2022年高中物理第3章动能的变化与机械功3.1探究动能变化跟做功的关系教学案沪科版必修2 .pdf

1 3.1 探究动能变化跟做功的关系 学习目标 1. 理解动能的概念， 会根据动能的表达式计算物体的动能.2. 能从牛顿第二定律与运动学公式导出动能定理，理解动能定理的物理意义.3. 能应用动能定理解决简单的问题. 4. 掌握探究恒力做功与物体动能变化的实验方法. 一、动能、动能定理拼十年寒窗挑灯苦读不畏难；携双亲期盼背水勇战定夺魁。如果你希望成功，以恒心为良友，以经验为参谋，以小心为兄弟，以希望为哨兵。(1) 定义：物理学中把12mv2叫做物体的动能. (2) 表达式：Ek12mv2. 表达式中的速度是瞬时速度. 动能是标量(填“标量”或“矢量” ) ，是状态( 填“过程”或“状态” ) 量 . (3) 单位：动能的国际单位是焦耳，简称焦，用符号J 表示 . (1) 内容：外力对物体所做的功等于物体动能的增量. (2) 表达式：WEk. (3) 说明：EkEk2Ek1.Ek2为物体的末动能，Ek1为物体的初动能. 二、恒力做功与物体动能变化的关系1. 设计实验 ( 如图 1) ：图 1 所使用的器材有：气垫导轨、滑块、光电门、计时器、气源、刻度尺、细绳、钩码等. 2. 制定计划：(1) 直接验证：逐一比较力对物体所做的功与物体动能增量的大小之间的关系. (2) 用图像验证：根据W12mv2，由实验数据作出W与v2及W与m的关系图像 . 即学即用 1. 判断以下说法的正误. 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 12 页2 (1) 物体的动能大小与物体的质量成正比，与物体的速度成正比.( )(2) 物体动能具有方向，与速度方向相同.( )(3) 合外力对物体做的功等于物体的末动能.( )(4) 合力对物体做正功，物体的动能可能减小.( )(5) 一定质量的物体，动能变化时，速度一定变化，但速度变化时，动能不一定变化.( )2. 一个质量为0.1 kg 的球在光滑水平面上以5 m/s 的速度匀速运动，与竖直墙壁碰撞以后以原速率被弹回，假设以初速度方向为正方向，则小球碰墙前后速度的变化为，动能的变化为 . 答案 10 m/s 0 一、对动能和动能定理的理解 导学探究 m的物体在光滑的水平面上，在水平拉力F作用下运动，速度由v1增加到v2的过程通过的位移为s，则v1、v2、F、s的关系是怎样的？答案根据牛顿第二定律：Fma由运动学公式av22v212s由此得Fs12mv2212mv21. 2. 从推导结果知，水平力F的功等于什么量的变化？这个量与物体的什么因素有关？答案水平力F的功等于物体动能的变化，动能与物体的质量和速度有关. 知识深化 Ek12mv2的理解(1) 动能是标量，没有负值，与物体的速度方向无关. (2) 动能是状态量，具有瞬时性，与物体的运动状态( 或某一时刻的速度) 相对应 . (3) 动能具有相对性，选取不同的参考系，物体的速度不同，动能也不同， 一般以地面为参考系. (4) 物体动能的变化量是末动能与初动能之差，即Ek12mv2212mv21，假设 Ek0，则表示物体的动能增加，假设Ek0，则表示物体的动能减少. WEk的理解(1) 动能定理的实质动能定理揭示了合外力对物体做功与物体动能的变化之间的定量关系和因果联系，合外力精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 12 页3 做功是因，动能变化是果. 动能的改变可由合外力做的功来度量. 合外力对物体做了多少功，物体的动能就变化多少. 合外力做正功， 物体的动能增加；合外力做负功，物体的动能减少. (2) 动能定理的适用范围：动能定理是在物体受恒力作用且做直线运动的情况下得出的，对于外力是变力、物体做曲线运动、物体经历多过程的情况同样适用. 例 1以下关于动能的说法正确的选项是( ) A.两个物体中，速度大的动能也大B.某物体的速度加倍，它的动能也加倍D.某物体的动能保持不变，则速度一定不变答案C 解析动能的表达式为Ek12mv2，即物体的动能大小由质量和速度大小共同决定，速度大的物体的动能不一定大，故A错误；速度加倍，它的动能变为原来的4 倍，故 B错误；速度只要大小保持不变，动能就不变，故C正确， D错误 . 