物理(通用類)第2章課件

1、第2章機械能2.1功功率 2.1.1功 一個物體受到力的作用，如果在力的方向上發(fā)生了一段位移，我們就說這個力對物體做了功。由此可知，力和物體在力的方向上發(fā)生的位移是做功的兩個不可缺少的因素。2.1功功率 2.1.1功課堂討論 兩個大力士搬一塊質量為600 kg的巨石，費了很大力氣沒有搬動，大力士對巨石做功了嗎？若用起重機將該巨石吊到10 m的高空處，然后又平移5 m，那么該如何分析這一過程中起重機對巨石所做的功呢？2.1功功率 2.1.1功 力學中規(guī)定：當力的方向和物體的移動方向一致時，功就等于力的大小和位移大小的乘積，即如果物體在恒力F作用下，沿力F的方向發(fā)生的位移是s，如圖2-1所示，那么

2、力F對物體做的功為W=Fs。功是標量，在國際單位制中的單位是J。圖2-12.1功功率 2.1.1功 在實際生活和生產中，物體的運動方向并不總是與力的方向相同，當力的方向與運動方向成某一角度 時，如圖2-2所示，怎樣來計算這個力做的功呢? 圖2-22.1功功率 2.1.1功 此時可以把力F分解成與位移方向平行的分力F1和與位移方向垂直的分力F2，如圖2-3所示。圖2-32.1功功率 2.1.1功 在物體發(fā)生位移s的過程中，由于物體在F2的方向上沒有發(fā)生位移，因此，F2對物體做的功等于零；F對物體做的功W就等于F1s，而F1=Fcos ，所以：2.1功功率 2.1.1功 力對物體所做的功等于力的大

3、小、位移的大小、力和位移間夾角的余弦三者的乘積，對此需要注意以下幾點：（1）當0時， cos 1，WFs，力和位移方向相同，力對物體做正功。（2）當090時，cos 0，W為正值，力對物體做正功。（3）當90時，cos 0，W0，力和位移方向垂直，力對物體不做功。（4）當90180時，cos 0，W為負值，力對物體做負功。（5）當180時，cos -1，W-Fs，力和位移方向相反，力對物體做負功。2.1功功率 2.1.1功 一個力對物體做負功，表示這個力阻礙物體的運動。因此，當力對物體做負功時，常說物體克服這個力做功。 如果公式W=Fscos 中的F是幾個力的合力，那么式中的是合力方向與物體位

4、移方向間的夾角，W就是合力做的功。實驗證明，合力做的功等于各個分力做功的代數和。2.1功功率 2.1.1功 例2-1 物體重98 N，在與水平方向成37角向上的拉力作用下沿水平面移動10 m，已知物體與水平面間的滑動摩擦因數為0.20，拉力的大小為100 N。求：（1）作用于物體上的各力對物體做的總功。（2）合力對物體做的功。精選例題圖2-42.1功功率 2.1.1功 解：如圖2-4所示，物體受到四個力作用，即重力G、支持力N、拉力F和摩擦力f。由題意可知各物理量的值分別為G=98 N，F=100 N，s=10 m，=0.20，=37。（1）重力、支持力均與運動方向垂直，所以 WG=WN=0拉

5、力F做的功為 WF=Fscos 37=100100.8=8.0102（J）因為豎直方向上各力平衡，所以 N+Fsin 37-G=0，N=G-Fsin 37精選例題2.1功功率 2.1.1功則 f=N=0.20（98-1000.6)=7.6（N），故摩擦力f做的功為 Wf=fscos 180=7.610(-1)=-76（J）所以各力在物體移動10 m的過程中做的總功W總為 W總=WG+WN+WF+Wf=8.0102-76=7.24102（J）（2）由題知，作用在物體上的合力大小為 F合=Fcos 37-f=1000.80-7.6=72.4（N）合力的方向與運動方向相同，故合力做的功為 W合=F合

6、s=72.410=7.24102（J）精選例題2.1功功率 2.1.2功率 如圖2-5所示，起重機甲能在2 min內把2 t重的貨物提到樓頂，起重機乙只用1 min就可以做相同的功，這說明起重機乙比起重機甲做功快。圖2-52.1功功率 2.1.2功率 在物理學中，用功率來表示做功的快慢程度。一個力做的功W與完成這些功所用時間t的比值稱為功率，用P表示，即功率是標量，在國際單位制中，功率的單位為瓦特（簡稱瓦），用符號W表示。2.1功功率 2.1.2功率 在特殊情況下，如在爬坡時（見圖2-6），司機通過增大供油量可以使實際輸出的功率大于額定功率，但這對發(fā)動機有害，只能工作很短的時間，因此要盡量避免

7、。圖2-62.1功功率 2.1.2功率 如果汽車的牽引力為F，在時間t內，汽車在牽引力的作用下發(fā)生了位移s，則牽引力做的功為W=Fs，代入功率的公式P=Wt，可得即功率等于力和物體運動速度的乘積。因此，當功率P一定時，物體所受的牽引力F和其運動速度v成反比。2.1功功率練習2.11.一架飛機的總質量為2.0105 kg，在它下降的垂直距離為2.5103 m的過程中，重力所做的功等于（）（g取10 m/s2）。A2.0102 JB2.5103 JC1.25104 JD5.0109 J2某人從一樓走到四樓，第一次用了1 min，第二次用了40 s，他前后兩次克服重力做的()。A功相同，功率相同B功

