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文檔簡(jiǎn)介
第五章機(jī)械能及其守恒定律
[高考備考指南]
高考(江蘇卷)五年命題情況對(duì)照分析
知能考點(diǎn)
2021年命題分
模塊內(nèi)容20172018201920202021
適應(yīng)考析
物理觀念:功、功率、動(dòng)能、重力勢(shì)能、彈性勢(shì)能。
科學(xué)思維:功率與牽引力和速度的關(guān)系、動(dòng)能定理、功能
核心素養(yǎng)關(guān)系、機(jī)械能守恒定律。
科學(xué)探究:通過實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。
科學(xué)態(tài)度與責(zé)任:能源的開發(fā)、利用及能量的轉(zhuǎn)化與守恒。
備立功和功率
[走進(jìn)教材?夯實(shí)基礎(chǔ)]回顧知識(shí)?激活技能
0梳理?必備知識(shí)
一、功
1.做功兩因素
力和物體在力的方向上發(fā)生的位移。
2.公式:W=Ficosa
(l)a是力與位移方向之間的夾角,/是物體對(duì)地的位移。
(2)該公式只適用于恒力做功。
3.功的正負(fù)的判斷方法
恒力的功依據(jù)力與位移方向的夾角來判斷
依據(jù)力與速度方向的夾角a來判斷,0。三々<90。時(shí),力對(duì)物體
曲線運(yùn)動(dòng)
做正功;90。<々三180。時(shí),力對(duì)物體做負(fù)功;a=90。時(shí),力對(duì)
中的功
物體不做功
能量變化功是能量轉(zhuǎn)化的量度,若有能量轉(zhuǎn)化,則必有力對(duì)物體做功。
時(shí)的功此法常用于判斷兩個(gè)相聯(lián)系的物體之間的相互作用力做功
二、功率
1.定義:功與完成這些功所用蛔的比值。
2.物理意義:描述做功的快慢。
3.公式
W.
(i)p=7,尸為時(shí)間/內(nèi)的平均功率。
(2)P=W0cosa(a為尸與。的夾角)。
①。為平均速度,則尸為平均功率。
②。為瞬時(shí)速度,則尸為瞬時(shí)功率。
4.額定功率與實(shí)際功率
(1)額定功率:動(dòng)力機(jī)械長時(shí)間正常工作時(shí)輸出的最大功率。
(2)實(shí)際功率:動(dòng)力機(jī)械實(shí)際工作時(shí)輸出的功率,要求小于或等于額定功率。
e>激活?基本技能
一、易錯(cuò)易誤辨析(正確的打“,錯(cuò)誤的打“X”)
(1)只要物體受力的同時(shí)又有位移發(fā)生,則一定有力對(duì)物體做功。(X)
(2)一個(gè)力對(duì)物體做了負(fù)功,則說明這個(gè)力一定阻礙物體的運(yùn)動(dòng)。(J)
(3)滑動(dòng)摩擦力可能做負(fù)功,也可能做正功;靜摩擦力對(duì)物體一定做負(fù)功。
(X)
(4)據(jù)尸=尸??芍?,發(fā)動(dòng)機(jī)功率一定時(shí),交通工具的牽引力與運(yùn)動(dòng)速度成反
比。(J)
(5)汽車上坡的時(shí)候,司機(jī)必須換擋,其目的是減小速度,得到較大的牽引
力。(J)
(6)公式尸=尸。中的尸是物體受到的合外力。(義)
二、教材習(xí)題衍生
1.(對(duì)功的理解)如圖所示,力廠大小相等,物體運(yùn)動(dòng)的位移s也相同,哪
種情況尸做功最少()
隰=0/x#0
A
/I=0/x#0
CD
[答案]D
w
2.(對(duì)功率的理解)關(guān)于功率公式尸和P=b。的說法正確的是()
A.由P=^知,只要知道W和,就可求出任意時(shí)刻的功率
B.由P=F。只能求某一時(shí)刻的瞬時(shí)功率,不可以求平均功率
C.由尸=尸。知,隨著汽車速度增大,它的功率也可以無限增大
D.由尸=尸。知,當(dāng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)功率一定時(shí),牽引力與速度成反比
D[P=7只適用于求平均功率,P=b。雖是由前者推導(dǎo)得出,但可以用于
求平均功率和瞬時(shí)功率,選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤;汽車運(yùn)行時(shí)不能長時(shí)間超過額定功率,
故隨著汽車速度的增大,它的功率并不能無限制的增大,選項(xiàng)C錯(cuò)誤;當(dāng)功率
一定時(shí),速度越大,牽引力越?。凰俣仍叫?,牽引力越大,故牽引力與速度成反
比,選項(xiàng)D正確。]
3.(功的正負(fù)的判斷)用起重機(jī)將質(zhì)量為機(jī)的物體勻速吊起一段距離,那么
作用在物體上的各力做功情況應(yīng)是下列說法中的哪一種()
A.重力做正功,拉力做負(fù)功,合力做功為零
B.重力做負(fù)功,拉力做正功,合力做正功
C.重力做負(fù)功,拉力做正功,合力做功為零
D.重力不做功,拉力做正功,合力做正功
C[物體勻速上升,重力方向與位移方向相反,重力做負(fù)功,拉力豎直向
上,拉力方向與位移方向相同,拉力做正功,物體做勻速直線運(yùn)動(dòng),處于平衡狀
態(tài),所受合力為零,則合力做功為零,故A、B、D錯(cuò)誤,C正確。]