例 2在光滑水平面上，质量为2 kg 的物体以2 m/s 的速度向东运动，假设对它施加一向西的力使它停下来，则该外力对物体做的功是( ) A.16 J B.8 J 答案C 解析根据动能定理W12mv2212mv21012222 J 4 J ，选项 C正确 . 二、实验探究：恒力做功与物体动能变化的关系 导学探究 观察分别用如图2 甲、乙两套实验装置探究恒力做功与物体动能变化的关系，思考下面问题：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 12 页4 图 2 以上两套实验操作有何不同之处？答案甲图用的是打点计时器乙图用的是光电门 知识深化 探究恒力做功与物体动能变化的关系，需要测量不同的力在不同的过程中做的功和对应的物体动能的变化量，这就需要测出物体的受力、力作用的距离和这段距离上物体的初、末速度以及物体的质量等物理量，其中比较难测量的是物体在各个位置的速度，可借助光电门较准确地测出，也可借助纸带和打点计时器来测量. 用气垫导轨进行探究装置如图2 乙所示，所使用的器材有气垫导轨、滑块、计时器、气源、刻度尺、细绳、钩码等. (1) 用天平测出滑块的质量m. (2) 按图乙所示安装实验装置. (3) 平衡摩擦力， 将气垫导轨 ( 或长木板 ) 没有滑轮的一端适当抬高，轻推滑块， 使滑块能做匀速运动 . (4) 让滑块通过细绳连接钩码( 或小沙桶 ) ， 使钩码 ( 或小沙桶 )的质量远小于滑块的质量，滑块在细线的拉力作用下做匀加速运动，由于钩码( 或小沙桶 ) 质量很小，可以认为滑块所受拉力F的大小等于钩码( 或小沙桶 ) 所受重力的大小. (5) 释放滑块，滑块在细绳的拉力作用下运动，用光电门 ( 或打点计时器 ) 记录滑块的运动情况，求出滑块的速度v1和v2( 假设分析滑块从静止开始的运动，v10) ，并测出滑块相应的位移s. (6) 验证Fs12mv2212mv21，在误差允许范围内成立即可. 例 3某实验小组利用拉力传感器和速度传感器探究“恒力做功与物体动能变化的关系”.如图 3所示，他们将拉力传感器固定在小车上，用不可伸长的细线将其通过一个定滑轮与钩码相连，用拉力传感器记录小车受到拉力的大小. 在水平桌面上相距50.0 cm 的A、B两点各安装一个速度传感器，记录小车通过A、B时的速度大小 . 小车中可以放置砝码. 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 12 页5 图 3 (1) 实验主要步骤如下：测量和拉力传感器的总质量M1；把细线的一端固定在拉力传感器上，另一端通过定滑轮与钩码相连；正确连接所需电路. 将小车停在C点，接通电源，小车在细线拉动下运动，记录细线拉力及小车通过A、B时的速度 . 在小车中增加砝码，重复的操作. (2) 表 1 是他们测得的一组数据，其中M是M1与小车中砝码质量之和，|v22v21| 是两个速度传感器所记录速度的平方差，可以据此计算出动能变化量Ek，F是拉力传感器受到的拉力，W是F在A、BEk3，W3 .(结果保留三位有效数字) 表 1 数据记录表次数M/kg|v22v21|/(m/s)2Ek/JF/NW/J 123Ek3W345(3) 根据表 1 在图 4 中作出 EkW图线 . 图 4 答案(1) 小车然后释放小车(2)0.600 0.610 (3) 如下图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 12 页6 1.( 对动能定理的理解) 有一质量为m的木块，从半径为r的圆弧曲面上的a点滑向b点，如图 5 所示 . 如果由于摩擦使木块的运动速率保持不变，则以下表达正确的选项是( ) 图 5 B.因木块所受的力都不对其做功，所以合外力做的功为零答案C 解析木块做曲线运动，速度方向变化，加速度不为零，故合外力不为零，A错；速率不变，动能不变，由动能定理知，合外力做的功为零，而支持力始终不做功，重力做正功，所以重力做的功与摩擦力做的功的代数和为零，但重力和摩擦力的合力不为零，C对， B、D错 . 2.( 动能定理的简单应用) 一质量m1 kg 的物体以20 m/s 的初速度被竖直向下抛出，当物体离抛出点高度h5 m 处时的动能是多大？(g取 10 m/s2) 答案250 J 解析mghEk12mv20得：Ekmgh12mv20250 J. 3.