天津市武清區(qū)楊村第四中學高三物理 第1講功 功率復習課件

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1、 第1講功功率 知識建構(gòu)模塊建構(gòu)技能建構(gòu)【考綱要求】【考情總結(jié)】【備考建議】模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu)1.功和功率 2.動能和動能定理 3.重力做功與重力勢能 4.功能關(guān)系.機械能守恒定律及其應用 5.實驗:探究動能定理、驗證機械能守恒定律能的概念、功和能的關(guān)系以及各種不同形式的能的相互轉(zhuǎn)化和守恒定律是自然界中最重要、最普遍、最基本的客觀規(guī)律,它貫穿于整個物理學中.本章有關(guān)功和能的概念,以及動能定理和機械能守恒定律是在牛頓第二定律的基礎(chǔ)上研究力和運動關(guān)系的進一步拓展,使人們對自然界的認識更加深入.用能量的觀點分析問題,不僅為解決力學問題開辟了一條新的途徑,同時也是分析解決電磁學、熱學等領(lǐng)域問題的

2、一條重要思路.本章的功和功率、動能和動能定理、重力做功和重力勢能、彈性勢能機械能守恒定律是歷年高考的必考內(nèi)容,考查的知點覆蓋面全,頻率高,題型全.動能定理、機械能守恒定律是力學中的重點和難點,用能量觀點解題是解決動力學問題的三大途徑之一.考題的內(nèi)容經(jīng)常與牛頓運動定律、曲線運動、電磁學等方面知識綜合,物理過程復雜,綜合分析的能力要求較高,這部分知識能密切聯(lián)系生活實際、聯(lián)系現(xiàn)代科學技術(shù),因此,每年高考的壓軸題,高難度的綜合題經(jīng)常涉及本章知識.從考題逐漸趨于穩(wěn)定的特點來看,我們認為:2013年對機械能的考查重點仍放在分析問題和解決問題的能力上.因此在復習中,還是應在熟練掌握基本概念和規(guī)律的同時,注重

3、分析綜合能力的培養(yǎng),訓練從能量守恒的角度分析問題的思維方法.平時要加強綜合題的練習,學會將復雜的物理過程分解成若干個子過程,分析每一個過程的始末運動狀態(tài)量及物理過程中力、加速度、速度、能量的變化,對于生活、生產(chǎn)中的實際問題要建立相關(guān)物理模型,靈活運用牛頓運動定律、動能定理、能量轉(zhuǎn)化的方法提高解決實際問題的能力 .模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu)一、功1.做功的兩個要素:(1)力;(2)物體在力的方向上發(fā)生的位移.2.公式:W=Flcos ,是力和位移方向間的夾角,此公式只適用于恒力做功.模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu)3.功的正負判斷主要根據(jù)力的方向和位移方向間的夾角判斷:說明:功是力在空間上的積累過程,它是

4、一個過程量.功是標量,正功表示對物體做功的力為動力,負功表示對物體做功的力為阻力.功的正負不表示功的大小.夾角功的正負90力對物體做負功或物體克服這個力做功模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu)1.定義:功與完成功所用時間的比值.二、功率2.物理意義:描述力對物體做功的快慢.3.公式模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu)(2)P=Fvcos (為F與v的夾角)如v為平均速度,則P為平均功率;如v為瞬時速度,則P為瞬時功率.(1)P=,P為時間t內(nèi)的平均功率.Wt4.額定功率:機械正常工作時輸出的最大功率.模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu)5.實際功率:機械實際工作時輸出的功率,一般要求實際功率小于或等于額定功率.注意:發(fā)動機功率的

5、表達式為P=Fv,其中F為機車的牽引力,而不是合力.模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu)1.如圖所示,重物P放在一長木板OA上,將長木板繞O端轉(zhuǎn)過一個小角度的過程中,重物P相對于木板始終保持靜止.關(guān)于木板對重物P的摩擦力和支持力做功的情況是( )A.摩擦力對重物不做功B.摩擦力對重物做負功C.支持力對重物不做功D.支持力對重物做正功【解析】由做功的條件可知:只要有力,并且物體在力的方向上通過位移,則力對物體做功.由受力分析知,支持力FN做正功,摩擦力f不做功,選項A、D正確.【答案】AD模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu)2.如圖所示,某力F=10 N作用于半徑R=1 m的轉(zhuǎn)盤的邊緣上,力F的大小保持不變,但方向始終

