2019-2020年高中物理 4.3《探究外力做功與物體動(dòng)能變化的關(guān)系》學(xué)案 粵教版必修2.doc

2019-2020年高中物理 4.3《探究外力做功與物體動(dòng)能變化的關(guān)系》學(xué)案 粵教版必修2 [例題1] 一個(gè)物體從斜面上高h(yuǎn)處由靜止滑下并緊接著在水平面上滑行一段距離后停止，量得停止處對(duì)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)處的水平距離為S，如圖8－27，不考慮物體滑至斜面底端的碰撞作用，并設(shè)斜面與水平面對(duì)物體的摩擦因數(shù)相同．求摩擦因數(shù)μ． [思路點(diǎn)撥] 以物體為研究對(duì)象，它從靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，最后又靜止在平面上，考查全過(guò)程中物體的動(dòng)能沒(méi)有變化，即ΔEK=0，因此可以根據(jù)全過(guò)程中各力的合功與物體動(dòng)能的變化上找出聯(lián)系． [解題過(guò)程]設(shè)該面傾角為α，斜坡長(zhǎng)為l，則物體沿斜面下滑時(shí)， 物體在平面上滑行時(shí)僅有摩擦力做功，設(shè)平面上滑行距離為S2，則 對(duì)物體在全過(guò)程中應(yīng)用動(dòng)能定理：ΣW=ΔEk． mglsinα－μmglcosα－μmgS2=0 得 h－μS1－μS2=0． 式中S1為斜面底端與物體初位置間的水平距離．故 [小結(jié)]本題中物體的滑行明顯地可分為斜面與平面兩個(gè)階段，而且運(yùn)動(dòng)性質(zhì)也顯然分別為勻加速運(yùn)動(dòng)和勻減速運(yùn)動(dòng)．依據(jù)各階段中動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系也可求解本題．比較上述兩種研究問(wèn)題的方法，不難顯現(xiàn)動(dòng)能定理解題的優(yōu)越性．用動(dòng)能定理解題，只需抓住始、末兩狀態(tài)動(dòng)能變化，不必追究從始至末的過(guò)程中運(yùn)動(dòng)的細(xì)節(jié)，因此不僅適用于中間過(guò)程為勻變速的，同樣適用于中間過(guò)程是變加速的．不僅適用于恒力作用下的問(wèn)題，同樣適用于變力作用的問(wèn)題． [例題2] 質(zhì)量為500t的機(jī)車(chē)以恒定的功率由靜止出發(fā)，經(jīng)5min行駛2.25km，速度達(dá)到最大值54km/h，設(shè)阻力恒定且取g=10m/s2．求：(1)機(jī)車(chē)的功率P=？(2)機(jī)車(chē)的速度為36km/h時(shí)機(jī)車(chē)的加速度a=？ [思路點(diǎn)撥] 因?yàn)闄C(jī)車(chē)的功率恒定，由公式P=Fv可知隨著速度的增加，機(jī)車(chē)的牽引力必定逐漸減小，機(jī)車(chē)做變加速運(yùn)動(dòng)，雖然牽引力是變力，但由W=Pt可求出牽引力做功，由動(dòng)能定理結(jié)合P=fvm，可 求出36km/h時(shí)的牽引力，再根據(jù)牛頓第二定律求出機(jī)車(chē)的加速度a． [解題過(guò)程] (1)以機(jī)車(chē)為研究對(duì)象，機(jī)車(chē)從靜止出發(fā)至達(dá)速度最大值過(guò)程，根據(jù)ΣW=ΔEk，有 當(dāng)機(jī)車(chē)達(dá)到最大速度時(shí)，F(xiàn)=f．所以 當(dāng)機(jī)車(chē)速度v=36km/h時(shí)機(jī)車(chē)的牽引力 根據(jù)ΣF=ma可得機(jī)車(chē)v=36km/h時(shí)的加速度 [小結(jié)] 機(jī)車(chē)以恒定功率起動(dòng)，直到最大速度，屬于變力做功的問(wèn) 由于速度增大導(dǎo)致加速度減小，汽車(chē)做加速度逐漸減小而速度逐漸變大的變加速運(yùn)動(dòng)．