的功比較容易計(jì)算，研究對象本身的動能增量也比較容易計(jì)算時，用動能定理就可以求出這個變力所做的功?！纠?】 如圖所示，AB為1/4圓弧軌道，半徑為R=0.8m，BC是水平軌道，長S=3m，BC處的摩擦系數(shù)為=1/15，今有質(zhì)量m=1kg的物體，自A點(diǎn)從靜止起

13、下滑到C點(diǎn)剛好停止。求物體在軌道AB段所受的阻力對物體做的功。解析：物體在從A滑到C的過程中，有重力、AB段的阻力、BC段的摩擦力共三個力做功，WG=mgR，fBC=mg，由于物體在AB段受的阻力是變力，做的功不能直接求。根據(jù)動能定理可知：W外=0，所以mgR-mgS-WAB=0即WAB=mgR-mgS=1100.8-1103/15=6 J 【例7】一輛車通過一根跨過定滑輪的繩PQ提升井中質(zhì)量為m的物體，如圖所示繩的P端拴在車后的掛鉤上，Q端拴在物體上設(shè)繩的總長不變，繩的質(zhì)量、定滑輪的質(zhì)量和尺寸、滑輪上的摩擦都忽略不計(jì)開始時，車在A點(diǎn)，左右兩側(cè)繩都已繃緊并且是豎直的，左側(cè)繩長為H提升時，車加速

14、向左運(yùn)動，沿水平方向從A經(jīng)過B駛向C設(shè)A到B的距離也為H，車過B點(diǎn)時的速度為vB求在車由A移到B的過程中，繩Q端的拉力對物體做的功解析：設(shè)繩的P端到達(dá)B處時，左邊繩與水平地面所成夾角為，物體從井底上升的高度為h，速度為v，所求的功為W，則據(jù)動能定理可得： 因繩總長不變，所以： 根據(jù)繩聯(lián)物體的速度關(guān)系得：v=vBcos由幾何關(guān)系得：由以上四式求得： 2應(yīng)用動能定理簡解多過程問題。物體在某個運(yùn)動過程中包含有幾個運(yùn)動性質(zhì)不同的小過程（如加速、減速的過程），此時可以分段考慮，也可以對全過程考慮，但如能對整個過程利用動能定理列式則使問題簡化?！纠?】 如圖所示，斜面足夠長，其傾角為，質(zhì)量為m的滑塊，距擋

15、板P為s0，以初速度v0沿斜面上滑，滑塊與斜面間的動摩擦因數(shù)為，滑塊所受摩擦力小于滑塊沿斜面方向的重力分力，若滑塊每次與擋板相碰均無機(jī)械能損失，求滑塊在斜面上經(jīng)過的總路程為多少？ 解析：滑塊在滑動過程中，要克服摩擦力做功，其機(jī)械能不斷減少；又因?yàn)榛瑝K所受摩擦力小于滑塊沿斜面方向的重力分力，所以最終會停在斜面底端。 在整個過程中，受重力、摩擦力和斜面支持力作用，其中支持力不做功。設(shè)其經(jīng)過和總路程為L，對全過程，由動能定理得： 得 3利用動能定理巧求動摩擦因數(shù)【例9】 如圖所示，小滑塊從斜面頂點(diǎn)A由靜止滑至水平部分C點(diǎn)而停止。已知斜面高為h，滑塊運(yùn)動的整個水平距離為s，設(shè)轉(zhuǎn)角B處無動能損失，斜面和

16、水平部分與小滑塊的動摩擦因數(shù)相同，求此動摩擦因數(shù)。 解析：滑塊從A點(diǎn)滑到C點(diǎn)，只有重力和摩擦力做功，設(shè)滑塊質(zhì)量為m，動摩擦因數(shù)為，斜面傾角為，斜面底邊長s1，水平部分長s2，由動能定理得：由以上兩式得從計(jì)算結(jié)果可以看出，只要測出斜面高和水平部分長度，即可計(jì)算出動摩擦因數(shù)。4利用動能定理巧求機(jī)車脫鉤問題【例10】總質(zhì)量為M的列車，沿水平直線軌道勻速前進(jìn)，其末節(jié)車廂質(zhì)量為m，中途脫節(jié)，司機(jī)發(fā)覺時，機(jī)車已行駛L的距離，于是立即關(guān)閉油門，除去牽引力。設(shè)運(yùn)動的阻力與質(zhì)量成正比，機(jī)車的牽引力是恒定的。當(dāng)列車的兩部分都停止時，它們的距離是多少？解析：此題用動能定理求解比用運(yùn)動學(xué)、牛頓第二定律求解簡便。對車頭

17、，脫鉤后的全過程用動能定理得： 對車尾，脫鉤后用動能定理得：而，由于原來列車是勻速前進(jìn)的，所以F=kMg由以上方程解得。五、針對訓(xùn)練1質(zhì)量為m的物體，在距地面h高處以g/3 的加速度由靜止豎直下落到地面.下列說法中正確的是A.物體的重力勢能減少mghB.物體的動能增加mghC.物體的機(jī)械能減少mghD.重力做功mgh2質(zhì)量為m的小球用長度為L的輕繩系住，在豎直平面內(nèi)做圓周運(yùn)動，運(yùn)動過程中小球受空氣阻力作用.已知小球經(jīng)過最低點(diǎn)時輕繩受的拉力為7mg，經(jīng)過半周小球恰好能通過最高點(diǎn)，則此過程中小球克服空氣阻力做的功為A.mgL/4B.mgL/3C.mgL/2D.mgL3如圖所示，木板長為l，板的A端

18、放一質(zhì)量為m的小物塊，物塊與板間的動摩擦因數(shù)為。開始時板水平，在繞O點(diǎn)緩慢轉(zhuǎn)過一個小角度的過程中，若物塊始終保持與板相對靜止。對于這個過程中各力做功的情況，下列說法正確的是 ( )OAA、摩擦力對物塊所做的功為mglsin(1-cos)B、彈力對物塊所做的功為mglsincosC、木板對物塊所做的功為mglsinD、合力對物塊所做的功為mgl cos4如圖所示，小球以大小為v0的初速度由A端向右運(yùn)動，到B端時的速度減小為vB；若以同樣大小的初速度由B端向左運(yùn)動，到A端時的速度減小為vA。已知小球運(yùn)動過程中始終未離開該粗糙軌道。比較vA 、vB的大小，結(jié)論是ABCDGGNN A.vAvB B.v

19、A=vB C.vAvB D.無法確定5質(zhì)量為m的飛機(jī)以水平速度v0飛離跑道后逐漸上升，若飛機(jī)在此過程中水平速度保持不變，同時受到重力和豎直向上的恒定升力(該升力由其他力的合力提供，不含重力)，今測得當(dāng)飛機(jī)在水平方向的位移為l時，它的上升高度為h，求：(1)飛機(jī)受到的升力大小;(2)從起飛到上升至h高度的過程中升力所做的功及在高度h處飛機(jī)的動能.6如圖所示，質(zhì)量m=0.5kg的小球從距地面高H=5m處自由下落，到達(dá)地面恰能沿凹陷于地面的半圓形槽壁運(yùn)動，半圓槽半徑R=0.4m。小球到達(dá)槽最低點(diǎn)時速率為10m/s，并繼續(xù)沿槽壁運(yùn)動直到從槽右端邊緣飛出，如此反復(fù)幾次，設(shè)摩擦力恒定不變，求：（設(shè)小球與槽壁相碰時不損失能量）（1）小球第一次離槽上升的高度h；（2）小球最多能飛出槽外的次數(shù)