6、保持與作用點的切線方向一致,則轉(zhuǎn)動一周這個力F做的總功應為( )A. 0 JB.20 JC.10 JD.20 J【解析】把圓周分成無限個小元段,每個小元段可認為與力在同一直線上,故W=Fs,則轉(zhuǎn)一周中各個小元段做功的代數(shù)和為W=F2R=102 J=20 J=62.8 J,故B正確.【答案】B模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu)3.起重機的鋼索將重物由地面吊到空中某個高度,其速度圖象如圖甲所示,則鋼索拉力的功率隨時間變化的圖象可能是圖乙中的( )【解析】在0t1時間內(nèi),重物加速上升,設(shè)加速度為a1,則根據(jù)牛頓第二定律可得鋼索的拉力F1=mg+ma1,速度vt=a1t,所以拉力的功率P1=m(a1+g)a1t

7、在t1t2時間內(nèi),重物勻速上升,拉力F2=mg,速度為v1=a1t1,所以拉力的模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu)功率P2=mga1t1 在t2t3時間內(nèi),重物減速上升,設(shè)加速度大小為a2,則根據(jù)牛頓第二定律可得鋼索的拉力F2=mg-ma2,速度v2=a1t1-a2t,所以拉力的功率為:P1=m(g-a2)(a1t1-a2t)綜上所述,只有B選項正確.【答案】B模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu)4.(2011年廣東省汕尾市調(diào)研)2009年12月19日下午,聯(lián)合國氣候變化大會達成哥本哈根協(xié)議.為減少二氧化碳排放,我國城市公交推出新型節(jié)能環(huán)保電動車.在檢測某款電動車性能的實驗中,質(zhì)量為8102 kg的電動車由靜止開始

8、沿平直公路行駛,達到的最大速度為15 m/s,利用傳感器測得此過程中不同時刻電動車的牽引力F與對應的速度v,并描繪出F-圖象(圖中AB、BO均為直線),假設(shè)電動車行駛中所受的阻力恒定,則( )A.在全過程中,電動車在B點時速度最大B.BA過程電動車做勻加速運動C.CB過程電動車做減速運動D.CB過程電動車牽引力的功率恒定1v模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu)【解析】汽車的瞬時功率P=Fv,在F-圖象中某點與坐標原點連線的斜率等于汽車牽引力的瞬時功率,可知D正確;根據(jù)題意及速度等于橫坐標倒數(shù)可知C點時速度最大,等于15 m/s,故A錯誤;電動車行駛中所受的阻力不變,BA過程牽引力不變,所以電動車做勻加速運

9、動,B正確;CB過程電動車牽引力逐漸減小,做加速度減小的加速運動,C錯誤.【答案】BD 1v模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu) 例1小物塊位于光滑的斜面上,斜面位于光滑的水平面上,如圖甲所示,從地面上看在物塊沿斜面下滑的過程中,斜面對物塊的作用力( )A.垂直于接觸面,做功為零B.垂直于接觸面,做功不為零C.不垂直于接觸面,做功為零D.不垂直于接觸面,做功不為零一、是否做功及功的正負的判斷甲模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu)【名師點金】斜面對小物塊彈力的方向垂直于支持面指向被支持的物體,無論這個物體是運動還是靜止.當小物塊沿斜面下滑時,因水平面光滑,斜面在小物塊的緊壓下將向右加速運動.光滑斜面對物塊的作用力只有彈

10、力,根據(jù)彈力的性質(zhì),該力一定垂直于接觸面,討論物體對斜面的做功情況,可有多種思路.模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu)【規(guī)范全解】乙【答案】B模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu)方法概述功是標量,只有大小,沒有方向,但功有正負.若力和位移的夾角為,當00,即力對物體做正功;當=90時,W=0,即力對物體不做功;當90180時,W0,即力對物體做負功,或者說物體模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu)克服這個力做功(正功).功的正值與負值不是代表不同的方向,也不表示功的大小,而是表示所做功的性質(zhì),反映力對物體產(chǎn)生位移所起的作用,反映不同的做功效果.在物體發(fā)生位移的過程中,各個力的作用不同.對這個物體發(fā)生位移起推動作用的力(即動力)做正