此類(lèi)問(wèn)題應(yīng)用牛頓第二定律求解，在中學(xué)物理范圍內(nèi)是無(wú)法求解的．但應(yīng)用動(dòng)能定理求解變力做功，進(jìn)而求解相關(guān)物理量是一種簡(jiǎn)捷優(yōu)化的解題思路與方法． [例題3] 一輛車(chē)通過(guò)一根跨過(guò)定滑輪的繩PQ提升井中質(zhì)量為m的物體，如圖8－28所示：繩的P端拴在車(chē)后的掛鉤上，Q端拴在物體上，設(shè)繩的總長(zhǎng)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(kāi)始時(shí)，車(chē)在A點(diǎn)，左右兩側(cè)繩都已繃緊并且是豎直的，左側(cè)繩繩長(zhǎng)為H．提升時(shí)，車(chē)加速向左運(yùn)動(dòng)，沿水平方向從A經(jīng)過(guò)B駛向C．設(shè)A到B的距離也為H，車(chē)經(jīng)過(guò)B點(diǎn)時(shí)的速度為vB．求車(chē)由A移到B的過(guò)程中，繩Q端的拉力對(duì)物體做的功？ [思路點(diǎn)撥] 汽車(chē)從A到B把物體提升的過(guò)程中，物體只受到拉力和重力的作用，根據(jù)物體速度的變化和上升的高度，特別是汽車(chē)運(yùn)動(dòng)速度vB與物體上升過(guò)程中的瞬時(shí)速度關(guān)系，應(yīng)用動(dòng)能定理即可求解． [解題過(guò)程] 以物體為研究對(duì)象，開(kāi)始動(dòng)能Ek1=0，隨著車(chē)的加速拖動(dòng)，重物上升，同時(shí)速度在不斷增加．當(dāng)車(chē)運(yùn)動(dòng)至B點(diǎn)時(shí)，左邊的繩與水平面所成角θ=45，設(shè)物體已從井底上升高度h，此時(shí)物體速度為vQ，即為收繩的速度，它等于車(chē)速沿繩子方向的一個(gè)分量，如圖8－29 [小結(jié)] 此題需明確：速度分解跟力的分解相似，兩個(gè)分速度方向應(yīng)根據(jù)運(yùn)動(dòng)的實(shí)際效果確定．車(chē)子向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，繩端(P)除了有沿繩子方向的分運(yùn)動(dòng)外(每一瞬間繩均處于張緊的狀態(tài))，還參與了繞定滑輪O的轉(zhuǎn)動(dòng)分運(yùn)動(dòng)(繩與豎直方向的夾角不斷變化)，因此還應(yīng)該有一個(gè)繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的分速度，這個(gè)分速度垂直于繩長(zhǎng)的方向．所以車(chē)子運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)時(shí)的速度分解如圖8－29所示，有vQ=vB1=vBcosθ=vBcos45． [例題4] 在光滑水平面上有一靜止的物體，現(xiàn)以水平恒力甲推這一物體，作用一段時(shí)間后，換成相反方向的水平恒力乙推這一物體．當(dāng)恒力乙作用時(shí)間與恒力甲作用時(shí)間相同時(shí)，物體恰好回到原處，此時(shí)物體的動(dòng)能為32J，則在整個(gè)過(guò)程中，恒力甲做的功和恒力乙做的功各等于多少？ [思路點(diǎn)撥] 由題意：物體先做勻加速運(yùn)動(dòng)，后做勻減速運(yùn)動(dòng)回到原處．