[細(xì)研考點(diǎn)?突破題型]更難解惑?直擊高考
考點(diǎn)1功的分析與計(jì)算4基本考點(diǎn)逋關(guān)
1.(功的計(jì)算)物體在大小相等的力尸作用下,分別在粗糙的水平地面上發(fā)
生了一段位移X,其力與速度方向夾角如圖所示,則下列判斷正確的是()
A.甲圖中力尸做負(fù)功
B.乙圖中合外力做功最多
C.丙圖中摩擦力做功最多
D.三個(gè)圖中力耳做功相同
B[根據(jù)W=Fxcosa,甲中F與位移x的夾角為30。,力F做正功,乙中
F與*的夾角為150。,力F做負(fù)功,丙中F與x的夾角為30。,力?做正功,
這三種情形下力尸和位移x的大小都是一樣的,將力沿著水平和豎直方向正交
分解,水平分力大小相同,只有水平分力做功,豎直分力不做功,故三種情況下
力耳做功的大小是相等的,但乙圖中力尸做功的性質(zhì)與其他兩個(gè)不同,選項(xiàng)A、
D錯(cuò)誤;將力產(chǎn)正交分解可知,豎直方向上甲對(duì)地面的壓力最大,故甲受到的
摩擦力大于乙、丙受到的摩擦力,而對(duì)乙分析可知,摩擦力與拉力的方向相同,
故乙中合外力最大,所以乙圖中合外力做功最多,選項(xiàng)B正確;由B的分析可
以知道,甲中摩擦力最大,故甲中摩擦力做功最多,選項(xiàng)C錯(cuò)誤。]
2.(正負(fù)功的判斷)如圖所示,粗糙的斜面在水平恒力的作用下向左勻速運(yùn)
動(dòng),一物塊置于斜面上并與斜面保持相對(duì)靜止,下列說法中不正確的是()
A.斜面對(duì)物塊不做功
B.斜面對(duì)地面的摩擦力做負(fù)功
C.斜面對(duì)物塊的支持力做正功
D.斜面對(duì)物塊的摩擦力做負(fù)功
B[斜面對(duì)物塊的作用力可以等效為一個(gè)力,根據(jù)平衡條件,這個(gè)力與物塊
的重力大小相等,方向相反,與位移方向的夾角為90。,所以不做功,選項(xiàng)A正
確;地面受到摩擦力作用,但沒有位移,所以斜面對(duì)地面的摩擦力不做功,選項(xiàng)
B錯(cuò)誤;斜面對(duì)物塊的支持力與位移方向的夾角小于90。,做正功,而斜面對(duì)物
塊的摩擦力與位移方向的夾角大于90。,做負(fù)功,所以選項(xiàng)C、D正確。]
3.(功的計(jì)算)如圖所示,水平路面上有一輛質(zhì)量為M的汽車,車廂中有一
個(gè)質(zhì)量為m的人正用恒力F向前推車廂,在車以加速度。向前加速行駛距離L
的過程中,下列說法正確的是()
A.人對(duì)車的推力F做的功為FL
B.人對(duì)車做的功為/naL
C.車對(duì)人的作用力大小為ma
D.車對(duì)人的摩擦力做的功為便一機(jī)a)L
A[根據(jù)功的公式可知,人對(duì)車的推力做功W=bL,故A正確;在水平方
向上,由牛頓第二定律可知車對(duì)人的作用力為F'=ma,由牛頓第三定律可知
人對(duì)車的作用力為一機(jī)凡人對(duì)車做功為故B錯(cuò)誤;人水平方向受
到的合力為ma,豎直方向上車對(duì)人還有支持力,故車對(duì)人的作用力為N=
y](ma)2+(mg)2=my]a2+g2,故C錯(cuò)誤;對(duì)人由牛頓第二定律可得/—
則片,車對(duì)人的摩擦力做功為W=/L=(F+?ia)L,故D錯(cuò)誤。]
令規(guī)律總結(jié)
1.功的正負(fù)的判斷方法
(1)恒力做功正負(fù)的判斷:依據(jù)力與位移的夾角來判斷。
(2)曲線運(yùn)動(dòng)中做功正負(fù)的判斷:依據(jù)尸與。的方向的夾角a來判斷。
0°^a<90°,力對(duì)物體做正功;90°<a^l80°,力對(duì)物體做負(fù)功;a=90°,力對(duì)物
體不做功。
2.恒力做功的計(jì)算方法
3.合力做功的計(jì)算方法
方法一:先求合外力尸谷,再用Wa=產(chǎn)合依《a求功。適用于尸谷為恒力的
過程。
方法二:先求各個(gè)力做的功W1、叩2、叩3…,再應(yīng)用W^=W1+W2+W3…
求合外力做的功。
考點(diǎn)2功率的分析與計(jì)算4熱門考點(diǎn)突破
1.平均功率的計(jì)算方法
—W
⑴利用P=fo
(2)利用不=尸?方COSCG其中方為物體運(yùn)動(dòng)的平均速度,b為恒力。
2.瞬時(shí)功率的計(jì)算方法
(1)利用公式P=Pocosa,其中。為f時(shí)刻的瞬時(shí)速度。
(2)P=F-VF,其中行為物體的速度v在力產(chǎn)方向上的分速度。
(3)P=F”o,其中心為物體受到的外力F在速度v方向上的分力。
角度1功率的計(jì)算
1.(2021?江蘇南通二模)引體向上是中學(xué)生體育測(cè)試的項(xiàng)目之一,引體向上
運(yùn)動(dòng)的吉尼斯世界紀(jì)錄是54次/分鐘。若一個(gè)普通中學(xué)生在30秒內(nèi)完成12次引
體向上,該學(xué)生此過程中克服重力做功的平均功率最接近于()
A.5WB.20W
C.100WD.400W
C[學(xué)生體重約為50kg,每次引體向上上升高度約為0.5m,引體向上一
次克服重力做功為W=wg/i=50X10X0.5J=250J,全過程克服重力做功的平
—nW12X250
均功率為P=7=—五一W=100W,故C正確,A、B、D錯(cuò)誤。]
角度2瞬時(shí)功率與平均功率