( 探究恒力做功与物体动能变化的关系) 质量为 1 kg 的重物自由下落， 通过打点计时器在纸带上记录运动的过程，打点计时器所接电源为6 V 、50 Hz 的交流电源 . 如图 6 所示，纸带上O点为重物自由下落时纸带打点的起点，选取的计数点A、B、C、D、E、F、G依次间隔一个点( 图中未画出 )，纸带上的数据表示各计数点与O点间的距离 . 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 12 页7 图 6 (1) 求出B、C、D、E、F各点对应的速度并填入下表. 计数点B C D E F速度/(ms1) (2) 求出物体下落时从O点到B、C、D、E、F各点过程中重力所做的功，并填入下表. 计数点B C D E F功/J ，横坐标表示，由图可得重力所做的功与成关系 .(g取9.8 m/s2) 图 7 答案见解析解析(1) 由题意知vBACt 10340.02 m/s 1.18 m/s ，同理vC1.57 m/s ，vD1.96 m/s ，vE2.35 m/s，vF2.74 m/s.(2) 重力做的功WBmgOB19.8 70.6103J0.69 J ，同理WC1.23 J ，WD1.92 J ，WE2.76 J ，WF3.76 J.(3)WG-v2WG，横坐标表示物体速度的平方v2；由图可得重力所做的功与物体速度的平方成正比关系 . 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 12 页8 课时作业一、选择题 (1 6 题为单项选择题，710 题为多项选择题) 1. 以下关于运动物体的合外力做功和动能、速度变化的关系，正确的选项是( ) A.物体做变速运动，合外力一定不为零，动能一定变化B.假设合外力对物体做功为零，则合外力一定为零C.物体的合外力做功，它的速度大小一定发生变化D.物体的动能不变，所受的合外力必定为零答案C 解析力是改变物体速度的原因，物体做变速运动时，合外力一定不为零，但合外力不为零时，做功可能为零，动能可能不变，A、B 错误 . 物体的合外力做功，它的动能一定变化，速度大小也一定变化，C正确 . 物体的动能不变，所受合外力做功一定为零，但合外力不一定为零， D错误 . 2. 如图 1 所示，某人用力踢出质量为0.4 kg的足球，使球由静止以10 m/s 的速度飞出，假定人踢球瞬间对球的平均作用力是200 N，球在水平方向运动了40 m停止，那么人对球所做的功为 ( ) 图 1 A.20 J B.50 J C.4 000 J D.8 000 J 答案A 解析由动能定理得，人对球做的功W12mv2020 J ，A正确 . 3. 一质量为2 kg 的滑块，以4 m/s 的速度在光滑水平面上向左滑行，从某一时刻起，在滑块上作用一向右的水平力，经过一段时间，滑块的速度方向变为向右，大小为4 m/s ，在这段精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 12 页9 时间里水平力所做的功为( ) 答案D 解析由动能定理得WF12mv2212mv2112242 J 122( 4)2 J 0，故 D正确 . 4. 质量为 2 kg 的物体A以 5 m/s 的速度向北运动，另一个质量为0.5 kg的物体B以 10 m/s的速度向西运动，它们的动能分别为EkA和EkB，则 ( ) A.EkAEkB B.EkAEkBC.EkAEkB D.因运动方向不同，无法比较动能答案A 解析根据Ek12mv2知，EkA25 J ，EkB 25 J ，因动能是标量，所以EkAEkB，A项正确 . vt图像如图 2 所示，以下表述正确的选项是( ) 图 2 A.在 01 s 内，合外力做正功B.在 02 s 内，合外力总是做负功C.在 12 s 内，合外力不做功D.在 03 s 内，合外力总是做正功答案A 解析由vt图像知 01 s 内，v增加，动能增加， 由动能定理可知合外力做正功，A对 .1 2 s 内，v减小，动能减小，合外力做负功，可见B、C、D错. 6. 如图 3 所示，在水平桌面上的A点有一个质量为m的物体以初速度v0被抛出，不计空气阻力，当它到达B点时，其动能为( ) 图 3 A.12mv20mgH B.12mv20mghC.12mv20mgh D.12mv20mg(Hh) 答案B 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 12 页10 解析由A到B，合外力对物体做的功Wmgh，物体的动能变化EkEk12mv20，根据动能定理得物体在B点的动能Ek12mv20mgh， B正确 . 