11、功;反之,在對物體產(chǎn)生位移起阻礙作用的力(即阻力)做負功,也就是這個物體克服阻力做功.我們不能說“正功與負功方向相反”,也不能說“正功大于負功”.模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu) 例2如圖甲所示,質(zhì)量m=2 kg的物體放在水平面上,物體與水平面間的動摩擦因數(shù)=0.2,現(xiàn)用與水平方向成=37的斜向下F=10 N的力推物體.使物體向右運動.物體從開始運動經(jīng)過t=5 s的時間內(nèi)合外力對物體做的功是多少?(g=10 m/s2)二、功的計算甲模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu)【名師點金】本題涉及合力做功的計算,功是一個標量,只有大小沒有方向,功的求和是代數(shù)求和.所以,求合力的功有以下三種方法:(1)先求合力,再求合力的功

12、;(2)先求各分力的功,再求各分力功的代數(shù)和;(3)根據(jù)動能定理,求物體動能的改變量.模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu)【規(guī)范全解】乙【答案】49 J模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu)1.恒力及合力做功的計算方法概述(1)恒力的功:直接用W=Flcos 計算.模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu)(2)合外力的功先求合外力F合,再應用公式W合=F合lcos 求功,其中為合力F合與位移的夾角,一般適用于整個過程中合力恒定不變的情況.分別求出每個力的功W1、W2、W3再應用W合=W1+W2+W3+求合外力的功.這種方法一般適用于在整個過程中,某些力分階段作用的情況.利用動能定理或功能關(guān)系求解.2.變力做功的計算模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能

13、建構(gòu)(2)當變力的功率P一定時,可用W=Pt求功,如機車恒功率啟動時.(1)用動能定理W=Ek或功能關(guān)系W=E,即用能量的增量等效代換變力所做的功.(也可計算恒力做的功)模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu)(3)將變力做功轉(zhuǎn)化為恒力做功當力的大小不變,而方向始終與運動方向相同或相反時,這類力的功等于力和路程(不是位移)的乘積.如滑動摩擦力做功、空氣阻力做功等.當力的方向不變,大小隨位移呈線性變化時,可先求出力對位移的平均值F=,再由W=Flcos 計算,如彈簧彈力做功.122FF模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu)(4)作出變力F隨位移l變化的圖象,圖象與位移軸所圍的“面積”即為變力做的功,圖中(a)圖表示恒力F做的

14、功W,(b)圖表示變力F做的功W,(c)圖中橫軸上方的面積表示正功,橫軸下方的面積表示負功,其總功等于正負功的代數(shù)和.(a)(b)(c)模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu)模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu)【規(guī)范全解】物體受到兩個力的作用:拉力F和mg.由牛頓第二定律得:F-mg=ma解得:F=120 N則力F=F=60 N物體從靜止開始勻加速上升,3 s內(nèi)的位移為:l=at2=9 m力F的作用點的位移為l=2l=18 m所以力F做的功為:W=Fl=1080 J.【答案】1080 J1212模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu) 例3如圖所示為某傳送裝置示意圖.繃緊的水平傳送帶長度L=2.0 m,以v=3.0 m/s的恒定速率運

15、行.現(xiàn)有一物體(可視為質(zhì)點)質(zhì)量m=10 kg,以v0=1.0 m/s的水平初速度從A端滑上傳送帶,被傳送到B端,物體與傳送帶間的動摩擦因數(shù)=0.20,不計空氣阻力,重力加速度g取10 m/s2.設(shè)傳送帶與輪子間無相對滑動,不計輪軸處的摩擦,求物體與傳送帶摩擦產(chǎn)生的內(nèi)能.三、一對摩擦力做功的特點模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu)【名師點金】兩個物體相互摩擦而產(chǎn)生的熱量Q(或說系統(tǒng)內(nèi)能的增加量)等于物體之間滑動摩擦力f與這兩個物體間相對滑動位移的乘積,即Q=fs相對.這是一種典型的功能關(guān)系,利用這一結(jié)論可以簡便地解答試題中的“摩擦生熱”問題.模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu)【規(guī)范全解】物體剛滑上傳送帶時做勻加速直