2.質(zhì)量為w的物體從距地面“高處自由下落,經(jīng)歷時(shí)間t,則下列說法中
不正確的是()
A.f秒內(nèi)重力對(duì)物體做功為3〃短產(chǎn)
B.f秒內(nèi)重力的平均功率為機(jī)解/
C.3秒末重力的瞬時(shí)功率與t秒末重力的瞬時(shí)功率之比為1:2
D.前:秒內(nèi)重力做功的平均功率與后彳秒內(nèi)重力做功的平均功率之比為1:3
B[物體自由下落,1秒內(nèi)物體下落〃Wf=,〃g/z=3ng2£2,故A正確;
w2m貯"1tt
2
P=7I=I---=^mgt,故B錯(cuò)誤;從靜止開始自由下落/,前秒末與/后5秒末的
速度之比為1:2(因v=gt°ct),又有尸=尸0=山加0c%故前〈秒末與后;秒末功
率瞬時(shí)值之比為Pl:尸2=1:2,C正確;前;秒與后4秒下落的位移之比為1:3,
則重力做功之比為1:3,故重力做功的平均功率之比為1:3,D正確。]
角度3功與功率的計(jì)算
3.(2021?江蘇金陵中學(xué)高考模擬)如圖所示,兩個(gè)完全相同的小球分別從水
平地面上4點(diǎn)和4點(diǎn)正上方的。點(diǎn)拋出,。點(diǎn)拋出小球做平拋運(yùn)動(dòng),4點(diǎn)斜拋
出的小球能達(dá)到的最高點(diǎn)與。點(diǎn)等高,且兩球同時(shí)落到水平面上的5點(diǎn),關(guān)于
兩球的運(yùn)動(dòng),下列說法正確的是()
AB
A.兩小球應(yīng)該是同時(shí)拋出
B.兩小球著地速度大小相等
C.兩小球著地前瞬間,重力的瞬時(shí)功率相等
D.兩小球做拋體運(yùn)動(dòng)過程重力做功相等
C[從水平地面上A點(diǎn)拋出的小球做斜拋運(yùn)動(dòng),設(shè)O點(diǎn)與水平地面的高度
為h,所以從水平地面上A點(diǎn)拋出的小球的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為從。點(diǎn)拋出
的小球做平拋運(yùn)動(dòng),小球的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為打=\杼,故選項(xiàng)A錯(cuò)誤;兩小球在豎
直方向上有句=也正,在水平方向,根據(jù)x=zW可知,從水平地面上A點(diǎn)拋出
的小球的水平初速度是從O點(diǎn)拋出的小球做平拋運(yùn)動(dòng)的初速度的;,根據(jù)vt=
而箝■足可知兩小球著地速度大小不相等,根據(jù)7\=機(jī)力),可知兩小球著地前瞬
間重力的瞬時(shí)功率相等,故選項(xiàng)C正確,B錯(cuò)誤;根據(jù)WG=mg/z可得從水平地
面上4點(diǎn)拋出的小球的重力做功為零,從。點(diǎn)拋出的小球的重力做功為mgh,
故選項(xiàng)D錯(cuò)誤。]
令方法技巧求解功率時(shí)應(yīng)注意的三個(gè)問題
(1)首先要明確所求功率是平均功率還是瞬時(shí)功率。
(2)平均功率與一段時(shí)間(或過程)相對(duì)應(yīng),計(jì)算時(shí)應(yīng)明確是哪個(gè)力在哪段時(shí)間
(或過程)內(nèi)做功的平均功率。
(3)瞬時(shí)功率計(jì)算時(shí)應(yīng)明確是哪個(gè)力在哪個(gè)時(shí)刻(或狀態(tài))的功率。
考點(diǎn)3機(jī)車啟動(dòng)問題?綜合能力提升
1.兩種啟動(dòng)方式
以恒定功率啟動(dòng)以恒定加速度啟動(dòng)
p-t圖像七記
和圖像
v-t0t0tohl
p
vt=?F=-IF—F0t
過程w
a—m不變今/不變"P—
分析.F—F時(shí)
0A直到額
=>a—m1FvtP
段
勻加速直線運(yùn)動(dòng),維持時(shí)間
運(yùn)動(dòng)加速度減小的加速£o
__£1
性質(zhì)運(yùn)動(dòng)
一a
尸=尸阻
過程
*5_生1TF-F^
P0t=F-。1="-m1
AB分析Vm
~Fa
段
運(yùn)動(dòng)
以。m做勻速直線運(yùn)動(dòng)加速度減小的加速運(yùn)動(dòng)
性質(zhì)
F=F阻
8。段無
以0m—門做勻速運(yùn)動(dòng)
2.三個(gè)重要關(guān)系式
⑴無論哪種啟動(dòng)過程,機(jī)車的最大速度都為小=在。
(2)機(jī)車以恒定加速度啟動(dòng)時(shí),勻加速過程結(jié)束后功率最大,速度不是最大,
即V=p<Vm
(3)機(jī)車以恒定功率運(yùn)行時(shí),牽引力做的功由動(dòng)能定理得上一尸阻x
=AEk,此式經(jīng)常用于求解機(jī)車以恒定功率啟動(dòng)過程的位移、速度或時(shí)間。
[典例]某汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率為120kW,汽車質(zhì)量為5t,汽車在運(yùn)動(dòng)
中所受阻力的大小恒為車重的0.1倍。(g取10m/s2)
(1)若汽車以額定功率啟動(dòng),則汽車所能達(dá)到的最大速度是多少?當(dāng)汽車速
度達(dá)到10m/s時(shí),其加速度是多少?
(2)若汽車以恒定加速度0.5m/s?啟動(dòng),則其勻加速過程能維持多長時(shí)間?
