人教版陕西省高三物理专题 功和能 人教 (2).ppt

第五讲第五讲 功和能功和能2021/8/9 星期一1第五讲第五讲 功和能功和能 【知识要点】n（一）功（一）功n（二）功率（二）功率n（三）动能（三）动能n（四）动能定理（四）动能定理n（五）势能（五）势能n（六）机械能守恒定律（六）机械能守恒定律n（七）功能关系（七）功能关系n (八)物体系中的功和能的问题物体系中的功和能的问题2021/8/9 星期一2（一）功（一）功n1、做功的两个必要因素一个力作用在物体上，物体在力的方向上发生了位移，就说此力对物体做了功功是力在其作用空间上的累积，是能量转化的标志和量度做功的两个必要因素：力和在力的方向上发生的位移n2、公式WFScos此公式为恒力做功的计算式，即式中的F必须为恒力，S是相对于地的位移，指的是力与位移间的夹角功的国际单位：焦耳（J）2021/8/9 星期一3n3、正功和负功功是标量，但也有正，负之分功的正负仅表示力在物体运动过程中，是起动力还是起阻力的作用功的正，负取决于力F与位移S的夹角从功的公式可知：当090时，W为正，表示力F对物体做正功，这时的力是动力当a=90时，W=0，表示力对物体不做功，这时的力既不是动力，也不是阻力当90180时，W为负，表示力F对物体做负功，这时的力是阻力2021/8/9 星期一4n4、总功的计算总功的计算有两种方法：（1）先求几个力的合力F的大小和方向，再求合力F所做的功，即为总功WFScos（2）先求作用在物体上的各个力所做的功，再求其代数和W1F1Scos1W2F2Scos2WW1+W2（一般情况下采用第二种方法计算总功）2021/8/9 星期一5n5、变力做功对于均匀变化的力F，可先求平均力F平均,再利用W=F平均Scos求功;若力是非均匀变化的，则一般用能量变化的多少来间接地求功2021/8/9 星期一6（二）功率（二）功率:功与完成这些功所用时间的比叫做功率，它是描述力做功快慢的物理量在国际单位制中，功率的单位是焦耳/秒（瓦特）功率有平均功率和即时功率之分n1、平均功率P平均=W/t,由W=FScos可知，平均功率可表示为P平均=Fv平均cos,其中v平均为时间t内的平均速度,则为力与平均速度之间的夹角。n2、即时功率P=Fvcos，其中v为即时速度，则为力与即时速度方向的夹角当力与速度方向一致时，=0，cos0=1,P=Fv由P=Fv可知，当P一定时，F与v成反比，据此可解释机动车的行驶速度与牵引力之间的关系2021/8/9 星期一7 （三）动能（三）动能:物体由于运动而具有的能叫做动能物体物体由于运动而具有的能叫做动能物体的动能在数值上等于它的质量与它的速度平方的乘积的一的动能在数值上等于它的质量与它的速度平方的乘积的一半动能的国际单位为焦耳半动能的国际单位为焦耳n1、定义式、定义式n3、动能的变化、动能的变化动能是标量，也是一个状态量，且恒为正值动能是标量，也是一个状态量，且恒为正值n2、物体系的动能、物体系的动能2021/8/9 星期一8（四）一个物体的动能定理（四）一个物体的动能定理n1、内容外力对物体所做功的代数和等于物体动能的增量，也可表述为：合外力对物体所做的功等于物体动能的增量n2、表达式2021/8/9 星期一9（五）势能（五）势能:由相互作用的物体的相对位置或由物体内部各由相互作用的物体的相对位置或由物体内部各部分之间的相对位置所决定的能，叫做势能部分之间的相对位置所决定的能，叫做势能 n1、重力势能地球上的物体均受到重力的作用，物体具有的与它的高度有关的能，叫重力势能重力势能是物体与地球所共有的（1）定义式；式中h物体离零势面的高度，零势面以上h为正，以下为负可见，物体所具有的重力势能与零势面的选选择有关，在计算重力势能时须首先确定零势能面一般取地面或初末位置为零势能参考面物体在零势面之上重力势能为正；物体在零势面之下重力势能为负（2）重力势能的变化2021/8/9 星期一10即重力对物体做功等于物体重力势能增量的负值重力对物体做正功，物体的重力势能减少；重力对物体做负功，物体的重力势能增加注意，重力对物体做功与物体运动的路径无关，只跟始、末位置有关2021/8/9 