高一物理（粵教版)必修二第4章第3節(jié)《探究外力做功與物體動能變化的關(guān)系》（52張ppt）

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歡迎進入物理課堂 第三節(jié)探究外力做功與物體動能變化的關(guān)系 一 實驗與探究1 實驗目的 2 實驗方法 讓物體自由下落 下落過程經(jīng)過A B兩點 測出A B兩點的高度差hAB和A B兩點的速度vA vB 則重力做的功為WG 動能變化為 Ek 驗證WG與 Ek的關(guān)系 mghAB 探究外力做功與物體動能變化的關(guān)系 3 實驗器材 紙帶 鐵架臺 夾子 4 實驗步驟 1 按圖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 把紙帶的一端在重錘上用夾子固定好 另一端穿過計時器限位孔 用手 提起紙帶使重錘停靠在 電火花打點計時器 重錘 毫米刻度尺 沿豎直方向 打點計時器附近 3 讓重錘自由下落 4 重復幾次 得到3 5條打好點的紙帶 5 在打好點的紙帶中挑選 的一條紙帶 在起始點標上0 以后依次標上1 2 3 用刻度尺測出對應下落高度h1 h2 h3 接通電源 待打點穩(wěn)定后 松開紙帶 點跡清晰 8 將測得的數(shù)據(jù)填入下表 觀察 對比 分析 尋求規(guī)律 5 誤差分析 1 偶然誤差 測量長度時會帶來誤差 減小誤差的辦法是 測距離時都應從 量起 多測幾次取平均值 2 系統(tǒng)誤差 實驗中重物和紙帶下落過程中要克服阻力 主要是打點計時器的阻力 做功 故動能的增加量 Ek必定 重力做的功WG 第一個點O 銷小于 6 注意事項 1 應盡最大可能減小各種阻力的影響 可采取如下措施 應選用質(zhì)量大和 的重物 以減小空氣阻力的影響 打點計時器必須穩(wěn)固安裝在鐵架臺上 并且兩個限位孔的中線要 以減小紙帶所受的摩擦力 釋放前將紙帶 且保證不與限位孔接觸以減小紙帶與限位孔間的摩擦 密度較大 在同一豎直線上 豎直通過限位孔 2 實驗時必須是 打點計時器正常工作后再放開紙帶讓重物下落 接通電源 二 理論分析與論證1 推導 如圖所示 質(zhì)量為m的物體 在恒力F和摩擦力f作用下 經(jīng)位移s后 速度由v1增加到v2 外力做的總功 W 由牛頓第二定律 F f ma F f s 由運動學公式 s 聯(lián)立 式得 W 即W Ek2 Ek1 Ek 2 結(jié)論 合外力對物體所做的功等于物體動能的變化 三 動能定理1 內(nèi)容 對物體所做的功等于物體 2 表達式 W 式中E 表示物體的 Ek1表示 W表示 3 功與物體動能變化的關(guān)系 1 W為正功時 Ek2 Ek1 物體的動能 2 W為負功時 Ek2 Ek1 物體的動能 3 W 0時 Ek2 Ek1 物體的動能 合外力動能的變化 Ek2 Ek1 末動能初動能 合外力對物體所做的功 增加 減小 不變 一 動能定理的理解1 內(nèi)容 合外力對物體做的功等于物體動能的變化 即W Ek Ek2 Ek1 2 W為合外力對物體做的功 W的求法有兩種思路 1 先求出各個力對物體所做的功W1 W2 W3 它們的代數(shù)和W W1 W2 W3 即為總功 2 先求出物體所受各個力的合力F合 再利用W F合scos 求合力的功 4 合力對物體做正功 即W 0 Ek 0 表明物體的動能增大 合力對物體做負功 即W 0 Ek 0 表明物體的動能減小 5 動能定理不僅描述了功和動能增量之間的等值關(guān)系 還體現(xiàn)了它們之間的因果關(guān)系 也就是說力對物體做功是引起物體動能變化的原因 合外力做功的過程實質(zhì)上是其他形式的能與動能相互轉(zhuǎn)化的過程 