思路探究:(1)達(dá)到最大速度時(shí),汽車處于勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
(2)以加速度0.5m/s?勻加速啟動(dòng)時(shí),達(dá)到勻加速的最大速度時(shí)功率達(dá)到額定
功率。
[解析](1)當(dāng)汽車的加速度為零時(shí),汽車的速度0達(dá)到最大值。m,此時(shí)牽
引力與阻力大小相等,故最大速度為
PP120X103_
rm=F=7>=0.1X5000X10m/s=24m/s
0=10m/s時(shí)的牽引力
P120X103
Fl=v=―io-N=1.2X104N
Fi—Ff
由F\-Ff=ma得a=———
1.2X104-0.1X5X103X10
m/s2=1.4m/s2
5X103o
(2)當(dāng)汽車以a'=0.5m/s2的加速度啟動(dòng)時(shí)的牽引力
3
Fi=ma'+Ff=(5000X0.5+0.1X5X10X10)N=7500N
勻加速運(yùn)動(dòng)能達(dá)到的最大速度為
,P120X103
v|?=瓦=7500m/s=16m/s
由于此過程中汽車做勻加速直線運(yùn)動(dòng),滿足葭m=a't,
故勻加速過程能維持的時(shí)間
[答案](1)24m/s1.4m/s2(2)32s
畬易借警示機(jī)車啟動(dòng)問題的三點(diǎn)注意
(1)在機(jī)車功率P=Fv中,F(xiàn)是機(jī)車的牽引力而不是機(jī)車所受合力或阻力,
所以尸=尸向?只體現(xiàn)了一種數(shù)量關(guān)系用于計(jì)算,即牽引力與阻力平衡時(shí)達(dá)到最
大運(yùn)行速度。
(2)恒定功率下的啟動(dòng)過程一定不是勻加速運(yùn)動(dòng),勻變速直線運(yùn)動(dòng)的公式不
再適用,啟動(dòng)過程發(fā)動(dòng)機(jī)做的功可用計(jì)算,不能用計(jì)算(因?yàn)楫a(chǎn)
為變力)。
(3)以恒定加速度啟動(dòng)只能維持一段時(shí)間,之后又要經(jīng)歷非勻變速直線運(yùn)動(dòng),
所以勻變速直線運(yùn)動(dòng)的公式只適用于前一段時(shí)間,不可生搬硬套。
角度1恒定功率啟動(dòng)
1.復(fù)興號(hào)動(dòng)車在世界上首次實(shí)現(xiàn)速度350km/h自動(dòng)駕駛功能,成為我國
高鐵自主創(chuàng)新的又一重大標(biāo)志性成果。如圖所示,一列質(zhì)量為m的動(dòng)車,初速
度為。o,以恒定功率P在平直軌道上運(yùn)動(dòng),經(jīng)時(shí)間,達(dá)到該功率下的最大速度
人“設(shè)動(dòng)車行駛過程所受到的阻力F保持不變。動(dòng)車在時(shí)間,內(nèi)()
A.做勻加速直線運(yùn)動(dòng)
B.加速度保持不變
C.牽引力的功率P=F"
D.牽引力做功
C[由尸=尸舉o知,P不變,。變大,則尸*變小,由尸率一尸=機(jī)。知,a
變小,故A、B錯(cuò)誤;當(dāng)尸*=F時(shí),動(dòng)車的速度最大,可得牽引力的功率P=F
*vm=Fvm,故C正確;由動(dòng)能定理可知W—W限=]機(jī)%一%〃0廣,所以牽引力
做功W=;//n*一;加W限,故D錯(cuò)誤。]
角度2恒定加速度啟動(dòng)
2.一起重機(jī)的鋼繩由靜止開始勻加速提起質(zhì)量為利的重物,當(dāng)重物的速度
為VI時(shí),起重機(jī)的功率達(dá)到最大值P,之后起重機(jī)保持該功率不變,繼續(xù)提升
重物,最后重物以最大速度。2勻速上升,不計(jì)鋼繩重力。則整個(gè)過程中,下列
說法正確的是()
A.鋼繩的最大拉力為£
B.重物勻加速過程的時(shí)間為六哈
P-mgVi
C.重物勻加速過程的加速度為急
D.速度由小增大至火的過程中,重物的平均速度方再還
B[勻加速過程物體處于超重狀態(tài),鋼繩拉力較大,勻加速運(yùn)動(dòng)階段鋼繩的
拉力為尸=5,故A錯(cuò)誤;根據(jù)牛頓第二定律可知產(chǎn)一結(jié)合o=R解
pmv?1
得〃=不7—g,,故B正確,C錯(cuò)誤;在速度由ri增大至功的過程
中,重物做加速度減小的變加速運(yùn)動(dòng),平均速度石故D錯(cuò)誤。]
角度3機(jī)車啟動(dòng)中的圖像問題
3.(2021?姜堰中學(xué)一模)一輛小汽車在水平路面上由靜止啟動(dòng),在前5s內(nèi)
做勻加速直線運(yùn)動(dòng),5s末達(dá)到額定功率,之后保持以額定功率運(yùn)動(dòng),其?!眻D
像如圖所示。已知汽車的質(zhì)量為機(jī)=1X103kg,汽車受到地面的阻力為車重的
0.1倍,g取lOm/s?,則以下說法正確的是()
v/(m-s-1)
Vm..........-y-------------
20
°5"s
A.汽車在前5s內(nèi)的牽引力為5X102N
B.汽車速度為25m/s時(shí)的加速度為5m/s2
C.汽車的額定功率為100kW
D.汽車的最大速度為80m/s
C[由圖像可知?jiǎng)蚣铀僦本€運(yùn)動(dòng)的加速度為m/s2=4m/s?,根據(jù)
牛頓第二定律得F~f=ma,解得牽引力為F=/+/na=0.1XlX104N+
1X1O3X4N=5X1O3N,故A錯(cuò)誤。額定功率為P=Fo=5000X20W=100kW,
故C正確。當(dāng)車的速度是25m/s時(shí),牽引力r=-T-=10^00N=4000N,
,,.,,[上a,F'-f4000-0.1X1X104r,
此時(shí)車的加速度。=~~~=]x]。3m/s2=3m/s2,故B錯(cuò)戾。
當(dāng)牽引力與阻力相等時(shí),速度最大,最大速度為為,=f=:=喘者m/s=100
m/s,故D錯(cuò)誤。]
篇近動(dòng)能定理
[走進(jìn)教材?分實(shí)基礎(chǔ)]回顧知識(shí)?激活技能
?梳理?必備知識(shí)
一、動(dòng)能
1.定義:物體由于運(yùn)動(dòng)而具有的能。
2.公式:Ek=/公。為瞬時(shí)速度,動(dòng)能是狀態(tài)量。
3.單位:>5,1J=lNm=lkg-m2/s2o
4.標(biāo)矢性:動(dòng)能是標(biāo)量,只有正值。
5.動(dòng)能的變化量:AEk=Ek2~~Eki=,02一品亦。
二'動(dòng)能定理
1.內(nèi)容:合外力對(duì)物體所做的功等于物體動(dòng)能的變化。
2.表達(dá)式:W=2Ek=;,〃說一品亦。
3.物理意義:合外力對(duì)物體做的功是物體動(dòng)能變化的量度。
4.適用條件
(1)既適用于直線運(yùn)動(dòng),也適用于曲線運(yùn)動(dòng)。
(2)既適用于恒力做功,也適用于變力做功。
(3)力可以是各種性質(zhì)的力,既可以同時(shí)作用,也可以不同時(shí)作用。
5.應(yīng)用動(dòng)能定理解題步驟
動(dòng)能
動(dòng)
運(yùn)
確選擇起明確初、
析
分
分
析
定止位置末動(dòng)能
研
動(dòng)
究分階段或
力
對(duì)
學(xué)全過程列
象
關(guān)
和動(dòng)能定理
系
研方程求解
究
受
力£
過幾個(gè)力?恒力是否做功?正
分
析
程還是變力?功還是負(fù)功?
