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2019-2020年高考物理大一輪復習 第5章 機械能配套教案
一、功
1.做功的兩個必要條件
力和物體在力的方向上發(fā)生的位移.
2.公式
W=Flcos α,適用于恒力做功,其中α為F、l方向間夾角,l為物體對地的位移.
3.功的正負判斷
夾角
功的正負
α<90
力對物體做正功
α>90
力對物體做負功,或者說物體克服這個力做了功
α=90
力對物體不做功
二、功率
1.定義:功與完成這些功所用時間的比值.
2.物理意義:描述做功的快慢.
3.公式
(1)P=,P為時間t內的平均功率.
(2)P=Fvcos α(α為F與v的夾角)
①v為平均速度,則P為平均功率.
②v為瞬時速度,則P為瞬時功率.
4.額定功率與實際功率
(1)額定功率:動力機械正常工作時輸出的最大功率.
(2)實際功率:動力機械實際工作時輸出的功率,要求小于或等于額定功率.
[自我診斷]
1.判斷正誤
(1)只要物體受力的同時又發(fā)生了位移,則一定有力對物體做功.()
(2)一個力對物體做了負功,則說明這個力一定阻礙物體的運動.(√)
(3)作用力做正功時,反作用力一定做負功.()
(4)力始終垂直物體的運動方向,則該力對物體不做功.(√)
(5)摩擦力對物體一定做負功.()
(6)由P=Fv可知,發(fā)動機功率一定時,機車的牽引力與運行速度的大小成反比.(√)
(7)汽車上坡時換成低擋位,其目的是減小速度得到較大的牽引力.(√)
2.(多選)質量為m的物體靜止在傾角為θ的斜面上,斜面沿水平方向向右勻速移動了距離s,如圖所示,物體m相對斜面靜止.則下列說法正確的是( )
A.重力對物體m做正功
B.合力對物體m做功為零
C.摩擦力對物體m做負功
D.支持力對物體m做正功
解析:選BCD.物體的受力及位移如圖所示,支持力FN與位移x的夾角α<90,故支持力做正功,D正確;重力垂直位移,故重力不做功,A錯誤;摩擦力Ff與x夾角β>90,故摩擦力做負功,C正確;合力為零,合力不做功,B正確.
3.如圖所示,甲、乙、丙三個物體分別在大小相等、方向不同的力F的作用下,向右移動相等的位移x,關于F對甲、乙、丙做功的大小W1、W2、W3判斷正確的是( )
A.W1>W2>W3 B.W1=W2>W3
C.W1=W2=W3 D.W1
B
B.重力的平均功率A=B
C.重力的瞬時功率PA=PB
D.重力的瞬時功率PAtB,由P=知Am乙、ρ甲=ρ乙可知a甲>a乙,故C錯誤;因甲、乙位移相同,由v2=2ax可知,v甲>v乙,B正確;由x=at2可知,t甲f乙,則W甲克服>W乙克服,D正確.
第2節(jié) 動能定理及其應用
一、動能
1.公式:Ek=mv2,式中v為瞬時速度,動能是狀態(tài)量.
2.矢標性:動能是標量,只有正值,動能與速度的方向無關.
3.動能的變化量:ΔEk=mv-mv.
4.動能的相對性
由于速度具有相對性,則動能也具有相對性,一般以地面為參考系.
二、動能定理
1.內容:合外力對物體所做的功等于物體動能的變化.
2.表達式:W=ΔEk=mv-mv.
3.功與動能的關系
(1)W>0,物體的動能增加.
(2)W<0,物體的動能減少.
(3)W=0,物體的動能不變.
4.適用條件
(1)動能定理既適用于直線運動,也適用于曲線運動.
(2)既適用于恒力做功,也適用于變力做功.
(3)力可以是各種性質的力,既可以同時作用,也可以不同時作用.