8、不同，功率不同 C功相同，功率不同D功不同，功率相同2.1功功率練習2.13.如圖2-7所示，用F=5 N的水平拉力，在5 s內使質量m=5.0 kg的物體水平向右移動了3 m。求：（1）這段時間內，力F對物體做的功W為多少？（2）這段時間內，力F對物體做功的功率P為多少？圖2-72.2動能動能定理 2.2.1動能 如風力發(fā)電（見圖2-8），即利用風力帶動風車葉片旋轉來促使發(fā)電機發(fā)電，這說明風具有能量。圖2-82.2動能動能定理 2.2.1動能 高速流動的水也可以帶動水輪機轉動從而促使發(fā)電機發(fā)電（見圖2-9），說明流動的水也具有能量。圖2-92.2動能動能定理 2.2.1動能 影響動能大小的因

9、素圖2-10演示實驗 （1）如圖2-10所示，將形狀大小相同、質量不同（乙的質量比甲大）的兩輛小車從斜面的同一高度處釋放，撞擊靜止在水平面上的小車，可以看到斜面上的小車質量越大，水平面上的小車被撞得越遠。2.2動能動能定理 2.2.1動能圖2-11演示實驗 （2）如圖2-11所示，將形狀大小相同、質量相同的兩輛小車從斜面的不同高度處釋放，撞擊靜止在水平面上的小車，可以看到小車開始下滑的位置越高，水平面上的小車就被撞得越遠。2.2動能動能定理 2.2.1動能圖2-12演示實驗 （3）如圖2-12所示，將質量相同、形狀大小不同的兩輛小車從斜面同一高度處釋放，可以看到平面上的小車會被撞得一樣遠。2.

10、2動能動能定理 2.2.1動能 人們通過大量精確的實驗發(fā)現：一個質量為m、速度為v的物體，它的動能等于其質量與速度二次方乘積的一半。用Ek表示動能，則有動能是標量，它的國際單位是焦耳（J）。2.2動能動能定理 2.2.2動能定理 如圖2-13所示，一個質量為m、初速度為v1的物體受到水平向右的恒外力F的作用，在力F的方向上經過位移s后，其末速度變?yōu)関2。 圖2-13在上述過程中，外力F對物體做的功為 W=Fs由牛頓第二定律得 F=ma又由運動學公式可得2.2動能動能定理 2.2.2動能定理因此可得即這表明，合外力對物體所做的功等于物體動能的增量，這就是動能定理。2.2動能動能定理 2.2.1動

11、能 如果物體受到幾個力的共同作用，動能定理表達式中的功W等于各個力做功的代數和。例如，汽車在啟動過程中，在牽引力和阻力的共同作用下開始加速，動能越來越大。牽引力和阻力的合力做正功，汽車的動能增加；牽引力和阻力的合力做了多少功，汽車的動能就增加了多少。2.2動能動能定理練習2.21.下列關于動能的理解不正確的是（）。A.動能是機械能的一種表現形式，凡是運動的物體都具有動能B.動能總是非負值 C.一定質量的物體，其動能變化時，速度一定變化；但其速度變化時，動能不一定變化D.動能不變的物體，一定處于平衡狀態(tài)2.2動能動能定理練習2.22.某消防隊員從一平臺上跳下，下落2 m后雙腳觸地，接著他用雙腿彎

12、曲的方法緩沖，使自身重心又下降了0.5 m，則在著地過程中地面對他雙腳的平均作用力估計為自身所受重力的（）。A2倍B5倍C8倍D10倍3質量為4.0 kg的小車在一水平推力的作用下沿光滑的水平面行進了5 m，速度從0 增大到5 m/s。小車所受的水平推力為多少？2.2動能動能定理練習2.24一質量為2 kg的物體做自由落體運動，經過A點時的速度為10 m/s，到達B點時的速度是20 m/s，求物體:(1)經過A、B兩點時的動能分別是多少?(2)從A點到B點動能變化了多少?(3)從A點到B點的過程中重力做了多少功?(4)從A點到B點的過程中重力做功與動能的變化關系如何？2.3勢能機械能守恒定律2

13、.3.1重力勢能圖2-14 如圖2-14所示，設砝碼的質量為m，距地面的高度為h。選擇一個合適的木塊，使其與桌面間的摩擦力恰等于砝碼的重力mg。這樣，當砝碼勻速下落h高度時，它對木塊所做的功為mgh，這個功就等于砝碼在h高處所具有的重力勢能。2.3勢能機械能守恒定律2.3.1重力勢能 物體由于被舉高而具有的能量稱為重力勢能。 重力勢能用Ep表示，其表達式為 Ep=mgh 即重力勢能等于物體的重力與其距地面高度的乘積。重力勢能是標量，單位為焦耳（J）。2.3勢能機械能守恒定律2.3.1重力勢能 當把物體在地面處的重力勢能當作零時，物體距地面越高，其重力勢能越大；反之就越小。處于地平面以下的物體，