一
6.注意事項(xiàng)
⑴動(dòng)能定理中的位移和速度必須是相對(duì)于同一個(gè)參考系的,一般以地面或
相對(duì)地面靜止的物體為參考系。
(2)當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)包含多個(gè)不同過程時(shí),可分段應(yīng)用動(dòng)能定理求解;也可以
全過程應(yīng)用動(dòng)能定理求解。
(3)動(dòng)能是標(biāo)量,動(dòng)能定理是標(biāo)量式,解題時(shí)不能分解動(dòng)能。
€>激活?基本技能
一、易錯(cuò)易誤辨析(正確的打“,錯(cuò)誤的打“X”)
(1)一定質(zhì)量的物體動(dòng)能變化時(shí),速度一定變化,但速度變化時(shí),動(dòng)能不一
定變化。(。)
(2)物體的合外力對(duì)物體做的功為零,動(dòng)能一定不變。(J)
(3)物體在合外力作用下做變速運(yùn)動(dòng),動(dòng)能一定變化。(X)
(4)物體的動(dòng)能不變,其所受的合外力必定為零。(X)
二、教材習(xí)題衍生
1.(動(dòng)能定理的應(yīng)用)質(zhì)量約是500g的足球被踢出時(shí)的初速度為20m/s,某
人觀察它在空中的飛行情況,上升的最大高度大約是5m,在最高點(diǎn)的速度大約
為10m/s,請(qǐng)你估計(jì)運(yùn)動(dòng)員對(duì)足球做的功約為()
A.25JB.50J
C.75JD.100J
D[在足球被踢出瞬間,應(yīng)用動(dòng)能定理求解運(yùn)動(dòng)員對(duì)足球做
X0.5X202J=100J,A、B、C錯(cuò)誤,D正確。]
2.(動(dòng)能的理解)在下列幾種情況下,甲、乙兩物體的動(dòng)能相等的是()
A.甲的速度是乙的2倍,甲的質(zhì)量是乙的;
B.甲的質(zhì)量是乙的2倍,甲的速度是乙的;
C.甲的質(zhì)量是乙的4倍,甲的速度是乙的:
O
D.質(zhì)量相同,速度大小也相同,但甲向東運(yùn)動(dòng),乙向西運(yùn)動(dòng)
[答案]D
3.(動(dòng)能定理的應(yīng)用)如圖所示,傾角。=37。的斜面45與水平面平滑連接
于B點(diǎn),4、5兩點(diǎn)之間的距離xo=3m,質(zhì)量桃=3kg的小物塊與斜面及水平
面間的動(dòng)摩擦因數(shù)均為"=0.4。當(dāng)小物塊從A點(diǎn)由靜止開始沿斜面下滑的同時(shí),
對(duì)小物塊施加一個(gè)水平向左的恒力/(圖中未畫出),g取10m/s2。若尸=10N,
小物塊從A點(diǎn)由靜止開始沿斜面運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)時(shí)撤去恒力F,求小物塊在水平面
上滑行的距離x為(sin37。=0.6,cos37°=0.8)()
A.5.7mB.4.7m
C.6.5mD,5.5m
B[小物塊在斜面上受力如圖所示,從A點(diǎn)開始沿A8C路徑運(yùn)動(dòng)到。點(diǎn)停
止過程中,由動(dòng)能定理可得
Fxocos〃+mgxosin0~FfX?—^imgx=0
Ff=“N
Fw+Fsin8=mgcos0
代入數(shù)據(jù)解得x=4.7m。
故選項(xiàng)B正確。]
[細(xì)研考點(diǎn)?突破題型]重難解惑?直擊高考
考點(diǎn)1動(dòng)能定理的理解及應(yīng)用《基本考點(diǎn)通關(guān)
1.(對(duì)動(dòng)能'動(dòng)能定理的理解)關(guān)于動(dòng)能概念及動(dòng)能定理表達(dá)式W=Ek2—Eki
的說法中正確的是()
A.若物體速度在變化,則動(dòng)能一定在變化
B.速度大的物體,動(dòng)能一定大
C.W=Ek2—Eki表示功可以變成能
D.動(dòng)能的變化可以用合力做的功來量度
D[速度是矢量,而動(dòng)能是標(biāo)量,若物體速度只改變方向,不改變大小,
則動(dòng)能不變,A錯(cuò)誤;由Ek=5n"知B錯(cuò)誤;動(dòng)能定理表達(dá)式W=Ek2—Eki
表示動(dòng)能的變化可用合力做的功量度,但功和能是兩個(gè)不同的概念,有著本質(zhì)的
區(qū)別,故C錯(cuò)誤,D正確。]
2.(由動(dòng)能定理分析合力做功)如圖所示,某同學(xué)用繩子拉動(dòng)木箱,使它從
靜止開始沿粗糙水平路面運(yùn)動(dòng)至具有某一速度。木箱獲得的動(dòng)能一定()
A.小于拉力所做的功
B.等于拉力所做的功
C.等于克服摩擦力所做的功
D.大于克服摩擦力所做的功
A[由動(dòng)能定理WF—叼=Ek-O,可知木箱獲得的動(dòng)能一定小于拉力所做
的功,A正確。]
3.(由動(dòng)能定理分析分力做功)如圖所示,光滑斜面的頂端固定一彈簧,一
質(zhì)量為m的小球向右滑行,并沖上固定在地面上的斜面。設(shè)小球在斜面最低點(diǎn)
A的速度為小壓縮彈簧至C點(diǎn)時(shí)彈簧最短,。點(diǎn)距地面高度為九則小球從A
到C的過程中彈簧彈力做功是()
A.mgh-^mv2B.~jmv2—mgh
C.—mghD.—{mgh+^inv^
A[小球從A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到。點(diǎn)的過程中,重力和彈簧的彈力對(duì)小球做負(fù)功,