[自我診斷]
1.判斷正誤
(1)一定質量的物體動能變化時,速度一定變化,但速度變化時,動能不一定變化.(√)
(2)動能不變的物體一定處于平衡狀態(tài).()
(3)如果物體所受的合外力為零,那么合外力對物體做功一定為零.(√)
(4)物體在合外力作用下做變速運動時,動能一定變化.()
(5)物體的動能不變,所受的合外力必定為零.()
(6)做自由落體運動的物體,動能與時間的二次方成正比.(√)
2.一個質量為0.3 kg的彈性小球,在光滑水平面上以6 m/s的速度垂直撞到墻上,碰撞后小球沿相反方向運動,反彈后的速度大小與碰撞前相同,則碰撞前后小球速度變化量的大小Δv和碰撞過程中小球的動能變化量ΔEk為( )
A.Δv=0 B.Δv=12 m/s
C.ΔEk=1.8 J D.ΔEk=10.8 J
解析:選B.取初速度方向為正方向,則Δv=(-6-6)m/s=-12 m/s,由于速度大小沒變,動能不變,故動能變化量為0,故只有選項B正確.
3.A、B兩物體在光滑水平面上,分別在相同的水平恒力F作用下,由靜止開始通過相同的位移l.若A的質量大于B的質量,則在這一過程中( )
A.A獲得動能較大
B.B獲得動能較大
C.A、B獲得動能一樣大
D.無法比較A、B獲得動能大小
解析:選C.由動能定理可知恒力F做功W=Fl=mv2-0,因為F、l相同,所以A、B的動能變化相同,C正確.
4.質量m=2 kg的物體在光滑水平面上以v1=6 m/s的速度勻速向西運動,若有一個F=8 N、方向向北的恒力作用于物體,在t=2 s內物體的動能增加了( )
A.28 J B.64 J
C.32 J D.36 J
解析:選B.由于力F與速度v1垂直,物體做曲線運動,其兩個分運動為向西的勻速運動和向北的勻加速直線運動,對勻加速運動有a==4 m/s2,v2=at=8 m/s.2 s末物體的速度v==10 m/s, 2 s內物體的動能增加了ΔEk=mv2-mv=64 J,故選項B正確.
考點一 動能定理的理解和應用
1.定理中“外力”的兩點理解
(1)重力、彈力、摩擦力、電場力、磁場力或其他力,它們可以同時作用,也可以不同時作用.
(2)既可以是恒力,也可以是變力.
2.公式中“=”體現的三個關系
3.應用動能定理的注意事項
(1)動能定理中的位移和速度必須是相對于同一個參考系的,一般以地面或相對地面靜止的物體為參考系.
(2)應用動能定理時,必須明確各力做功的正、負.
(3)應用動能定理解題,關鍵是對研究對象進行準確的受力分析及運動過程分析,并畫出物體運動過程的草圖,借助草圖理解物理過程和各量關系.
1. 光滑斜面上有一個小球自高為h的A處由靜止開始滾下,抵達光滑水平面上的B點時速度大小為v0.光滑水平面上每隔相等的距離設置了一個與小球運動方向垂直的活動阻擋條,如圖所示,小球越過n條活動阻擋條后停下來.若讓小球從h高處以初速度v0滾下,則小球能越過的活動阻擋條的條數是(設小球每次越過活動阻擋條時損失的動能相等)( )
A.n B.2n
C.3n D.4n
解析:選B.設每條阻擋條對小球做的功為W,當小球在水平面上滾動時,由動能定理得nW=0-mv,對第二次有NW=0-mv=0-,又因為mv=mgh,聯立解得N=2n,選項B正確.
2. (多選)質量不等,但有相同動能的兩個物體,在動摩擦因數相同的水平地面上滑行,直至停止,則( )
A.質量大的物體滑行的距離大
B.質量小的物體滑行的距離大
C.它們滑行的距離一樣大
D.它們克服摩擦力所做的功一樣多
解析:選BD.由動能定理可知,摩擦力對物體所做的功等于物體動能的增量,因兩物體具有相同的動能,故兩物體滑行過程中克服摩擦力所做的功也相同,又Wf=μmgx可知,質量越大的物體,滑行的距離x越小,故B、D選項正確.
3.如圖所示,質量為m的小球用長為L的輕質細線懸于O點,與O點處于同一水平線上的P點處有一個光滑的細釘,已知OP=,在A點給小球一個水平向左的初速度v0,發(fā)現小球恰能到達跟P點在同一豎直線上的最高點B.求:
(1)小球到達B點時的速率;
(2)若不計空氣阻力,則初速度v0為多少;
(3)若初速度v0=3,則小球在從A到B的過程中克服空氣阻力做了多少功?
