2022届高考物理二轮(福建专用)教学案-专题二第1课时 功 功率和功能关系.docx
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1、专题二功和能第1课时功功率和功能关系专题复习定位解决问题本专题主要培养学生应用功能关系分析和解决问题的能力。高考重点功和功率的分析与计算;动能定理的应用;机械能和能量守恒定律的应用;功能关系的理解和应用。题型难度以选择题为主,一般考查功和功率的分析、动能定理的应用以及功能关系的理解,题目难度较大。1.几种力做功的特点(1)重力、弹力、静电力做功与路径无关。(2)摩擦力做功的特点单个摩擦力(包括静摩擦力和滑动摩擦力)可以做正功,也可以做负功,还可以不做功。相互作用的一对静摩擦力做功的代数和总等于零,在静摩擦力做功的过程中,只有机械能的转移,没有机械能转化为其他形式的能;相互作用的一对滑动摩擦力做
2、功的代数和不为零,且总为负值。不仅有相互摩擦的物体间机械能的转移,还有部分机械能转化为内能,转化为内能的量等于系统机械能的减少量,等于滑动摩擦力与相对位移的乘积。摩擦生热是指滑动摩擦生热,静摩擦不会生热。2.几个重要的功能关系(1)重力的功等于重力势能减少量,即WGEp。(2)弹力的功等于弹性势能减少量,即W弹Ep。(3)合力的功等于动能的变化,即WEk。(4)重力(或系统内弹力)之外的其他力的功等于机械能的变化,即W其他E。(5)系统内一对滑动摩擦力做的功是系统内能改变的量度,即Qfs相对。1.功和功率的求解(1)功的求解:WFscos 用于恒力做功,变力做功可以用动能定理或者图像法来求解。
3、(2)功率的求解:可以用定义式P来求解,如果力是恒力,可以用PFvcos 来求解。2.动能定理的应用技巧若运动包括几个不同的过程,可以全程或者分过程应用动能定理。高考题型1功和功率的分析与计算【例1】(多选) 2021陕西宝鸡市高考模拟(一)商场的智能扶梯如图1所示,扶梯与水平面之间的夹角为,扶梯没有站人时以较小的速度v1匀速向上运动,当质量为m的人踏上自动扶梯的水平踏板时,扶梯会自动以加速度a向上匀加速运动,经过时间t加速到较大速度v2后再次匀速向上运动。已知电梯在加速过程人上升的竖直高度为h,人手未接触电梯扶手,重力加速度为g。则()图1A.电梯在加速过程中人处于超重状态B.加速过程中踏板
4、对人的摩擦力不做功C.加速过程电梯对人做的功为m(vv)D.当扶梯以速度v2匀速运动时,支持力做功的功率为mgv2sin 答案AD解析电梯在加速过程中,竖直方向上,人所受的合力向上,支持力大于重力,因此人处于超重状态,A正确;加速过程中,踏板对人的摩擦力水平向右,摩擦力对人做正功,B错误;根据能量守恒定律,加速过程电梯对人做的功Wm(vv)mgh,C错误;扶梯匀速运动时,支持力与重力平衡,因此支持力做功的功率Pmgv2sin ,D正确。【拓展训练1】(多选) (2021江苏徐州市大许中学阶段性考试)质量为2 kg的物体,放在动摩擦因数0.1的水平面上,在水平拉力F的作用下,由静止开始运动,拉力
5、做的功W和物体发生的位移s之间的关系如图2所示,g10 m/s2,下列说法中正确的是()图2A.此物体在OA段做匀速直线运动,且此过程中拉力的最大功率为6 WB.此物体在OA段做匀加速直线运动,且此过程中拉力的最大功率为15 WC.此物体在AB段做匀速直线运动,且此过程中拉力的功率恒为6 WD.此物体在AB段做匀加速直线运动,且此过程中拉力的最大功率为6 W答案BC解析对物体受力分析,物体受到的摩擦力为fmg2 N,由题图可知,斜率表示物体所受拉力的大小,OA段的拉力F5 N,AB段的拉力F2 N,所以物体在OA段做匀加速直线运动,在AB段做匀速直线运动,故A、D错误;在OA段物体所受的拉力为
6、5 N,物体做匀加速直线运动,当速度最大时,拉力的功率最大vat,sat2,a,代入数据得v3 m/s,拉力的最大功率PmaxFv15 W,选项B正确;在AB段,物体以3 m/s的速度做匀速运动,此过程中拉力的功率恒为PFv6 W,选项C正确。【拓展训练2】(2021山东省第二次模拟)质量分别为2m和m的A、B两物体分别在水平恒力F1和F2的作用下沿水平面运动,撤去F1、F2后受摩擦力的作用减速到停止,其vt图像如图3所示,则下列说法正确的是()图3A.F1和F2大小相等B.F1和F2对A、B做功之比为21C.A、B所受摩擦力大小相等D.全过程中摩擦力对A、B做功之比为12答案C解析匀减速运动