星期一11n2、弹性势能物体发生弹性形变而具有的能，叫弹性势能弹性形变越大，弹性势能越大同样，即弹力对物体做功等于弹簧弹性势能增量的负值弹力对物体做功也与路径无关，只跟始、末位置有关Ep弹=kx2/22021/8/9 星期一12（六）机械能守恒定律（六）机械能守恒定律n动能和势能统称为机械能nl、内容在只有重力或弹力做功的物体系内，动能和势能可以相互转化，但总的机械能保持不变n2、数学表达式2021/8/9 星期一13n 说说明明：机械能守恒的对象是系统，不是单个物体系统内各物体间的相互作用力叫内力；系统外的物体对系统内的物体的作用力叫外力对于地球和物体组成的系统，重力是内力若以地球为参照系，可以将物体和地球系统的机械能简略称为物体具有的机械能，即机械能的大小由物体的状态决定，即由物体的位置（高度）和速度决定2021/8/9 星期一14（七）功能关系（七）功能关系n若系统内除重力和弹力做功外，还有其他力做功，则物体的机械能不守恒其他力做了多少功，将有多少其他形式的能转化为机械能，不同形式的能之间相互转化中，能的总量保持不变做功的过程就是能量从一种形式转化为另一种形式的过程，做了多少功就有多少能量发生转化；反之，转化了多少能量就说明做了多少功做功是能量转化的量度2021/8/9 星期一15【疑难讲解】物体系中的功和能的问题【疑难讲解】物体系中的功和能的问题n1.物体系物体系:研究对象是两个或多个物体简称为物体系研究对象是两个或多个物体简称为物体系.(1)系统的内力与外力2021/8/9 星期一16(2)保守力与非保守力保守力作功与路径无关,只与始末位置有关.如重力,弹力.非保守力作功与路径有关.如摩擦力,发动机提供的力.(3)一对内力的功W=fs相以子弹打木块为例W=-fmsm+fMsM=-fd2021/8/9 星期一17n2.物体系的动能定理:物体系所有外力与内力的总功等于物体系动能的增量.考虑到内力又分为保守力与非保守力,物体系的动能定理又可以表达为2021/8/9 星期一18n3.物体系的功能原理:除重力(或弹力)之外的其它力所做的功等于系统机械能的增量。证明:因为所以2021/8/9 星期一19n4.机械能守恒定律机械能守恒定律:如果如果系统中只有重力做功系统中只有重力做功(即即没有除重力之外的其它力没有除重力之外的其它力做功做功)，那么系统的机械，那么系统的机械能守恒能守恒.证明证明:因为因为W外外+W内非保内非保=0所以所以2021/8/9 星期一20【典型例题】【典型例题】例例1额定功率为80kW的汽车，在水平长直公路上行驶时最大速度可达20m/s,汽车质量为2103kg。如果汽车从静止开始做匀加速直线运动，加速度可达2m/s2。设运动过程中阻力大小不变，试求：（1）汽车运动时所受阻力f；（2）汽车匀加速运动过程可持续的时间t；（3）汽车启动后，发电机在第三秒末的即时功率P3；（4）汽车在做匀加速直线运动过程中，发动机所做的功W2021/8/9 星期一21分分析析：当当汽汽车车起起动动后后做做匀匀加加速速直直线线运运动动时时，发发动动机机牵牵引引力力F为恒力，随着运动速度v的增大，汽车发动机的即时功率P=Fv正比增大，直就要减小（以保持汽车在额定功率下运行），因此汽车将做加速度越来越小的加速运动，直到发动机牵引力F减小到与汽车运动阻力f相等时，2021/8/9 星期一22（2）根据牛顿定律有F=ma，F-f=maF=f+ma动的时间为t，则有2021/8/9 星期一23（3）汽车第3秒末仍在做匀加速直线运动，则（4）根据匀变速运动规律，则有5秒；第3秒末发动机即时功率为48kW；汽车在匀加速直线运动过程中，2021/8/9 星期一24的公式计算，因为在这一阶段汽车发动机的实际功率始终小于其额定功率，汽车尚未达到“全功率运行”状态2对于第（4）问，也可用动能定理求解，即也可用平均功率进行计算，即因为在汽车起动后做匀加速运动时，发动机实际功率为2021/8/9 星期一25例例2质量为m=3kg的物体与水平地面之间的动摩擦因数=0.2，在水平恒力F=9N作用下起动，如图所示。当m位移s1=8m时撤去推力F，试问：还能滑多远？