解析:(1)小球恰能到達最高點B,由牛頓第二定律得
mg=m
解得vB=
(2)若不計空氣阻力,從A→B由動能定理得
-mg=mv-mv
解得v0=
(3)當v0=3 時,由動能定理得
-mg-WFf=mv-mv
解得WFf=mgL
答案:(1) (2) (3)mgL
(1)優(yōu)先應用動能定理的問題
①不涉及加速度、時間的問題.
②有多個物理過程且不需要研究整個過程中的中間狀態(tài)的問題.
③變力做功的問題.
④含有F、l、m、v、W、Ek等物理量的力學問題.
(2)應用動能定理的解題步驟
考點二 動能定理與圖象的綜合問題
1.力學中圖象所圍“面積”的意義
(1)vt圖:由公式x=vt可知,vt圖線與坐標軸圍成的面積表示物體的位移.
(2)at圖:由公式Δv=at可知,at圖線與坐標軸圍成的面積表示物體速度的變化量.
(3)Fx圖:由公式W=Fx可知,Fx圖線與坐標軸圍成的面積表示力所做的功.
(4)Pt圖:由公式W=Pt可知,Pt圖線與坐標軸圍成的面積表示力所做的功.
2.解決物理圖象問題的基本步驟
(1)觀察題目給出的圖象,弄清縱坐標、橫坐標所對應的物理量及圖線所表示的物理意義.
(2)根據物理規(guī)律推導出縱坐標與橫坐標所對應的物理量間的函數關系式.
(3)將推導出的物理規(guī)律與數學上與之相對應的標準函數關系式相對比,找出圖線的斜率、截距、圖線的交點,圖線下的面積所對應的物理意義,分析解答問題.或者利用函數圖線上的特定值代入函數關系式求物理量.
[典例1] 如圖甲所示,一半徑R=1 m、圓心角等于143的豎直圓弧形光滑軌道,與斜面相切于B處,圓弧軌道的最高點為M,斜面傾角θ=37,t=0時刻有一物塊沿斜面上滑,其在斜面上運動的速度變化規(guī)律如圖乙所示,若物塊恰能到達M點,取g=10 m/s2,sin 37=0.6,cos 37=0.8,求:
(1)物塊經過M點的速度大小;
(2)物塊經過B點的速度大?。?
(3)物塊與斜面間的動摩擦因數.
解析 (1)物塊恰能到達M點則有mg=m
解得vM== m/s
(2)物塊從B點運動到M點的過程中,由動能定理得
-mgR(1+cos 37)=mv-mv
解得vB= m/s
(3)由題圖乙可知,物塊在斜面上運動時,加速度大小為a==10 m/s2,方向沿斜面向下,有
mgsin 37+μmgcos 37=ma
解得μ=0.5
答案 (1) m/s (2) m/s (3)0.5
1. (xx安徽合肥一模)A、B兩物體分別在水平恒力F1和F2的作用下沿水平面運動,先后撤去F1、F2后,兩物體最終停下,它們的vt圖象如圖所示.已知兩物體與水平面間的滑動摩擦力大小相等.則下列說法正確的是( )
A.F1、F2大小之比為1∶2
B.F1、F2對A、B做功之比為1∶2
C.A、B質量之比為2∶1
D.全過程中A、B克服摩擦力做功之比為2∶1
解析:選C.由速度與時間圖象可知,兩個勻減速運動的加速度之比為1∶2,由牛頓第二定律可知:A、B受摩擦力大小相等,所以A、B的質量關系是2∶1,由速度與時間圖象可知,A、B兩物體加速與減速的位移相等,且勻加速運動位移之比1∶2,勻減速運動的位移之比2∶1,由動能定理可得:A物體的拉力與摩擦力的關系,F1x-f13x=0-0;B物體的拉力與摩擦力的關系,F22x-f23x=0-0,因此可得:F1=3f1,F2=f2,f1=f2,所以F1=2F2.全過程中摩擦力對A、B做功相等,F1、F2對A、B做功大小相等.故A、B、D錯誤,C正確.