整個(gè)過(guò)程中的位移為零，根據(jù)牛頓第二定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)公式，即可確定兩個(gè)力的大小關(guān)系，然后根據(jù)全過(guò)程中兩個(gè)力做功和動(dòng)能的變化即可得解． [解題過(guò)程] 物體從靜止受水平恒力F甲作用，做勻加速運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間t后的速度為 經(jīng)時(shí)間t后回到原處，前后兩段時(shí)間內(nèi)的位移大小相等，方向相反，所以 因此F乙=3F甲． 設(shè)在F甲作用下物體的位移為S，對(duì)全過(guò)程應(yīng)用動(dòng)能定理F甲S＋F乙S=ΔEk，代入F乙=3F甲，F(xiàn)甲S＋3F甲S=ΔEk，所以恒力甲和乙做的功分別為 [小結(jié)] 本題屬多階段物理過(guò)程求功問(wèn)題，運(yùn)動(dòng)往復(fù)性的不同階段有不同的恒力作用，運(yùn)用功能定理從整體上考證功能轉(zhuǎn)換比從力和運(yùn)動(dòng)關(guān)系去研究要簡(jiǎn)便．當(dāng)然此題也可根據(jù)兩個(gè)力作用時(shí)間相同、兩個(gè)物理過(guò)程中的位移大小相等，由平均速度的大小相等找出兩者末速度的關(guān)系求解；也可以利用v－t圖線(xiàn)更直觀(guān)地得到啟發(fā)，根據(jù)圖線(xiàn)上下方與t軸間的面積相等求兩段加速度之比，進(jìn)而求解． [例題5] 如圖8－30所示，長(zhǎng)為L(zhǎng)，質(zhì)量為m1的木板A置于光滑水平面上，在A板上表面左端有一質(zhì)量為m2的物塊B，B與A的摩擦因數(shù)為μ，A和B一起以相同的速度v向右運(yùn)動(dòng)，在A與豎直墻壁碰撞過(guò)程中無(wú)機(jī)械能損失，要使B一直不從A上掉下來(lái)，v必須滿(mǎn)足什么條件(用m1、m2、L、μ表示)？倘若V0已知，木板B的長(zhǎng)度L應(yīng)滿(mǎn)足什么條件(用m1、m2、V0、μ表示)？ [思路點(diǎn)撥] A和墻壁碰撞后，A以大小為v的速度向左運(yùn)動(dòng)，B仍以原速向右運(yùn)動(dòng)．以后的運(yùn)動(dòng)過(guò)程有三種可能：(1)若m1＞m2，則m1和m2最后以某一共同速度向左運(yùn)動(dòng)；(2)若m1=m2，則A、B最后都停在水平面上，但不可能與墻壁發(fā)生第二次碰撞；(3)若m1＜m2，則A將多次和墻壁碰撞、最后停在靠近墻壁處． [解題過(guò)程] 若m1＞m2，碰撞后的總動(dòng)量方向向左，以向左為正方向，系統(tǒng)Δp=0， m1v－m2v=(m1＋m2)v′， 若相對(duì)靜止時(shí)B剛好在A板右端，則系統(tǒng)總機(jī)械能損失應(yīng)為μm2gL，則功能關(guān)系為 若V0已知，則板長(zhǎng)L應(yīng)滿(mǎn)足 若m1=m2，碰撞后系統(tǒng)總動(dòng)量為零，最后都靜止在水平面上，設(shè)靜止時(shí)B在A的右端，則 若m1＜m2，則A與墻壁將發(fā)生多次碰撞，每次碰撞后總動(dòng)量方向都向右，而B(niǎo)相對(duì)于A始終向右運(yùn)動(dòng)，設(shè)最后A靜止在靠近墻壁處，B靜止在A的右端，則有 [小結(jié)] 在有些用字母表示已知物理量的題目中，物理過(guò)程往往隨著已知量的不同取值范圍而改變．對(duì)于這類(lèi)題目，通常是將物理量的取值分成幾個(gè)范圍來(lái)討論，分別在各個(gè)范圍內(nèi)求解．如本題中，由于m1和m2的大小關(guān)系沒(méi)有確定，在解題時(shí)必須對(duì)可能發(fā)生的物理過(guò)程進(jìn)行討論，分別得出結(jié)果．