7. 关于对动能的理解，以下说法正确的选项是( ) A.动能是普遍存在的机械能的一种基本形式，但凡运动的物体都具有动能B.动能总是正值，但对于不同的参考系，同一物体的动能大小是不同的C.一定质量的物体，动能变化时，速度一定变化，但速度变化时，动能不一定变化D.动能不变的物体，受力一定为零答案ABC 解析动能是物体由于运动而具有的能量，所以运动的物体都有动能，A正确；由于Ek12mv2，而v与参考系的选取有关，所以B正确；由于速度为矢量，当方向变化时，假设其速度大小不变，则动能不变，故C 正确；做匀速圆周运动的物体动能不变，但物体受力并不为零，D错误 . 8. 一质量为0.1 kg 的小球，以5 m/s 的速度在光滑水平面上匀速运动，与竖直墙壁碰撞后以原速率反弹，假设以弹回的速度方向为正方向，则小球碰墙过程中的速度变化和动能变化分别是 ( ) v10 m/s v0 Ek5 J Ek0 答案AD 解析速度是矢量，故vv2v15 m/s ( 5 m/s) 10 m/s. 而动能是标量，初末两状态的速度大小相等，故动能相等，因此Ek0. 选 A、D. vt图像如图 4 所示，已知在第1 秒内合外力对物体做的功为W，则以下结论正确的选项是( ) 图 4 WB.从第 3 秒末到第5 秒末合外力做功为2WWW答案CD 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 12 页11 解析设物体的最大速度为v，则W12mv2，W1312mv2312mv210 W3512mv2512mv23W，W5712mv2712mv25W，W3412mv2412mv2312m(12v)212mv2W10. 某实验小组成功地完成了探究功与速度变化及动能变化的关系的实验，以下反映的关系中可能正确的选项是( ) 答案BCD 解析由动能定理可知，W12mv2212mv21Ek12mv2，A错误， B正确；假设v10，则W12mv22，C、 D正确 . 二、非选择题M、沙和小桶的总质量为m. 当滑块连接上纸带，让细线跨过光滑滑轮并悬挂空的小桶时，滑块处于静止状态. 要完成该实验，请答复以下问题：图 5 (1) 要完成本实验，还缺少的实验器材是 . (2) 实验时为保证滑块受到的合力与沙、小桶的总重力大小基本相等，沙和小桶的总质量应满足的实验条件是，实验时为保证细线拉力等于滑块所受的合力，首先要做的步骤是 . (3) 在满足 (2) 问的条件下，让小桶带动滑块加速运动，如图6 所示为打点计时器所打的纸带的一部分，图中A、B、C、D、E是按时间先后顺序确定的计数点，相邻计数点间的时间间隔为T，相邻计数点间的距离已标注在图上，当地重力加速度为g，在B、D两点间对滑块进行研究，合力对滑块做的功为，vB，vD (用题中所给的代表数据的字母表示). 图 6 答案(1) 毫米刻度尺精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 12 页12 (2) 沙和小桶的总质量远小于滑块的质量平衡摩擦力(3)mg(s2s3) s1s22Ts3s42T12. 如图 7 甲所示是某同学验证动能定理的实验装置. 图 7 其步骤如下：a. 易拉罐内盛上适量细沙，用轻绳通过滑轮连接在小车上，小车连接纸带 .合理调整木板倾角，让小车沿木板匀速下滑. b. 取下轻绳和易拉罐，测出易拉罐和细沙的质量m及小车质量M. c. 取下细绳和易拉罐后，换一条纸带， 让小车由静止释放，打出的纸带如图乙( 中间部分未画出) ，Of，重力加速度为g. (1) 步骤 c 中小车所受的合外力为 . (2) 为验证从OC过程中小车合外力做功与小车动能变化的关系，测出B、D间的距离为s0，O、C间距离为s1，则C点的速度为 .需要验证的关系式为 . 答案(1)mg(2)s0f2mgs1Ms20f 28解析(2)vCB D2Ts021fs0f2，此过程中合外力做功为mgs1，小车动能的变化为12Mv2CMs20f 28，则需要验证的关系式为mgs1Ms20f 28. 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 12 页