2. (xx江西九江質檢)打樁機是利用沖擊力將樁貫入地層的樁工機械.某同學對打樁機的工作原理產生了興趣.他構建了一個打樁機的簡易模型,如圖甲所示.他設想,用恒定大小的拉力F拉動繩端B,使物體從A點(與釘子接觸處)由靜止開始運動,上升一段高度后撤去F,物體運動到最高點后自由下落并撞擊釘子,將釘子打入一定深度.按此模型分析,若物體質量m=1 kg,上升了1 m高度時撤去拉力,撤去拉力前物體的動能Ek與上升高度h的關系圖象如圖乙所示.(g取10 m/s2,不計空氣阻力)
(1)求物體上升到0.4 m高度處F的瞬時功率;
(2)若物體撞擊釘子后瞬間彈起,且使其不再落下,釘子獲得20 J的動能向下運動.釘子總長為10 cm.撞擊前插入部分可以忽略,不計釘子重力.已知釘子在插入過程中所受阻力Ff與深度x的關系圖象如圖丙所示,求釘子能夠插入的最大深度.
解析:(1)撤去F前,根據動能定理,有
(F-mg)h=Ek-0
由題圖乙得,斜率為k=F-mg=20 N得
F=30 N
又由題圖乙得,h=0.4 m時,Ek=8 J,則v=4 m/s
P=Fv=120 W
(2)碰撞后,對釘子有-Ffx′=0-Ek′
已知Ek′=20 J
f=
又由題圖丙得k′=105 N/m
解得x′=0.02 m
答案:(1)120 W (2)0.02 m
動能定理與圖象結合問題的分析方法
(1)首先看清楚所給圖象的種類(如vt圖象、Ft圖象、Ekx圖象等).
(2)挖掘圖象的隱含條件——求出所需要的物理量,如由vt圖象所包圍的“面積”求位移,由Fx圖象所包圍的“面積”求功等.
(3)分析有哪些力做功,根據動能定理列方程,求出相應的物理量.
考點三 用動能定理解決多過程問題
1.運用動能定理解決問題時,選擇合適的研究過程能使問題得以簡化.當物體的運動過程包含幾個運動性質不同的子過程時,可以選擇一個、幾個或全部子過程作為研究過程.
2.當選擇全部子過程作為研究過程,涉及重力、大小恒定的阻力或摩擦力做功時,要注意運用它們的功能特點:
(1)重力的功取決于物體的初、末位置,與路徑無關.
(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.
[典例2] 如圖所示,用一塊長L1=1.0 m的木板在墻和桌面間架設斜面,桌子高H=0.8 m,長L2=1.5 m.斜面與水平桌面的傾角θ可在0~60間調節(jié)后固定.將質量m=0.2 kg的小物塊從斜面頂端靜止釋放,物塊與斜面間的動摩擦因數μ1=0.05,物塊與桌面間的動摩擦因數為μ2,忽略物塊在斜面與桌面交接處的能量損失.(重力加速度取g=10 m/s2;最大靜摩擦力等于滑動摩擦力)
(1)求θ角增大到多少時,物塊能從斜面開始下滑;(用正切值表示)
(2)當θ角增大到37時,物塊恰能停在桌面邊緣,求物塊與桌面間的動摩擦因數μ2;(已知sin 37=0.6,cos 37=0.8)
(3)繼續(xù)增大θ角,發(fā)現θ=53時物塊落地點與墻面的距離最大,求此最大距離xm.
解析 (1)為使小物塊下滑,應有
mgsin θ≥μ1mgcos θ①
θ滿足的條件tan θ≥0.05②
即當θ=arctan 0.05時物塊恰好從斜面開始下滑.