(g取10m/s2)分分析析：物体m所受重力G、支持力N、推力F、滑动摩擦力f均为恒力，因此物体做匀加速直线运动；撤去F后，物体做匀减速直线运动因此，可用牛顿定律和匀变速直线运动规律求解物体在动力F和阻力f作用下运动时，G和N不做功，F做正功，f做负功，因此，也可以用动能定理求解2021/8/9 星期一26解解法法一一：用用牛牛顿顿定定律律和和匀匀变变速速运运动动规规律律，对对撤撤去去F推力前、后物体运动的加速度分别为m在匀加速运动阶段的末速度为2021/8/9 星期一27将上两式相加，得答：撤去动力F后，物体m还能滑4m远2021/8/9 星期一28 说说明明：许许多多动动力力学学问问题题可可以以有有多多种种解解题题方方法法，对对比比上上述述两两种种解解法法可可以以看看出出运运用用动动能能定定理理的的解解法法比比用用牛牛顿顿定定律律（以以及及运运动动学学规规律律）的的解解法法要要简简捷捷一一些些凡凡是是题题目目中中给给出出了了（或或是是要要求求）物物体体的的位位移移s，这一类题运用动能定理求解总是比较方便的；除非题目中给出了（或是要求）加速度a，才“不得不”运用牛顿定律解题，尤其是对于“从静止开始”运动到“最后停住”这一类的题，运用动能定理特别简单，例如本题就属于这种情况对全程运用动能定理，则有2021/8/9 星期一29例例3、如图所示，质量为m的小木块以水平初速v0冲上质量为M，长为L，置于光滑水平面上的木板B，并正好不从B木板上落下，A、B间动摩擦因数为，试求在此过程中系统产生的热量Q2021/8/9 星期一30分分析析 A木块在B木板上滑行的过程中，A和B所受的滑动摩擦力分别为f、f，f=f=mg，A在f的作用下减速，B在f的作用下加速，当A滑到B的右端时，A、B达到一样的速度v，就正好不掉下，设此过程中木板B向前移动的距离为s，滑动摩擦力f对木块A做解：对解：对A、B分别列出动能定理式：式-式得2021/8/9 星期一31根据动量守恒定律Mv0=(m+M)vV=mv0/(m+M)代入上式的Q=mgL=mMv02/2(m+M)注意:L是相对位移2021/8/9 星期一32说说明明：系统克服摩擦力做的总功等于系统机械能的减少量这部分机械能就转化为系统内能，这就是“摩擦生热”，由式得出结论：作用于系统的滑动摩擦力和系统内物体间相对滑动的位移的乘积，在数值本题在中学物理中有典型意义，它是子弹射击木块题型的演变，对它们用动能定理时，画出示意图，区分清楚子弹的位移、木块的位移及子弹对木块的相对位移十分重要2021/8/9 星期一33例例4一个竖直放置的光滑圆环，半径为R，c、e、b、d分别是其水平直径和竖直直径的端点圆环与一个光滑斜轨相接，如图所示一个小球从与d点高度相等的a点从斜轨上无初速下滑试求：(1)过b点时，对轨道的压力Nb多大？(2)小球能否过d点，如能，在d点对轨道压力Nd多大？如不能，小球于何处离开圆环？2021/8/9 星期一34 分析：分析：小球在运动的全过程中，始终只受重力G和轨道的弹力N其中，G是恒力，而N是大小和方向都可以变化的变力但是，不论小球是在斜轨上下滑还是在圆环内侧滑动，每时每刻所受弹力方向都与即时速度方向垂直因此，小球在运动的全过程中弹力不做功，只有重力做功，小球机械能守恒从小球到达圆环最低点b开始，小球就做竖直平面圆周运动小球做圆周运动所需的向心力总是指向环心O点，此向心力由小球的重力与弹力提供2021/8/9 星期一352021/8/9 星期一36（2）小球如能沿圆环内壁滑动到d点，表明小球在d点仍在做圆周运动，则当Nd已经减小到零（表示小球刚能到d点，但球与环顶已是接触而无挤压，处于“若即若离”状态)时,度就不可能沿圆环到达d点这就表明小球如能到达d点，其机械能至少应是因此小球不可能到达d点2021/8/9 星期一37定是在c、d之间的某点s离开圆环的设半径Os与竖直方向夹角，2021/8/9 星期一38小球从s点开始脱离圆环，所以圆环对小球已无弹力，仅由重力G答：小球经过圆环最低点b时，对环的压力为5mg小球到达高度为5R/3的s点开始脱离圆环，做斜上抛运动将式代入式得mgcos=2mg（1-cos）cos=2/32021/8/9 星期一39说说明明：1小球过竖直圆环最高点d的最小速度称为“临界速度”点就会离开圆环2小球从s点开始做斜上抛运动，其最大高度低于d点，读者可自行证明2021/8/9 星期一40例例5总质量为M的列车，沿水平直线轨道匀速前进，其末节车厢质量为m，中途脱节司机发觉时，机车已行驶L的距离，于是立即关闭发动机滑行设运动的阻力与质量成正比，机车的牵引力恒定，当列车的两部分都停止时，它们的距离是多少？