物理：4.3《探究外力做功與物體動能變化的關系》課件 （粵教版必修2）

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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系 核心要點突破 課堂互動講練 知能優(yōu)化訓練 課前自主學案 第三節(jié)探究外力做功與物體動能變化的關系 課標定位 課標定位學習目標 1 會用實驗的方法來探究外力做功與物體動能變化的關系 并能用牛頓第二定律和運動學公式推導動能定理 2 理解動能定理的內(nèi)容 并能用動能定理分析 計算有關問題 重點難點 1 動能定理的應用 2 探究外力做功與動能變化之間的關系 課前自主學案 一 實驗與探究1 實驗目的 探究外力做功與物體動能變化的關系 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 mghAB 動能變化為 Ek 驗證WG與 Ek的關系 3 實驗器材 鐵架臺 帶鐵夾 重物 紙帶 電源等 4 實驗步驟 1 按圖4 3 1把打點計時器安裝在鐵架臺上 用導線把打點計時器與電源連接好 電火花打點計時器 刻度尺 圖4 3 1 2 把紙帶的一端在重物上用夾子固定好 另一端穿過計時器限位孔 用手捏住紙帶上端提起紙帶使重物停靠在打點計時器附近 3 先 后 讓重物自由下落 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點跡清晰的一條紙帶 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 釋放紙帶 6 應用公式vn 計算各點對應的即時速度v1 v2 v3 7 計算各點對應的重力做的功 和動能的增加量 進行比較 請自行設計表格進行分析 mgh 5 結論 合力對物體所做的功等于物體動能的變化 6 實驗誤差及注意事項 1 誤差產(chǎn)生原因分析及減小方法重物和紙帶在下落過程中受到打點計時器和空氣的阻力 比較W與 Ek關系時 W只計算重力做功 未考慮阻力做功 給實驗帶來誤差 豎直固定打點計時器 適當增加重物的質(zhì)量來減小相對誤差 2 注意事項 打點計時器要豎直架穩(wěn) 使兩限位孔在同一豎直線上 釋放紙帶時 應使重物靠近打點計時器 保持提起的紙帶豎直 先接通電源再松開紙帶 測量下落高度時 應從起點量起 選取的計數(shù)點要離起始點遠些 紙帶不宜過長 思考感悟利用物體自由下落來探究外力做功與物體動能變化的關系時 物體的質(zhì)量需不需要測量 為什么 2 結論 合力對物體所做的功等于物體動能的變化 三 動能定理動能定理的內(nèi)容 合力對物體所做的功等于物體動能的變化 表達式 式中Ek2表示物體的末態(tài)的動能 Ek1表示物體的初態(tài)的動能 W表示合外力所做的功 當外力對物體做正功時 物體的動能 當外力對物體做負功時 物體的動能 W Ek2 Ek1 增加 減少 核心要點突破 一 對動能定理的理解1 動能定理反映了一種因果關系 即合力做功是物體動能變化的原因 當合力對物體做正功時W 0 Ek2 Ek1 0 Ek2 Ek1 動能增加 特別提醒 動能只有正值 沒有負值 但動能的變化卻有正負 變化 是指末狀態(tài)的物理量減去初狀態(tài)的物理量 而不一定是大的減小的 動能的變化量為正值 表示物體的動能增加了 對應于合力對物體做正功 物體的變化量為負值 表示物體的動能減小了 對應于合力對物體做負功 或者說物體克服合力做功 2 動能定理的研究對象是單一物體 或者是可以看成單一物體的物體系 3 動能定理適用于物體的直線運動 也適用于物體的曲線運動 適用于恒力做功 也適用于變力做功 力可以是各種性質(zhì)的力 既可以同時作用 也可以分段作用 只要求出在作用過程中各力做功的多少和正負即可 用動能定理解題一般比用牛頓第二定律和運動學公式求解簡便 4 動能定理的計算式為標量式 v為相對同一參考系的速度 一般以地面為參考系 5 外力對物體所做的功是指物體所受的一切外力對它做的總功 特別提醒 1 動能定理只強調(diào)初末狀態(tài)動能的變化 在一段過程中初末位置的動能變化量為零 并不意味著在此過程中的各個時刻動能不變化 2 物體所受合力不為零時 其動能不一定變化 比如合力方向始終與速度垂直時 動能就不會變化 即時應用 即時突破 小試牛刀 1 