(2)克服摩擦力做功
Wf=μ1mgL1cos θ+μ2mg(L2-L1cos θ)③
由動能定理得mgL1sin θ-Wf=0④
代入數據得μ2=0.8⑤
(3)由動能定理得mgL1sin θ-Wf=mv2⑥
結合③式并代入數據得v=1 m/s⑦
由平拋運動規(guī)律得H=gt2,x1=vt
解得t=0.4 s⑧
x1=0.4 m⑨
xm=x1+L2=1.9 m
答案 (1)arctan 0.05 (2)0.8 (3)1.9 m
1. 如圖所示,相同材料制成的滑道ABC,其中AB段為曲面,BC段為水平面.現有質量為m的木塊,從距離水平面h高處的A點由靜止釋放,滑到B點過程中克服摩擦力做功為mgh;木塊通過B點后繼續(xù)滑行2h距離后,在C點停下來,則木塊與曲面間的動摩擦因數應為( )
A. B.
C. D.
解析:選A.物體從A點到C點根據動能定理,mgh-mgh-μmg2h=0,解得μ=,因為曲面和水平軌道是同種材料,所以木塊與曲面間的動摩擦因數也為,選項A正確.
2.(xx高考天津卷) 我國將于2022年舉辦冬奧會,跳臺滑雪是其中最具觀賞性的項目之一.如圖所示,質量m=60 kg的運動員從長直助滑道AB的A處由靜止開始以加速度a=3.6 m/s2勻加速滑下,到達助滑道末端B時速度vB=24 m/s,A與B的豎直高度差H=48 m.為了改變運動員的運動方向,在助滑道與起跳臺之間用一段彎曲滑道銜接,其中最低點C處附近是一段以O為圓心的圓弧.助滑道末端B與滑道最低點C的高度差h=5 m,運動員在B、C間運動時阻力做功W=-1 530 J,g取10 m/s2.
(1)求運動員在AB段下滑時受到阻力Ff的大?。?
(2)若運動員能夠承受的最大壓力為其所受重力的6倍,則C點所在圓弧的半徑R至少應為多大?
解析:(1)運動員在AB段做初速度為零的勻加速運動,設AB的長度為x,
則有v=2ax①
由牛頓第二定律有mg-Ff=ma②
聯立①②式,代入數據解得Ff=144 N③
(2)設運動員到達C點時的速度為vC,在由B到達C的過程中,由動能定理有
mgh+W=mv-mv④
設運動員在C點所受的支持力為FN,由牛頓第二定律有
FN-mg=m⑤
由運動員能夠承受的最大壓力為其所受重力的6倍,聯立④⑤式,代入數據解得R=12.5 m
答案: (1)144 N (2)12.5 m
利用動能定理求解多過程問題的基本思路
(1)弄清物體的運動由哪些過程組成.
(2)分析每個過程中物體的受力情況.
(3)各個力做功有何特點,對動能的變化有無影響.
(4)從總體上把握全過程,表達出總功,找出初、末狀態(tài)的動能.
(5)對所研究的全過程運用動能定理列方程.
課時規(guī)范訓練
[基礎鞏固題組]
1.(多選)關于動能定理的表達式W=Ek2-Ek1,下列說法正確的是( )
A.公式中的W為不包含重力的其他力做的總功
B.公式中的W為包含重力在內的所有力做的功,也可通過以下兩種方式計算:先求每個力的功再求功的代數和或先求合外力再求合外力的功
C.公式中的Ek2-Ek1為動能的增量,當W>0時動能增加,當W<0時,動能減少
D.動能定理適用于直線運動,但不適用于曲線運動,適用于恒力做功,但不適用于變力做功
解析:選BC.公式W=Ek2-Ek1中的“W”為所有力所做的總功,A錯誤,B正確;若W>0,則Ek2>Ek1,若W<0,則Ek2<Ek1,C正確;動能定理對直線運動、曲線運動、恒力做功、變力做功均適用,D錯誤.
2.如圖所示,AB為圓弧軌道,BC為水平直軌道,圓弧對應的圓的半徑為R,BC的長度也是R,一質量為m的物體與兩個軌道間的動摩擦因數都為μ,當它由軌道頂端A從靜止開始下落,恰好運動到C處停止,那么物體在AB段克服摩擦力所做的功為( )
AμmgR B.mgR
C.mgR D.(1-μ)mgR
解析:選D.由題意可知mgR=WfAB+WfBC,WfBC=μmgR,所以WfAB=(1-μ)mgR,D正確.