16、線運動,設(shè)物體受到的摩擦力為Ff 根據(jù)牛頓第二定律有Ff=mg=ma解得a=g=2.0 m/s2 設(shè)物體速度達到v=3.0 m/s時的位移為s1 則v2-=2as1,解得s1=2.0 m即物體在傳動帶上剛好能加速達到傳送帶的速度3.0 m/s 在物體勻加速運動的過程中,傳送帶上任意一點移動的長度s=vt=3m物體與傳送帶摩擦產(chǎn)生的內(nèi)能Q=mg(s-s1)20v2202vva解得Q=20 J.【答案】20 J模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu)方法概述摩擦力做功問題,是一些學生在學習中感到較為困難的一個問題,其實,只要掌握摩擦力做功的特點,就可以順利的越過這一難關(guān).下面就摩擦力做功的特點總結(jié)如下:模塊建構(gòu)知

17、識建構(gòu)技能建構(gòu)1. 靜摩擦力做功的特點靜摩擦力可以做正功,也可以做負功,還可以不做功.在靜摩擦力做功的過程中,只有機械能的相互轉(zhuǎn)移(靜摩擦力起著傳遞機械能的作用),而沒有機械能轉(zhuǎn)化為其他形式的能.在相互摩擦的系統(tǒng)內(nèi),一對靜摩擦力做功的和總是等于零.模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu)2. 滑動摩擦力做功的特點模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu)模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu) 例4額定功率為80 kW的汽車,在平直的公路上行駛,行駛的最大速度為20 m/s,汽車的質(zhì)量m=2000 kg,若汽車從靜止開始做勻加速直線運動,加速度a=2 m/s2,運動過程中阻力不變.求(1)汽車所受的阻力有多大?(2)勻加速運動的時間多長?(3

18、)3 s末汽車的瞬時功率多大?模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu)【名師點金】汽車從靜止開始以恒定牽引力啟動,有時也說成以恒定加速度啟動.由于牽引力F恒定,根據(jù)牛頓第二定律F-f=ma,可知:加速度a恒定,汽車的瞬時速度vt=at,汽車做勻加速直線運動,實際功率Pt=Fvt隨著時間的推移將不斷增大.由于汽車的實際功率不能超過其額定功率,汽車的勻加速直線運動只能維持到其實際功率等于其額定功率時,此時汽車的速度達到它勻加速直線運動階段的最大速度v1m,其后汽車只能以額定功率啟動的方式進行再加速,其運動方式和第一種啟動形式完全相同.即汽車繼續(xù)做加速度越來越小的變加速直線運動,直至汽車進入勻速直線運動狀態(tài),速度達

19、到最終的最大速度vm.模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu)【規(guī)范全解】(1)當速度最大時,牽引力F1與阻力f大小相等f=F1=4000 N.mPv模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu)(2)以恒定的加速度a=2 m/s2啟動時的牽引力為F2,由F-f=ma,則F2=ma+f=8000 N當汽車達到額定功率時加速過程結(jié)束,設(shè)加速運動末速度為v1,則v1=10 m/s,所以勻加速運動的時間為t=5 s.2PF額1va模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu)(3)3 s末汽車為勻加速運動,3 s末的速度v=at=6 m/s,3 s末的瞬時功率P=F2v=48 kW.【答案】(1)4000 N (2)5 s (3)48 kW方法概述機動車等交

20、通工具在啟動的時候,通常有兩種啟動方式,即以恒定功率啟動和以恒定加速度啟動,現(xiàn)比較如下:模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu)兩種方式以恒定功率啟動以恒定加速度啟動P-t圖和v-t圖模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu)OA段過程分析vF= a=a=不變F不變vP=Fv直到P額=Fv1運動性質(zhì)加速度減小的加速直線運動勻加速直線運動,維持時間t0=P()v不變FFm阻FFm阻1va模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu)AB段過程分析F=F阻a=0F阻=vF=a=運動性質(zhì)以vm勻速直線運動加速度減小的加速運動mPvPv額FFm阻模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu)BC段無F=F阻a=0以vm=勻速運動PF額阻注意:表中的v1為機車以恒定加速度啟動時勻