轉(zhuǎn)化了多少由合外力做了多少功來度量 二 動能定理的應用及優(yōu)越性1 應用動能定理解題的步驟 1 確定研究對象和研究過程 2 對研究對象進行受力分析 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 注意功的正負 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 確定物體的初 末動能 注意動能增量是末動能減初動能 5 按照動能定理列式求解 2 優(yōu)越性 1 對于變力作用或曲線運動 動能定理提供了一種計算變力做功的簡便方法 功的計算公式W Fscos 只能求恒力做的功 不能求變力的功 而由于動能定理提供了一個物體的動能變化 Ek與合外力對物體所做功具有等量代換關(guān)系 因此已知 或求出 物體的動能變化 Ek Ek2 Ek1 就可以間接求得變力做功 2 與用牛頓定律解題的比較 兩種思路對比可以看出應用動能定理解題不涉及加速度 時間 不涉及矢量運算 運算簡單不易出錯 探究實驗數(shù)據(jù)處理 在探究外力做功與物體動能變化的實驗中 已知打點計時器所用的電源的頻率為50Hz 查得當?shù)氐闹亓铀俣萭 9 80m s2 測得所用的重物的質(zhì)量為1 00kg 實驗中得到一條點跡清晰的紙帶 如圖 把第一個點記作O 另選連續(xù)的四個點A B C D作為測量的點 經(jīng)測量知道A B C D各點到O點的距離分別是62 99cm 70 18cm 77 76cm 85 73cm 根據(jù)以上數(shù)據(jù) 可知重物由O點運動到 C點 重力做的功為 J 動能的增加量等于 J 取兩位有效數(shù)字 結(jié)論是 在誤差允許的范圍內(nèi) 解析 本題考查實驗數(shù)據(jù)的處理問題 根據(jù)實驗原理直接進行計算T s 0 02 s 所以由O點到C點 重力做的功為 WG mgh 1 00 9 80 77 76 10 2J 7 62 J 打下C點時紙帶 即物體 的瞬時速度 變式訓練 1 探究力對原來靜止的物體做的功與物體獲得的速度的關(guān)系 實驗裝置如圖所示 實驗主要過程如下 1 設(shè)法讓橡皮筋對小車做的功分別為W 2W 3W 2 分析打點計時器打出的紙帶 求出小車的速度v1 v2 v3 以下關(guān)于該實驗的說法中有一項不正確 它是 A 本實驗設(shè)法讓橡皮筋對小車做的功分別為W 2W 3W 所采用的方法是選用同樣的橡皮筋 并在每次實驗中使橡皮筋拉伸的長度保持一致 當用1條橡皮筋進行實驗時 橡皮筋對小車做的功為W 用2條 3條 橡皮筋并在一起進行第2次 第3次 實驗時 橡皮筋對小車做的功分別是2W 3W B 小車運動中會受到阻力 補償?shù)姆椒?可以使木板適當傾斜 C 某同學在一次實驗中 得到一條記錄紙帶 紙帶上打出的點 兩端密 中間疏 出現(xiàn)這種情況的原因 可能是沒有使木板傾斜或傾角太小D 根據(jù)記錄紙帶上打出的點 求小車獲得的速度的方法 是以紙帶上第一點到最后一點的距離來進行計算 解析 由實驗原理可知改變橡皮筋做功多少的辦法是靠改變橡皮筋條數(shù)來實現(xiàn)的 A對 為使橡皮筋的拉力等于小車所受的合外力 通過使木板傾斜的方法平衡摩擦阻力 B對 若沒有平衡或平衡摩擦力不足的話 就會出現(xiàn)橡皮筋拉力為零后 小車減速運動 打出的點逐漸變密 C對 外力做功后小車速度達到最大 表現(xiàn)為點間距最大且相對均勻 所以計算速度 應以最后一段點間距進行計算 D錯 答案 D 對動能定理的理解 一個25kg的小孩從高度為3 0m的滑梯頂端由靜止開始滑下 滑到底端時的速度為2 