2021/8/9 星期一41对末节车厢应用动能定理，有对末节车厢应用动能定理，有说说明明 本本题题所所求求距距离离为为两两个个物物体体的的位位移移之之差差，需需分分别别对对各各个个物物体体应应用用动动能能定定理理求求解解时时也也可可假假设设中中途途脱脱节节时时，司司机机若若立立即即关关闭闭发发动动机机，则则列列车车两两部部分分将将停停在在同同一一地地点点现现实实际际上上是是行行驶驶了了距距离离L后后才才关关闭闭发发动动机机，此此过过程程中中牵牵引引力力做做的的功功，可可看看作作用用来来补补续续前前部部分分列列车车多多行行驶驶一一段段距距离离而而才停止才停止,则两者距离则两者距离 s=s1-s2.对前面部分的列车应用动能定理对前面部分的列车应用动能定理,有有 2021/8/9 星期一42例6：将细绳绕过两个定滑轮A和B绳的两端各系一个质量为m的砝码。A、B间的中点C挂一质量为M的小球，M2m，A、B间距离为l，开始用手托住M使它们都保持静止，如图所示。放手后M和2个m开始运动。求(1)小球下落的最大位移H是多少？(2)小球的平衡位置距C点距离h是多少？2021/8/9 星期一43解：(1)如答案图(a)所示，M下降到最底端时速度为零，此时两m速度也为零，M损失的重力势能等于两m增加的重力势能(机械能守恒)解得2021/8/9 星期一44(2)如答案图(b)所示，当M处于平衡位置时，合力为零，T=mg，则Mg-2mgsin=02021/8/9 星期一45【反馈练习【反馈练习】1.答案:C2021/8/9 星期一462.答案:D中，从抛出到动能减少一半，所经历的时间为2021/8/9 星期一473.如图所示，小物块位于光滑的斜面上，斜劈位于光滑的水平地面上从地面上看，在小物块沿斜面下滑的过程中，斜劈对小物块的作用力A垂直于接触面，做功为零B垂直于接触面，做功不为零C不垂直于接触面，做功为零D不垂直于接触面，做功不为零答案:B2021/8/9 星期一484.答案:BCD2021/8/9 星期一495从同一高度将3个质量相等的小球以大小相等的初速度分别竖直上抛、平抛和竖直下抛，那么正确结论是A从抛出到落地过程中，重力对3个小球做功相同B从抛出到落地过程中，重力对3个小球做功的平均功率相同C3个小球落地时，动能相同D3个小球落地时，重力的即时功率相同答案答案:AC2021/8/9 星期一506a、b是一个竖直光滑圆环的水平直径的两个端点，有两个相同质量的小钢球以相同的初速率v0同时从a点出发，其中一个竖直向上，另一个竖直向下，都始终沿圆环的光滑内壁运动，如图3-12所示，则正确说法是A、两钢球将于b点相遇，相遇时速率于v0B、两钢球将于b下方的某点相遇，相遇时速率大于v0C、两钢球将于b上方的某点相遇，相遇时速率小于v0D、上述三种情况都可能发生答案答案:C2021/8/9 星期一517如图所示，与水平方向成角的恒力F通过绕过光滑滑轮的轻绳使质量为m的物体在水平地面上从静止开始通过水平位移s，物体速度变为v若物体与水平地面之间的动摩擦因数为，则F通过滑轮对物体所做的功为AFscosBFs（1+cos）答案:B2021/8/9 星期一528.一物体从某一高度自由落下，落在直立于地面的轻弹簧上，如图所示在A点时，物体开始接触弹簧；到B点时，物体速度为零，然后被弹回下列说法中正确的是A物体从A下降到B的过程中，动能不断变小B物体从B上升到A的过程中，动能先增大后减小C物体由A下降到B的过程中，弹簧的弹性势能不断增大D物体由B上升到A的过程中，弹簧所减少的弹性势能等于物体所增加的动能与增加的重力势能之和答案:BCD2021/8/9 星期一539.