14、公式中的h應為負值，其重力勢能也為負值。在這里，負號只是表示它的重力勢能比在地面處的重力勢能小。 若選擇另一水平面作為零勢能面時，公式中的h應是從該面算起的高度。在計算重力勢能時，應同時說明零勢能面的位置。一般情況下，選地面為零勢能面。2.3勢能機械能守恒定律2.3.2彈性勢能 物體由于發(fā)生了彈性形變而具有的能量稱為彈性勢能。 彈性勢能用Ef表示，是標量，單位為焦耳（J）。 實驗證明，對于拉伸或壓縮形變的彈簧，在其彈性限度內，彈性勢能由彈簧的勁度系數k和形變的大小x決定，其表達式為：2.3勢能機械能守恒定律2.3.3機械能守恒定律 動能和勢能（重力勢能和彈性勢能）統(tǒng)稱為機械能。我們在初中學過，

15、重力勢能和動能之間可以發(fā)生相互轉化。 不僅重力勢能與動能之間可以相互轉化，彈性勢能與動能之間也可以相互轉化。2.3勢能機械能守恒定律2.3.3機械能守恒定律 例如，彈簧被壓縮時具有彈性勢能，而當彈簧恢復原來的形狀時，就會把與它相接觸的物體彈出去，如圖2-15所示。在這一過程中，彈力做正功，彈簧的彈性勢能減小，而物體得到一定的速度，動能增大，即彈性勢能與動能之間發(fā)生了轉化。圖2-152.3勢能機械能守恒定律2.3.3機械能守恒定律 如圖2-16所示，一個質量為m的小球從高度為h1的A點自由下落到高度為 h2的B點時，速度從v1增加到v2。圖2-162.3勢能機械能守恒定律2.3.3機械能守恒定律

16、 若小球在下落過程中，只有重力做功，沒有其他力做功，那么根據動能定理，重力對小球所做的功WG等于小球動能的改變，即又因重力做的功等于物體重力勢能的減少量，即則有即2.3勢能機械能守恒定律2.3.3機械能守恒定律 在只有重力（或彈力）做功的情況下，物體的動能和重力（或彈性）勢能發(fā)生相互轉化，機械能的總量保持不變。這個結論稱為機械能守恒定律。 2.3勢能機械能守恒定律2.3.3機械能守恒定律 應用機械能守恒定律解題主要有以下兩個優(yōu)點：（1）不需要考慮運動過程中的細節(jié)。（2）不僅能解決恒力作用下的直線運動，而且也能夠解決變力作用和曲線運動的情形，即只要滿足機械能守恒定律的條件，便可用機械能守恒定律來

17、求解。2.3勢能機械能守恒定律2.3.3機械能守恒定律利用打點計時器驗證機械能守恒定律課堂閱讀（1）按圖2-17把打點計時器安裝在鐵架臺上，用導線把打點計時器與學生電源連接好。（2）用夾子把紙帶的一端和重物固定好，將紙帶的另一端穿過打點計時器上的限位孔，用手豎直提起紙帶使重物停靠在打點計時器附近。（3）先接通電源，后松手讓重物帶著紙帶自由下落。（4）重復幾次，得到35條打上點的紙帶。（5）在打出的紙帶中挑選出一條點跡清晰，圖2-17 2.3勢能機械能守恒定律2.3.3機械能守恒定律課堂閱讀且第1和第2個打點間距離接近2 mm的紙帶，在第1個打點上標出O，并從稍靠后的某一點開始，依次標出1、2、

18、3、4、，并量出各點到位置O的距離h1、h2、h3、h4、，記入實驗記錄表格中。（6）用公式 計算出各點對應的瞬時速度v1、v2、v3、v4、，并記錄在表格中。其中T為打點計時器的時間間隔，一般為0.02 s。（7）計算打各點時重力勢能的減少量mghn和動能的增加量 ，并進行比較，看是否相等。 通過實驗可以驗證在自由落體運動中，只有重力做功，機械能守恒。2.3勢能機械能守恒定律2.3.3機械能守恒定律例2-7一木塊從10m高、20m長的光滑斜面頂端，由靜止開始無摩擦地滑下，其到達斜面底端時的速度為多大?（不計空氣阻力）精選例題解：設物體的質量為m，初始速度為v1，末速度為v2，由題意知v1=0。選取地面為零勢能面，則根據機械能守恒定律可得代入數據可解得木塊到達斜面底端時的速度大小為：v214.14 m/s圖2-18 2.3勢能機械能守恒定律2.3.3機械能守恒定律例2-8 如圖2-19所示，一物體從靜止開始，沿著四分之一的光滑圓弧軌道從點A滑到最低點B。已知圓的半徑R=4.0m，求物體滑到點B時的速度是多大？精選例題解：物體在從A點到B點的運動過程中只有重力