3.一個質量為m的物體靜止放在光滑水平面上,在互成60角的大小相等的兩個水平恒力作用下,經過一段時間,物體獲得的速度為v,在力的方向上獲得的速度分別為v1、v2,如圖所示,那么在這段時間內,其中一個力做的功為( )
A.mv2 B.mv2
C.mv2 D.mv2
解析:選B.在合力F的方向上,由動能定理得W=Fl=mv2,某個分力的功為W1=F1lcos 30=lcos 30=Fl=mv2,B正確.
4. 如圖所示,一塊長木板B放在光滑的水平面上,在B上放一物體A,現以恒定的外力拉B,由于A、B間摩擦力的作用,A將在B上滑動,以地面為參考系,A、B都向前移動一段距離.在此過程中( )
A.外力F做的功等于A和B動能的增量
B.B對A的摩擦力所做的功,等于A的動能增量
C.A對B的摩擦力所做的功,等于B對A的摩擦力所做的功
D.外力F對B做的功等于B的動能的增量
解析:選B.A物體所受的合外力等于B對A的摩擦力,對A物體運用動能定理,則有B對A的摩擦力所做的功等于A的動能的增量,即B對;A對B的摩擦力與B對A的摩擦力是一對作用力與反作用力,大小相等,方向相反,但是由于A在B上滑動,A、B對地的位移不等,故二者做功不相等,C錯;對B應用動能定理,WF-Wf=ΔEkB,即WF=ΔEkB+Wf,就是外力F對B做的功,等于B的動能增量與B克服摩擦力所做的功之和,D錯;由前述討論知B克服摩擦力所做的功與A的動能增量(等于B對A的摩擦力所做的功)不等,故A錯.
5.(多選)如圖甲所示,一個小環(huán)沿豎直放置的光滑圓環(huán)形軌道做圓周運動.小環(huán)從最高點A滑到最低點B的過程中,小環(huán)線速度大小的平方v2隨下落高度h的變化圖象可能是圖乙中的( )
解析:選AB.對小球由動能定理得mgh=mv2-mv,則v2=2gh+v,當v0=0時,B正確;當v0≠0時,A正確.
6. 如圖所示,半徑R=2.5 m的光滑半圓軌道ABC與傾角θ=37的粗糙斜面軌道DC相切于C點,半圓軌道的直徑AC與斜面垂直.質量m=1 kg的小球從A點左上方距A點高h=0.45 m的P點以某一速度v0水平拋出,剛好與半圓軌道的A點相切進入半圓軌道內側,之后經半圓軌道沿斜面剛好滑到與拋出點等高的D點.已知當地的重力加速度g=10 m/s2,sin 37=0.6,cos 37=0.8,不計空氣阻力,求:
(1)小球從P點拋出時速度v0的大?。?
(2)小球從C點運動到D點過程中摩擦力做的功W;
(3)小球從D點返回經過軌道最低點B,對軌道的壓力大?。?
解析:(1)在A點有:v=2gh
=tan θ
解得v0=4 m/s
(2)全過程由動能定理得
W=0-mv=-8 J
(3)從D到B過程由動能定理得
mg(h+Rcos θ+R)+W=mv2
在B點由牛頓第二定律得
FN-mg=m
解得FN=43.2 N
由牛頓第三定律得小球在B點對軌道的壓力大小
FN′=FN=43.2 N
答案:(1)4 m/s (2)-8 J (3)43.2 N
[綜合應用題組]
7.一質點做速度逐漸增大的勻加速直線運動,在時間間隔t內位移為s,動能變?yōu)樵瓉淼?倍.該質點的加速度為( )
A. B.
C. D.
解析:選A.由Ek=mv2可知速度變?yōu)樵瓉淼?倍.設加速度為a,初速度為v,則末速度為3v.由速度公式vt=v0+at得3v=v+at,解得at=2v;由位移公式s=v0t+at2得s=vt+att=vt+2vt=2vt,進一步求得v=;所以a===,A正確.
8.如圖所示,ABCD是一個盆式容器,盆內側壁與盆底BC的連接處都是一段與BC相切的圓弧,BC是水平的,其距離d=0.50 m.盆邊緣的高度為h=0.30 m.在A處放一個質量為m的小物塊并讓其從靜止開始下滑.已知盆內側壁是光滑的,而盆底BC面與小物塊間的動摩擦因數為μ=0.10.小物塊在盆內來回滑動,最后停下來,則停的地點到B的距離為(
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