0m s 取g 10m s2 關(guān)于力對小孩做的功 以下結(jié)果正確的是 A 合外力做功50JB 阻力做功500JC 重力做功500JD 支持力做功50J 解析 重力做功WG mgh 25 10 3J 750J C錯 小孩所受支持力方向上的位移為零 故支持力做的功為零 D錯 合外力做的功W合 Ek 0 即W合 mv2 25 22J 50J A正確 WG W阻 Ek 0 做W阻 mgh mv2 750J 50J 700J B項錯誤 答案 A思維總結(jié) 1 合力的功對應動能增量 2 重力做功取決于初 末位置的高度差 3 其他力的功可利用功的表達式或動能定理求解 變式訓練 2 一個質(zhì)量為1kg的物體被人用手由靜止向上提升1m 這時物體的速度是2m s 則下列說法中錯誤的是 A 手對物體做功12JB 合外力對物體做功12JC 合外力對物體做功2JD 物體克服重力做功10J B 動能定理的應用 如右圖所示 一質(zhì)量為2kg的鉛球從離地面2m高處自由下落 陷入沙面水平的沙坑中的深度為2cm 求沙子對鉛球的平均阻力 g取10m s2 思路點撥 找出全過程初末狀態(tài)的動能及重力 阻力做功 利用功能定理列式求解 解析 解法一 分階段求解 設(shè)鉛球落到沙坑表面的速度為v 如圖所示 根據(jù)動能定理 對自由下落過程有 答案 2020N思維總結(jié) 本題也可以應用牛頓運動定律求解 但是過程比較繁瑣 而應用動能定理解題 則不必考慮物體的具體運動過程 只需要明確物體初 末狀態(tài)的動能和運動過程中合外力的做功情況即可 特別是變力做功的情況 應用動能定理解題的優(yōu)越性就更加凸現(xiàn)出來了 變式訓練 3 有一質(zhì)量為m的木塊 從半徑為r的圓弧曲面上的a點滑向b點 如圖所示 如果由于摩擦使木塊的運動速率保持不變 則以下敘述正確的是 A 木塊所受的合外力為零B 因木塊所受的力都不對其做功 所以合外力的功為零C 重力和摩擦力的功為零D 重力和摩擦力的合力為零 思路點撥 解答此類問題時應掌握以下三點 1 動能定理反映的是合外力的功和動能變化的關(guān)系 2 速率不變 速度有可能變化 3 由功的公式可知不做功的原因有三個 一是力F為零 二是位移l為零 三是F l夾角為90 解析 物體做曲線運動 速度方向變化 加速度不為零 合外力不為零 A錯 速率不變 動能不變 由動能定理知 合外力做功為零 支持力始終不做功 重力做正功 所以重力做的功與阻力做的功代數(shù)和為零 但重力和阻力的合力不為零 C對 B D錯 答案 C 基礎(chǔ)達標 1 在做 探究動能定理 的實驗中 發(fā)現(xiàn)重力做的功總是大于重錘增加的動能 造成這種現(xiàn)象的原因是 A 選用的重錘質(zhì)量過大B 選用的重錘質(zhì)量過小C 空氣對重錘的阻力和打點計時器對紙帶的阻力D 實驗時操作不精細 實驗數(shù)據(jù)測量不準確 解析 重錘和紙帶下落過程中要克服阻力做功 因此重力做的功要大于增加的動能 C正確 重錘質(zhì)量的大小對阻力有影響 但不是造成上述現(xiàn)象的原因 A B錯 答案 C 2 利用重錘下落探究外力做功與物體動能變化的實驗中 下面敘述正確的是 A 應該用天平稱出物體的質(zhì)量B 應該選用點跡清晰 特別是第一點沒有拉成長條的紙帶C 操作時應先放紙帶再通電D 打點計時器應接在電壓為4 6V的直流電源上 解析 本題考查實驗器材的選取及正確的實驗操作 因為重力做的功與動能變化中都含有質(zhì)量m 驗證相等時質(zhì)量可消去 因此不需稱出物體的質(zhì)量 A錯 打點計時器應接在低壓交流電源上 D錯 計算重力做功時用到的下落高度需從下落點算起 所以操作時先通電再放紙帶 