由于支持力與位移始終垂直,則支持力對(duì)小球不做功,由動(dòng)能定理可得WG+
WF=O_1/nr2,重力做功為WG=—mgh,則彈簧的彈力對(duì)小球做功為Wf=mgh
所以正確選項(xiàng)為Ao]
畬規(guī)律忠結(jié)
1.對(duì)“外力”的兩點(diǎn)理解
(1)“外力”指的是合外力,可以是重力、彈力、摩擦力、電場(chǎng)力、磁場(chǎng)力
或其他力,它們可以同時(shí)作用,也可以不同時(shí)作用。
(2)“外力”既可以是恒力,也可以是變力。
2.公式亞合=A&中“="體現(xiàn)的三個(gè)關(guān)系
①因果關(guān)系:1%是引起物體動(dòng)能變化
的原因
三個(gè)關(guān)系——②數(shù)量關(guān)系:1%=AEk
Y)單位關(guān)系:W但與名的單位相同
考點(diǎn)2動(dòng)能定理與圖像結(jié)合問題4熱門考點(diǎn)突破
1.解決物理圖像問題的基本步驟
(1)觀察題目給出的圖像,弄清縱坐標(biāo)、橫坐標(biāo)所對(duì)應(yīng)的物理量及圖線所表
示的物理意義。
(2)根據(jù)物理規(guī)律推導(dǎo)出縱坐標(biāo)與橫坐標(biāo)所對(duì)應(yīng)的物理量間的函數(shù)關(guān)系式。
(3)將推導(dǎo)出的物理規(guī)律與數(shù)學(xué)上與之相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)關(guān)系式相對(duì)比,找
出圖線的斜率、截距、圖線的交點(diǎn)、圖線下方的面積所對(duì)應(yīng)的物理意義,根據(jù)對(duì)
應(yīng)關(guān)系列式解答問題。
2.圖像所圍“面積”和圖像斜率的含義
[典例](動(dòng)能定理與Ek-x圖像的綜合)如圖甲所示,一物體由某一固定且足
夠長的斜面底端以初速度內(nèi)沿斜面上滑,斜面與物體間的動(dòng)摩擦因數(shù)"=0.5,
其動(dòng)能Ek隨離開斜面底端的距離x變化的圖線如圖乙所示,g取10m/s2,不計(jì)
空氣阻力,則以下說法正確的是()
EJi
A.斜面的傾角。=30。
B.物體的質(zhì)量機(jī)=0.5kg
C.斜面與物體間的摩擦力大小片2小N
D.物體在斜面上運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間f=2s
B[由動(dòng)能定理得/金x=AEk,知Ek-x圖線的斜率表示合外力的大小,則
物體上滑階段受到的合外力Fi=mgsin0+〃nigcos〃=《N=5N,物體下滑階
53
段受到的合外力F2=/ngsin(f-fimgcosN=1N,聯(lián)立得tan0=不即0=
37°,/n=0.5kg,故A錯(cuò)誤,B正確;物體與斜面間的摩擦力為geos〃=2
N,故C錯(cuò)誤;物體上滑階段,合外力為尸i=5N,由/1得ai=10m/§2,
t\=~9Ek\=\mvf=25J,聯(lián)立得力=1s,同理,物體下滑階段,合外力為22
=1N,由尸2=機(jī)。2,得42=2m/s2,t2=~,Ek2=1/no?=5J,聯(lián)立得/2=小s,
則f=fl+f2=(l+/)S,故D錯(cuò)誤。]
畬方法技巧動(dòng)能定理與圖像結(jié)合問題的分析方法
(1)首先看清所給圖像的種類(如次f圖像、b“圖像、Ek-f圖像等)。
(2)挖掘圖像的隱含條件,得出所需要的物理量,如由0Y圖像所包圍的“面
積”求位移,由Rx圖像所包圍的“面積”求功等。
(3)分析有哪些力做功,根據(jù)動(dòng)能定理列方程,求出相應(yīng)的物理量。
-
角度1動(dòng)能定理與以-〃圖像的綜合
1.(2019?全國卷山)從地面豎直向上拋出一物體,物體在運(yùn)動(dòng)過程中除受到
重力外,還受到一大小不變、方向始終與運(yùn)動(dòng)方向相反的外力作用。距地面高度
力在3m以內(nèi)時(shí),物體上升、下落過程中動(dòng)能Ek隨力的變化如圖所示。重力加
速度取lOm*。該物體的質(zhì)量為()
A.2kgB.1.5kg
C.1kgD.0.5kg
C[設(shè)物體的質(zhì)量為機(jī),則物體在上升過程中,受到豎直向下的重力機(jī)g和
豎直向下的恒定外力F,由動(dòng)能定理結(jié)合題圖可得一(/ng+F)X3m=(36-72)J;
物體在下落過程中,受到豎直向下的重力和豎直向上的恒定外力F,再由動(dòng)
能定理結(jié)合題圖可得Q〃g-F)X3m=(48-24)J,聯(lián)立解得機(jī)=1kg、F=2N,
選項(xiàng)C正確,A、B、D均錯(cuò)誤。]
角度2動(dòng)能定理與。-八P”圖像的綜合
2.放在粗糙水平地面上質(zhì)量為0.8kg的物體受到水平拉力的作用,在0?6
s內(nèi)其速度與時(shí)間的關(guān)系圖像和該拉力的功率與時(shí)間的關(guān)系圖像分別如圖甲、乙
所示。下列說法中正確的是()
A.0?6s內(nèi)拉力做的功為140J
B.物體在0?2s內(nèi)所受的拉力為4N
C.物體與粗糙水平地面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為0.5
D.合外力在0?6s內(nèi)做的功大于與0?2s內(nèi)做的功
A[由P=Fv可知,物體在0?2s內(nèi)所受的拉力N=6N,在2?