7、的加速度大小分别为aA,aB,摩擦力大小分别为fA2maA,fBmaB;对于匀加速运动过程,两物体加速度大小分别为aA,aB,根据牛顿第二定律得F1fA2maA,F2fBmaB,所以F1和F2大小不相等,A、B所受摩擦力大小相等,A错误,C正确;两个物体匀加速直线运动的位移大小分别为s1v0t0,s2v02t0v0t0,F1和F2对A、B做功分别为W1F1s1mv,W2F2s2mv,所以F1和F2对A、B做功之比为11;根据vt图像与时间轴所围“面积”等于位移,可知全过程中两物体的位移大小相等,两物体所受的摩擦力大小相等,故全过程中摩擦力对A、B做功之比为11,B、D错误。高考题型2动能定理的
8、应用1.基本思路(1)确定研究对象和研究过程。(2)进行“两个分析”,即运动分析和受力分析,确定初、末速度和各力做功情况。(3)利用动能定理全过程或者分过程列式。2.应用技巧(1)动能定理是根据恒力做功和直线运动推导出来的,但是也适用于变力做功和曲线运动。(2)在涉及位移和速度而不涉及加速度和时间问题时,常选用动能定理分析。(3)动能定理常用于分析多运动过程问题,关键是明确各力及各力作用的位移。【例2】(2021陕西西安市高考模拟猜想卷)学校科技小组设计了“e”字型轨道竖直放置在水平面上,如图4所示,该轨道由两个光滑半圆形轨道ABC、CDE和粗糙的水平直轨道EF组成,末端与竖直的弹性挡板OF连
9、接,轨道CDE半径r0.1 m,轨道ABC半径为2r,A端与地面相切。现将质量m0.2 kg的小滑块从水平地面P点以速度v02 m/s沿轨道上滑,运动到F点与挡板发生完全弹性相碰。已知直线轨道EF长为L0.5 m,小滑块与轨道EF的动摩擦因数0.5,其余阻力均不计,小滑块可视为质点。求:图4(1)小滑块在ABC圆轨道运动时对轨道C点的压力;(2)小滑块最终停止的位置离F点的距离;(3)若改变小滑块的初速度,使小滑块能停在EF轨道上,且运动过程中不脱离轨道,则小滑块的初速度满足什么条件。答案(1)2 N,方向竖直向上(2)0.3 m(3)m/sv04 m/s解析(1)滑块从P到C的过程中,根据动
10、能定理可得mg4rmvmv在C点对滑块根据牛顿第二定律可得Nmg联立解得N2 N根据牛顿第三定律可知小滑块对轨道的压力为2 N,方向竖直向上。(2)从P点到EF轨道停止过程中,根据动能定理可得mg2rmgs0mv解得s0.8 m(L0.3) m所以滑块最终停在离F点0.3 m处。(3)滑块刚好经过最高点C,根据牛顿第二定律可知mg滑块从P到C的过程中,根据动能定理可得mg4rmv2mv联立解得v1 m/s当滑块第一次从挡板弹回时,到达小圆的圆心等高处时速度为零,滑块从P到D的过程中,根据动能定理可得mg3rmg2L0mv解得v24 m/s所以滑块的初速度范围为 m/sv04 m/s。【拓展训练
11、3】(2021山东省普通高中学业水平选择性考试,3)如图5所示,粗糙程度处处相同的水平桌面上有一长为L的轻质细杆,一端可绕竖直光滑轴O转动,另一端与质量为m的小木块相连。木块以水平初速度v0出发,恰好能完成一个完整的圆周运动。在运动过程中,木块所受摩擦力的大小为()图5A. B.C. D.答案B解析由题意可知,木块受到的滑动摩擦力大小不变,始终做负功,根据动能定理得,f2L0mv,解得f,故选B。【拓展训练4】(2021河北省普通高中学业水平选择性考试,6)一半径为R的圆柱体水平固定,横截面如图6所示。长度为R、不可伸长的轻细绳,一端固定在圆柱体最高点P处,另一端系一个小球。小球位于P点右侧同