C錯 選用紙帶時 首先要求點跡清晰 其次是前兩點間距約為2mm 故B項正確 答案 B 3 在探究功與物體動能變化的關(guān)系實驗中作出W v2圖象如圖所示 哪一個是符合實際的 解析 實驗證明 力做的功W與物體速度v的二次方成正比 即W v2 故作出的W v2圖象為一條過原點的傾斜直線 B正確 答案 B 4 在 探究外力做功與物體動能變化 的實驗中下列實驗步驟操作合理的排列順序是 填寫步驟前面的字母 A 將打點計時器豎直安裝在鐵架臺上B 接通電源 再松開紙帶 讓重物自由下落C 取下紙帶 更換新帶重新做實驗D 將重物固定在紙帶的一端 讓紙帶穿過打點計時器 用手提紙帶 E 選擇一條合適的紙帶 用刻度尺測出物體下落的高度h1 h2 h3 hn 計算出對應的瞬時速度v1 v2 v3 vnF 分別計算出mvn2和mghn 比較大小 尋求規(guī)律 解析 在實驗前應先組裝實驗器材 所以放在首位的應該是A和D 然后開始實驗 要保證打出下落的起點和保證紙帶豎直下落以減小誤差 則下一步應選用B步驟 待下落著地后第一次實驗結(jié)束應取下紙帶關(guān)掉電源然后重復實驗以獲取多組數(shù)據(jù) 所以選C 最后是數(shù)據(jù)的處理 在驗證前要選取合適的紙帶 然后在紙帶上測出高度及對應點的速度 所以最后的步驟應為E F 故正確的實驗順序為 A D B C E F 答案 A D B C E F 5 關(guān)于動能定理 下列說法中正確的是 A 某過程中外力的總功等于各力做功的絕對值之和B 只要合外力對物體做功 物體的動能就一定改變C 在物體動能不改變的過程中 動能定理不適用D 動能定理只適用于受恒力作用而加速運動的過程 解析 公式W Ek中W為合外力做的功 也可以是各力做功的代數(shù)和 A錯B對 動能不變 只能說明總功W 0 動能定理仍適用 C錯 動能定理既適用于恒力做功 也可適用于變力做功 D項錯誤 答案 B 6 一質(zhì)量為m的小球 用長為l的輕繩懸掛于O點 小球在水平力F作用下 從平衡位置P點很緩慢地移動到Q點 如右圖所示 則力F所做的功為 A mglcos B Flsin C mgl 1 cos D Flcos 解析 從P到Q小球緩慢移動可以認為小球的動能未變化 即 Ek 0 設(shè)拉力F做的功為WF 則從P到Q 外力對球做的總功W WF mgl 1 cos 由動能定理W Ek得WF mgl 1 cos 0 故WF mgl 1 cos C正確 答案 C 能力提升 7 一人用力踢質(zhì)量為1kg的靜止足球 使球以10m s的水平速度飛出 設(shè)人踢球的平均作用力為200N 球在水平方向滾動的距離為20m 則人對球做功為 g取10m s2 A 50JB 200JC 4000JD 6000J A 8 在h高處 以初速度v0向水平方向拋出一個小球 不計空氣阻力 小球著地時速度大小為 C 9 雙選 關(guān)于運動物體所受的合力 合力的功 動能的變化 下列說法正確的是 A 運動物體所受的合力不為零 合力必做功 物體的動能一定要變化B 運動物體所受的合力為零 則物體的動能一定不變C 運動物體的動能保持不變 則該物體所受合力一定為零D 運動物體所受合力不為零 則該物體一定做變速運動 BD 10 如右圖所示 在水平桌面上的A點有一個質(zhì)量為m的物體以初速度v0被拋出 不計空氣阻力 當它到達B點時 其動能為 11 一輛汽車以v1 6m s的速度沿水平路面行駛時 急剎車后能滑行s1 3 6m 如果以v2 8m s的速度行駛 在同樣路面上急剎車后滑行的距離s2應為多少 感謝您的使用 退出請按ESC鍵 本小節(jié)結(jié)束 同學們 來學校和回家的路上要注意安全 同學們 來學校和回家的路上要注意安全