6s內(nèi)所受的拉力F'=廠=mN=2N,B錯(cuò)誤;拉力在0?6s內(nèi)做的總功W
=Fxi+F/X2=6X虧X2J+2X10X4J=140J,A正確;由物體在2?6s內(nèi)做
勻速運(yùn)動(dòng)可知,F(xiàn)'=nmg,可求得"=0.25,C錯(cuò)誤;由動(dòng)能定理可知,物體
所受的合外力在0?6s內(nèi)所做的功與0?2s內(nèi)所做的功均為:帆4=40J,D錯(cuò)
誤?!?/p>
角度3動(dòng)能定理與圖像的綜合
3.(2021?江蘇南京模擬)一滑塊以一定的初速度從一固定斜面的底端向上沖,
到斜面上某一點(diǎn)后返回底端,斜面粗糙?;瑝K運(yùn)動(dòng)過程中加速度與時(shí)間關(guān)系圖像
如圖所示。下列四幅圖像分別表示滑塊運(yùn)動(dòng)過程中位移X、速度大小。、動(dòng)能Ek
和重力勢(shì)能用>(以斜面底端為參考平面)隨時(shí)間變化的關(guān)系圖像,其中正確的是
D[物塊向上做勻減速直線運(yùn)動(dòng),向下做勻加速直線運(yùn)動(dòng),兩者速度方向
相反,據(jù)位移公式可知,位移與時(shí)間成二次函數(shù)關(guān)系;據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式可知,下滑
所用的時(shí)間要大于上升所用的時(shí)間,先減速后加速,加速度始終向下,所以X"
圖像應(yīng)是開口向下的拋物線,A、B錯(cuò)誤;根據(jù)Ek=1加"知?jiǎng)幽芟葴p小后增大,
與時(shí)間為二次函數(shù),C錯(cuò)誤;重力勢(shì)能為。為
負(fù),故為開口向下的拋物線,D正確。]
角度4動(dòng)能定理與F-x圖像的綜合
4.如圖甲所示,在傾角為30。、長度為L=5m的光滑斜面45的A處連接
一粗糙水平面長為4m。有一質(zhì)量為m的滑塊,從。處由靜止開始受
一水平向右的力廠作用,F(xiàn)只在滑塊處于水平面上時(shí)作用,并且按圖乙所示的
規(guī)律變化,最后滑塊剛好到達(dá)斜面頂端B,g取10m/s2。試求:
F/N
-2mg
甲乙
(1)滑塊運(yùn)動(dòng)到A處的速度大?。?/p>
(2)滑塊與04間的動(dòng)摩擦因數(shù)"。
[解析](1)滑塊沖上斜面的過程中重力做負(fù)功,由動(dòng)能定理得一mg?Lsin
30°=0—1/nvi
代入數(shù)據(jù)解得m/so
(2)由題圖乙知,在前2m內(nèi),F(xiàn)\=2mg9做正功,在第3m內(nèi),F(xiàn)2=-0.5/wg,
做負(fù)功,在第4m內(nèi),尸3=0,滑動(dòng)摩擦力的大小為嚕,始終做負(fù)功,對(duì)
于滑塊在OA上運(yùn)動(dòng)的全過程,由動(dòng)能定理得
F\Xi+F2X2+fx=^mvi-Q
即2/ngX2—0.5機(jī)gX1
代入數(shù)據(jù)解得"=0?25。
[答案](1)5&m/s(2)0.25
考點(diǎn)3動(dòng)能定理求解多過程問題'綜合能力提升
1.多過程問題的分析方法
(1)將“多過程”分解為許多“子過程”,各“子過程”間由“銜接點(diǎn)”連
接。
(2)對(duì)各“銜接點(diǎn)”進(jìn)行受力分析和運(yùn)動(dòng)分析,必要時(shí)畫出受力圖和過程示
意圖。
(3)根據(jù)“子過程”和“銜接點(diǎn)”的模型特點(diǎn)選擇合理的物理規(guī)律列方程。
(4)分析“銜接點(diǎn)”速度、加速度等物理量的關(guān)聯(lián),確定各段間的時(shí)間關(guān)聯(lián),
并列出相關(guān)的輔助方程。
⑸聯(lián)立方程組,分析求解,對(duì)結(jié)果進(jìn)行必要的驗(yàn)證或討論。
2.利用動(dòng)能定理求解多過程問題的基本思路
一
外力
末
初
明確
合
的總
狀
動(dòng)
研究
分析拗
能
差
對(duì)象
受力功
[典例](2021?曲塘中學(xué)模擬)如圖所示A5和CD。都是處于豎直平面內(nèi)的光
滑圓弧形軌道,OA處于水平位置。A5是半徑為R=lm的:圓周軌道,CDO是
半徑為r=0.5m的半圓軌道,最高點(diǎn)O處固定一個(gè)豎直彈性擋板(可以把小球彈
回,不損失能量,圖中沒有畫出),。為CDO軌道的中點(diǎn)。5。段是水平粗糙軌
道,與圓弧形軌道平滑連接。已知5C段水平軌道長L=2m,與小球之間的動(dòng)
摩擦因數(shù)4=0.2?,F(xiàn)讓一個(gè)質(zhì)量為m=lkg的小球從A點(diǎn)的正上方距水平線OA
高”的P處自由落下。(g取lOm/s?)