如图所示，用水平恒力F将质量为m的物体沿倾角为、高为h的斜面由静止开始从底端推到顶端，其速度达到v，物体与斜面之间的动摩擦因数为下面说法中正确的是AF做的功为FhcotB.物体机械能增加mgh+mv2/2C转变成内能的部分是（F+mgcot）hD物体克服阻力所做功为mgcosh答案:ABC2021/8/9 星期一5410如图所示，在光滑的水平面上有质量相等的木块A、B，木块B静止在水平面上，B的尾部装有一根轻质弹簧，木块A以速度v向B运动从木块A接触弹簧开始，下面分析中正确的是A当弹簧压缩量最大时，木块A减少的动能最多B当弹簧压缩量最大时，A、B两木块系统减少的动能最多C在弹簧恢复原长的过程中，木块B的动能继续增加D在弹簧恢复原长的过程中，木块A的动能保持不变答案:BC2021/8/9 星期一55【课后作业】【课后作业】1如图所示，质量为1千克的物体静止于与水平方向成37角的斜面上，当物体受到水平外力F作用，经2秒物体沿斜面向上移动了8米如果物体与斜面间的滑动摩擦系数为0.3（1）求F力的大小；（2）F力在2秒末的即时功率是多少？答案:(1)20牛,(2)128瓦.2021/8/9 星期一562.人骑自行车上坡，坡长200米，坡高10米，人和车的总质量为100千克，人蹬车的牵引力为100牛，若在坡底时车的速度为10米/秒，到坡顶时的速度为4米/秒(g取10米/秒2)。问：(1)上坡过程中人克服阻力(不含下滑力)做多少功？（2）人若不蹬车，以10米/秒的初速度冲上坡，能在坡上行驶多远？答案:(1)14200焦,(2)41.3米.2021/8/9 星期一573汽车在发动机功率保持不变的条件下沿一坡路匀速上行时速率为v1，沿此坡路匀速下行时速率为v2，试问汽车以相同的功率在水平公路上匀速行驶时其速率多大？设汽车在水平公路上所受到的摩擦阻力为在坡路上所受摩擦阻力的2倍2021/8/9 星期一584、质量为4103千克的汽车，由静止开始以恒定的功率前进，它经过（100/3）秒前进了425米，这时它达到最大速度，其值为15米/秒，问汽车所受的阻力多大（假定汽车运动过程中阻力不变）？答案:6000牛2021/8/9 星期一595有质量为m的物体停在摩擦系数=0.5的水平面上的A点，在离A点为2R的B点有半径为R的1/4光滑圆弧与AB轨道相接，如图所示现用F=2mg的水平拉力拉物体作加速运动，当物体运动到B点时撤去拉力，物体沿圆弧运动，问物体最后停在离B点多远的地方？答案:6R2021/8/9 星期一606图中，AB=AC=H，开始时绳AC处于竖直状态，小车从静止出发在水平路面上由A点运动到B点时速度为v，在此过程中绳子对挂在井底、质量为m的物体做了多少功？2021/8/9 星期一617如图所示，一细绳绕过A、B两定滑轮，在两端各挂重为G的重物，在AB中点C拴挂重为Q的圆球，先用手托住圆球，使AB成水平，然后突然放手，问圆球能下落的最大距离是多少？设AB长为2L，Q2G，摩擦力不计2021/8/9 星期一628如图所示，两个质量分别为M和m（Mm）的大球和小球用细绳连接，跨在半径为R的光滑半圆柱的两端连接体由图示位置从静止开始运动，当小球到达半圆柱体顶端时对圆柱体的压力多大？2021/8/9 星期一639将质量为M和3M的两小球A和B分别拴在一根细绳的两端，绳长为L，开始时B球静置于光滑的水平桌面上，A球刚好跨过桌边且线已张紧，如图所示当A球下落时拉着B球沿桌面滑动，桌面的高为h，且hL若A球着地后停止不动，求：（1）B球刚滑出桌面时的速度大小（2）B球和A球着地点之间的距离2021/8/9 星期一6410一轮轴的轮半径为R、轴半径为r重物A用绳子绕挂在轮的边缘，重物B用绳子绕挂在轴的边缘，如图所示A和B的质量相等，均为m，轮轴的质量不计，绳子与轮轴的摩擦不计从静止放手后到物体A下降h时它的速度多大？2021/8/9 星期一65课后作业答案：课后作业答案：1（1）20牛；（2）128瓦2（1）14200焦；（2）41.3米46000牛56R2021/8/9 星期一662021/8/9 星期一67