12、一水平高度的Q点时,绳刚好拉直。将小球从Q点由静止释放,当与圆柱体未接触部分的细绳竖直时,小球的速度大小为(重力加速度为g,不计空气阻力)()图6A. B.C. D.2答案A解析当与圆柱体未接触部分的细绳竖直时,小球下落的高度hRRR,根据动能定理有mghmv2,解得v。故A正确,B、C、D错误。高考题型3机械能守恒和能量守恒定律的应用1.守恒判断(1)利用机械能守恒的定义判断。(2)利用做功判断。(3)利用能量转化判断。(4)对于绳突然绷紧和物体间非弹性碰撞问题,机械能往往不守恒。2.解题步骤(1)选取研究对象,分析物理过程及状态。(2)分析受力及做功情况,判断机械能是否守恒。(3)选取参考
13、面,根据机械能守恒列式。3.应用技巧对于连接体的机械能守恒问题,常常应用重力势能的减少量等于动能的增加量来分析和求解。【例3】(多选)2021湖南株洲市统一检测(一)如图7甲所示,轻绳的一端固定在O点,另一端系一小球。小球在竖直平面内做完整的圆周运动的过程中,绳子的拉力F的大小与小球离最低点的高度h的关系如图所示。重力加速度g取10 m/s2,则()图7A.圆周半径为1.0 mB.小球质量为0.5 kgC.轻绳转至水平时拉力为30 ND.小球通过最高点的速度为4 m/s答案BD解析由图可知,当h0时,绳的拉力为F241 N,当h1.0 m时绳的拉力为F111 N,可知小球做圆周运动的半径R m
14、0.5 m,故A错误;设最高点时的速度为v1,最低点时的速度为v2,取最低点所在水平面为参考平面,由机械能守恒定律可得mvmg2Rmv,在最高点和最低点,分别根据牛顿第二定律可知F1mgm,F2mgm,解得m0.5 kg,v14 m/s,故B、D正确;设轻绳转至水平时物体的速度为v,从最高点到水平时,由机械能守恒定律可得mvmg2Rmv2mgR,解得v m/s,由牛顿第二定律可知,轻绳转至水平时拉力为Fm26 N,故C错误。【拓展训练5】(2021重庆市高考模拟预热)如图8所示,小滑块P、Q的质量分别为3m、m,P、Q间通过轻质铰链用长为L的刚性轻杆连接,Q套在固定的水平横杆上,P和竖直放置的
15、轻弹簧上端相连,轻弹簧下端固定在水平横杆上。当杆与竖直方向的夹角30时,弹簧处于原长,此时,将P由静止释放,下降到最低点时60。整个运动过程中,P、Q始终在同一竖直平面内,滑块P始终没有离开竖直墙壁,弹簧始终在弹性限度内,忽略一切摩擦,重力加速度为g。则在P下降过程中()图8A.P、Q组成的系统机械能守恒B.轻杆始终对Q做正功C.弹簧弹性势能最大值为2(1)mgLD.P和弹簧组成的系统机械能最小时,Q受到水平横杆的支持力大小等于mg答案D解析由于不计摩擦,P、Q和弹簧三者组成的系统机械能守恒,而P、Q组成的系统机械能不守恒,故选项A错误;在P下降过程中,Q一直沿着杆向左运动,P下降至最低点时,
16、P的速度为零,Q速度也为零,在P下降过程中,Q一定经历先加速后减速的过程,由受力分析知,Q加速过程,轻杆对其做正功,Q减速过程,轻杆对其做负功,故选项B错误;P下降至最低点时,弹簧弹性势能最大,此时P、Q的速度都为零,弹簧弹性势能即为系统减少的重力势能,有Ep3mgL(cos 30cos 60)(1)mgL,故选项C错误;经分析可知,P和弹簧组成的系统机械能最小时,Q的动能最大,速度最大,加速度为零,轻杆对Q的作用力为零,水平横杆对Q的支持力大小等于Q的重力mg,故选项D正确。高考题型4力学中功能关系的理解和应用【例4】(多选)(2021山东临沂市等级考试模拟)如图9所示,水平面上固定一倾角为
17、30的斜面,质量为M的物块B静止于斜面上,B用不可伸长的细绳通过光滑定滑轮与沿竖直方向的弹簧连接,弹簧下端与质量为m的物块A连接,初始时,用手托住物块A,细绳恰好伸直且弹簧处于原长状态。某时刻撤去手,物块A开始运动,物块B在撤去手前后始终保持静止状态,已知,重力加速度为g,则()图9A.B与斜面间的最大静摩擦力至少为mgB.B与斜面间的最大静摩擦力至少为mgC.A从释放到第一次运动至最低点的过程中,合外力对A先做正功后做负功D.A从释放到第一次速度最大的过程中,弹簧弹性势能的增加量等于A机械能的减少量答案BCD解析根据题意可知,在释放A之前,B所受静摩擦力为f1Mgsin mg,释放A之后,物
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