⑴當(dāng)H=2m時(shí),求此時(shí)小球第一次到達(dá)D點(diǎn)對(duì)軌道的壓力大?。?/p>
(2)為使小球僅僅與彈性擋板碰撞一次,且小球不會(huì)脫離CDO軌道,求H
的取值范圍。
思路點(diǎn)撥:解此題可按以下思路
(1)小球由尸到。全過程,由動(dòng)能定理列方程求小球第一次到達(dá)。點(diǎn)的速度。
(2)小球僅僅與彈性擋板碰撞一次且剛好不脫離CO。軌道的兩個(gè)臨界條件
是在O點(diǎn)重力提供向心力,碰后再返回最高點(diǎn)恰能上升到D點(diǎn)。
[解析](1)設(shè)小球第一次到達(dá)D的速度為vD,對(duì)小球從P到D點(diǎn)的過程,
根據(jù)動(dòng)能定理得
mg(H+r)—pmgL—^nivj)—0
在。點(diǎn)軌道對(duì)小球的支持力FN提供向心力,則有
vj)
FN=
聯(lián)立解得FN=84N
由牛頓第三定律得,小球?qū)壍赖膲毫?/p>
F'N=FN=84NO
(2)為使小球僅僅與擋板碰撞一次,且小球不會(huì)脫離CDO軌道,〃最小時(shí)必
須滿足能上升到。點(diǎn),由動(dòng)能定理得
tngHmin—fimgL0
在。點(diǎn)有mg=nr^
代入數(shù)據(jù)解得“min=0.65m
僅僅與彈性擋板碰撞一次,且小球不會(huì)脫離CDO軌道,”最大時(shí),碰后再
返回最高點(diǎn)能上升到D點(diǎn),則有
mg(Hmax+r)—3fllngL=0
代入數(shù)據(jù)解得//max=0.7m
故有0.65mW"W0.7m。
[答案](1)84N(2)0.65mWHW0.7m
令方法技巧應(yīng)用動(dòng)能定理求多過程問題的技巧
(1)運(yùn)用動(dòng)能定理解決多過程問題時(shí),有兩種思路:一種是全過程列式,另
一種是分段列式。
(2)全過程列式時(shí),涉及重力、彈簧彈力,大小恒定的阻力或摩擦力做功,
要注意運(yùn)用它們的功能特點(diǎn):
①重力做的功取決于物體的初、末位置,與路徑無關(guān);
②大小恒定的阻力或摩擦力做的功等于力的大小與路程的乘積。
③彈簧彈力做功與路徑無關(guān)。
-
角度1組合運(yùn)動(dòng)的多過程問題
1.如圖所示,光滑的軌道45。的4B部分與水平部分80相切,軌道右側(cè)
是一個(gè)半徑為R的四分之一的圓弧軌道,。點(diǎn)為圓心,。為圓弧上的一點(diǎn),OC
與水平方向的夾角為37?!,F(xiàn)將一質(zhì)量為m的小球從軌道A5上某點(diǎn)由靜止釋放。
已知重力加速度為g,不計(jì)空氣阻力。fsin37°=1,cos37。=,
A
B
⑴若小球恰能擊中C點(diǎn),求剛釋放小球的位置距離B0平面的高度;
(2)改變釋放點(diǎn)的位置,求小球落到軌道時(shí)動(dòng)能的最小值。
[解析](1)設(shè)小球經(jīng)過。點(diǎn)的速度為v0,從。點(diǎn)到C點(diǎn)做平拋運(yùn)動(dòng),則有
Reos37°=如f,Rsin37
從4點(diǎn)到。點(diǎn),由動(dòng)能定理得mgh
4
聯(lián)立可得,釋放小球的位置距離8。平面的高度加=運(yùn)/?。
(2)設(shè)小球落到軌道上的點(diǎn)與0點(diǎn)的連線與水平方向的夾角為仇小球做平
拋運(yùn)動(dòng),
Reos0=v'of'Rsin2
對(duì)此過程,由動(dòng)能定理得mgRsin〃=&一j
解得Ek=mgl^sin〃+忌在)
當(dāng)sin〃=坐時(shí),小球落到軌道時(shí)的動(dòng)能最小,最小值為Ek=說〃gR。
[答案]⑴正⑵
角度2往復(fù)運(yùn)動(dòng)的多過程問題
2.(2021?江蘇蘇州市調(diào)研)如圖所示,在豎直平面內(nèi),有一傾角為。的斜面
CD與半徑為R的光滑圓弧軌道A5C相切于C點(diǎn),B是最低點(diǎn),4與圓心。等
高。將一質(zhì)量為帆的小滑塊從4點(diǎn)正上方高力處由靜止釋放后沿圓弧軌道A5C
運(yùn)動(dòng),小滑塊與斜面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為",空氣阻力不計(jì),重力加速度為g,取
8點(diǎn)所在的水平面為零勢(shì)能面,試求:
(1)小滑塊在釋放處的重力勢(shì)能Ep;
(2)小滑塊第一次運(yùn)動(dòng)到5點(diǎn)時(shí)對(duì)軌道的壓力尸N';
(3)小滑塊沿斜面CD向上滑行的最大距離X。
[解析](1)小滑塊在釋放處的重力勢(shì)能Ep=mg(h+R)o
(2)小滑塊從釋放處到第一次運(yùn)動(dòng)到5點(diǎn),根據(jù)動(dòng)能定理有mg(h+R)=^mvS
在5點(diǎn),根據(jù)牛頓第二定律有FN—mg=〃望
…2h+3R
解得FN=一五一mg
根據(jù)牛頓第三定律,小滑塊第一次到B點(diǎn)時(shí)對(duì)軌道的壓力為八'=FN=
2/I+37?、―七
Rmg,萬向豎直向下。
(3)從釋放處到沿斜面CD滑行到最高點(diǎn),對(duì)小滑塊,根據(jù)動(dòng)能定理有
mgih-\rReos。-xsin。)一"nigcos"x=0
頷徨h+Rcos0
X-sin0+"cos0°
[答案1(l)mgg+R)⑵次/mg,方向豎直向下⑶言巖黑
角度3含有彈簧彈力做功的多過程問題
3.如圖所示,水平桌面上的輕質(zhì)彈簧左端固定,右端與靜止在。點(diǎn)質(zhì)量為
m=lkg的小物塊接觸而不連接,此時(shí)彈簧無形變。現(xiàn)對(duì)小物塊施加尸=10N水
平向左的恒力,使其由靜止開始向左運(yùn)動(dòng)。小物塊在向左運(yùn)動(dòng)到A點(diǎn)前某處速
度最大時(shí),彈簧的彈力為6N,運(yùn)動(dòng)到4點(diǎn)時(shí)撤去推力F,小物塊最終運(yùn)動(dòng)到B
點(diǎn)靜止。圖中。4=0.8m,05=0.2m,重力加速度g取10m發(fā)。求小物塊:
⑴與桌面間的動(dòng)摩擦因數(shù)";
(2)向右運(yùn)動(dòng)過程中經(jīng)過0點(diǎn)的速度;
(3)向左運(yùn)動(dòng)的過程中彈簧的最大壓縮量。
[解析](1)小物塊速度達(dá)到最大時(shí),加速度為零。
F-/4mg—F?=0,"==0.4。
(2)設(shè)向右運(yùn)動(dòng)通過O點(diǎn)時(shí)的速度為0o,從0-5,由動(dòng)能定理得
—FfXoB=0-^mv(?,Ft=/img=4N
解得ro=Vh6m/s=L26m/s。
(3)彈簧最大壓縮量為Xmax,對(duì)小物塊運(yùn)動(dòng)的全過程,根據(jù)動(dòng)能定理得
FXOA—Ff(2xmax+XOB)=0,代入數(shù)值得Xmax=0.9mo
[答案](1)0
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