21、加速運動的末速度,而vm為機車以額定功率運動時所能達到的最大速度.模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu)高考真題1 (2011年高考海南物理卷)一質(zhì)量為1 kg的質(zhì)點靜止于光滑水平面上,從t=0時起,第1秒內(nèi)受到2 N的水平外力作用,第2秒內(nèi)受到同方向的1 N的外力作用.下列判斷正確的是( )A.02 s內(nèi),外力的平均功率是 WB.第2秒內(nèi),外力所做的功是 JC.第2秒末,外力的瞬時功率最大D.第1秒內(nèi)與第2秒內(nèi)質(zhì)點動能增加量的比值是 945445模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu)【解析提示】在通讀題目的基礎(chǔ)上,畫出運動過程示意圖,結(jié)合功和功率的定義求解.【命題分析】本題考查學生對功和功率這兩個基本概念的理解和計算.

22、模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu)【規(guī)范全解】根據(jù)牛頓第二定律及運動學公式,很容易得出質(zhì)點在第2秒末的速度為3 m/s,根據(jù)動能定理判斷外力對質(zhì)點做的功為4.5 J,所以平均功率為2.25 W,A項正確;第2秒內(nèi)外力做的功為2.5 J,B項錯誤;第1秒末外力的瞬時功率為4 W,第2秒末外力的瞬時功率為3 W,C項錯誤;第1秒內(nèi)與第2秒內(nèi)外力做功之比為4 5,故相應的動能增量之比也為4 5,D項正確.【答案】AD模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu)考向預測1 (2011年湖南嘉禾一模)據(jù)報道:我國一家廠商制作了一種特殊的手機,在電池能耗盡時,搖晃手機,即可產(chǎn)生電能維持通話,搖晃手機的過程是將機械能轉(zhuǎn)化為電能,如果將該

23、手機搖晃一次,相當于將100 g的重物舉高20 cm,若每秒搖兩次,則搖晃手機的平均功率為(g=10 m/s2)( )A.0.04 W B.0.4 W C.4 W D.40 W【解析】搖晃手機每秒做的功W=2mgh=0.4 J,則平均功率P=0.4 W,故B正確.【答案】BWt模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu)高考真題2 (2010年高考新課標全國卷)如圖所示,在外力作用下某質(zhì)點運動的v-t圖象為正弦曲線.從圖中可以判斷( )A.在0t1時間內(nèi),外力做正功B.在0t1時間內(nèi),外力的功率逐漸增大C.在t2時刻,外力的功率最大D.在t1t3時間內(nèi),外力做的總功為零模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu)【解析提示】本題需要

24、明白,v-t圖的曲線的切線為斜率,而斜率大小的物理意義即為加速度大小.【命題分析】本題考查動能定理和功率的計算.模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu)【規(guī)范全解】在0t1時間內(nèi)質(zhì)點做加速運動,外力做正功;由于0、t1時刻外力的功率為零,故在0t1時間內(nèi)外力的功率先增大后減小;由于t1、t3兩時刻質(zhì)點的動能相同,根據(jù)動能定理可知,在t1t3時間內(nèi),外力做的總功為零,故選項A、D正確.【答案】AD模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu)考向預測2 A.摩擦力對A、B做功相等B.A對B沒有做功C.F對A做的功與F對B做的功相等D.合外力對A做的功與合外力對B做的功相等模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu)摩擦力對A、B做功不相等,則A錯誤;A對B有向前的彈力,對B做正功,則B錯誤;力F沒有作用在B上,對B不做功,則C錯誤.【答案】D【解析】A、B一起向右運動,具有相同的加速度和合外力,由功的定義式W=Fscos ,合外力對A做的功與合外力對B做的功相等,則D正確;根據(jù)摩擦力公式Ff=FN,A所受的摩擦力大于B所受的摩擦力,模塊建構(gòu)知識建構(gòu)技能建構(gòu)