單選 一質(zhì)量為1kg的物體被人用手由靜止開始向上提升1m 這時物體的速度是2m s 則下列結論中錯誤的是 A 手對物體做功12JB 合力對物體做功12JC 合力對物體做功2JD 物體克服重力做功10J 二 動能定理的適用條件及解題的優(yōu)越性1 適用條件 動能定理雖然是在物體受恒力作用 沿直線做勻加速直線運動的情況下推導出來的 但是對于外力是變力或物體做曲線運動 動能定理都成立 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 特別提醒 有些問題 用牛頓第二定律和運動學知識可以求解 用動能定理也可以求解 但由于應用動能定理時不需要考慮運動過程中的一些細節(jié) 所以用動能定理求解更簡潔一些 即時應用 即時突破 小試牛刀 2 單選 如圖4 3 3所示 光滑水平桌面上開一個光滑小孔 從孔中穿一根細繩 繩一端系一個小球 另一端用力F1向下拉 以維持小球在光滑水平面上做半徑為R1的勻速圓周運動 今改變拉力 當大小變?yōu)镕2時 小球仍在水平桌面上做勻速圓周運動 但半徑變?yōu)镽2 則小球運動半徑由R1變?yōu)镽2過程中 拉力對小球做的功是 圖4 3 3 課堂互動講練 在 探究外力做功與物體動能的變化 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4 3 4 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 取三位有效數(shù)字 結論是在誤差允許的范圍內(nèi) 圖4 3 4 答案 7 627 57重力做的功等于物體增加的動能 方法總結 根據(jù)勻變速直線運動某段時間內(nèi)的平均速度等于中間時刻的瞬時速度 因此 紙帶上某點的瞬時速度就等于該點前后相鄰兩點間的平均速度 如圖4 3 5所示 將質(zhì)量m 2kg的一塊石頭從離地面H 2m高處由靜止開始釋放 落入泥潭并陷入泥中h 5cm深處 不計空氣阻力 求泥對石頭的平均阻力 g取10m s2 圖4 3 5 答案 820N 方法總結 應用動能定理解決問題的五個步驟 1 明確研究對象和研究過程 2 明確題設條件和已知量 未知量 待求量 3 分析研究對象在對應的研究過程中的受力情況及各力對物體做功情況 寫出各力做功的表達式并求其代數(shù)和 4 明確研究對象在對應研究過程中的初 末狀態(tài) 5 由動能定理的W合 Ek2 Ek1列式求解未知量 如圖4 3 6所示 質(zhì)量為m的物體置于光滑的水平面上 用一根繩子一端固定在物體上 另一端通過定滑輪 以恒定速率v0拉繩子 物體由靜止開始運動 當繩子與水平方向夾角 45 時 繩中張力對物體做的功是多少 圖4 3 6 答案 mv 方法總結 對變力做功直接應用功的公式無法求解 而應用動能定理非常方便 動能定理可以求解變力做功的問題 如圖4 3 7所示 軌道的兩端翹起 中間平直 平直部分長s 0 2m 動摩擦因數(shù) 0 10 兩端翹起的部分是光滑的 設一物體從距平直部分高h 1 0m處由靜止沿軌道滑下 則物體在平直軌道上運動所通過的總路程是多少 圖4 3 7 思路點撥 對于一些復雜的物理過程 尤其是涉及非勻變速直線運動的過程 應用牛頓運動定律很難解決 而動能定理由于不涉及中間過程 所以在全過程中應用動能定理更簡捷 自主解答 物體從左側彎曲軌道滑下 通過平直軌道后滑上右側彎曲軌道 再從右側軌道下來 滑上左側軌道 這樣往復數(shù)次后 因平直軌道的摩擦作用 物體將停止在平直軌道上 選取 物體剛開始下滑至停止這一運動過程來研究 物體的初動能Ek1 0 末動能Ek2 0 設物體的質(zhì)量為m 在平直軌道上運動的總路程為s 則摩擦力做的功Wf mgs 重力做的功WG mgh 軌道的支持力不做功 答案 10m 圖4 3 8 解析 選D 物體從A到B所受彈力要發(fā)生變化 摩擦力大小也要隨之發(fā)生變化 所以求克服摩擦力做的功 不能直接用功的公式求得 而在BC段克服摩擦力所做的功 可直接求得 對從A到C全過程應用動能定理即可求出在AB段克服摩擦力所做的功 設物體在AB段克服摩擦力所做的功為WAB 物體從A到C的全過程 根據(jù)動能定理有mgR WAB mgR 0所以有WAB mgR mgR 1 mgR 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