2018_2019學(xué)年高中物理第3章動(dòng)能的變化與機(jī)械功學(xué)案（打包6套）滬科版必修2.zip,2018,_2019,學(xué)年,高中物理,章動(dòng),變化,機(jī)械功,打包,滬科版,必修
3.1 探究動(dòng)能變化跟做功的關(guān)系
[學(xué)習(xí)目標(biāo)] 1.理解動(dòng)能的概念，會(huì)根據(jù)動(dòng)能的表達(dá)式計(jì)算物體的動(dòng)能.2.能從牛頓第二定律與運(yùn)動(dòng)學(xué)公式導(dǎo)出動(dòng)能定理，理解動(dòng)能定理的物理意義.3.能應(yīng)用動(dòng)能定理解決簡(jiǎn)單的問(wèn)題.4.掌握探究恒力做功與物體動(dòng)能變化的實(shí)驗(yàn)方法．
一、動(dòng)能、動(dòng)能定理
1．動(dòng)能
(1)定義：物理學(xué)中把mv2叫做物體的動(dòng)能．
(2)表達(dá)式：Ek＝mv2.
(3)動(dòng)能是標(biāo)量(填“標(biāo)量”或“矢量”)，是狀態(tài)(填“過(guò)程”或“狀態(tài)”)量．
(4)單位：動(dòng)能的國(guó)際單位是焦耳，簡(jiǎn)稱焦，用符號(hào)J表示．
2．動(dòng)能定理
(1)內(nèi)容：外力對(duì)物體所做的功等于物體動(dòng)能的增量．
(2)表達(dá)式：W＝ΔEk.
(3)說(shuō)明：ΔEk＝Ek2－Ek1.Ek2為物體的末動(dòng)能，Ek1為物體的初動(dòng)能．
二、恒力做功與物體動(dòng)能變化的關(guān)系
1．設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)(如圖1)：
圖1
所使用的器材有：氣墊導(dǎo)軌、滑塊、光電門(mén)、計(jì)時(shí)器、氣源、刻度尺、細(xì)繩、鉤碼等．
2．制定計(jì)劃：
(1)直接驗(yàn)證：逐一比較力對(duì)物體所做的功與物體動(dòng)能增量的大小之間的關(guān)系．
(2)用圖像驗(yàn)證：根據(jù)W＝mv2，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出W與v2及W與m的關(guān)系圖像．
[即學(xué)即用]
1．判斷下列說(shuō)法的正誤．
(1)某物體的速度加倍，它的動(dòng)能也加倍．(×)
(2)兩質(zhì)量相同的物體，動(dòng)能相同，速度一定相同．(×)
(3)合外力做功不等于零，物體的動(dòng)能一定變化．(√)
(4)物體的速度發(fā)生變化，合外力做功一定不等于零．(×)
(5)物體的動(dòng)能增加，合外力做正功．(√)
2．一個(gè)質(zhì)量為0.1 kg的球在光滑水平面上以5 m/s的速度勻速運(yùn)動(dòng)，與豎直墻壁碰撞以后以原速率被彈回，若以初速度方向?yàn)檎较?，則小球碰墻前后速度的變化為_(kāi)_______，動(dòng)能的變化為_(kāi)_______．
答案?。?0 m/s 0
一、對(duì)動(dòng)能和動(dòng)能定理的理解
[導(dǎo)學(xué)探究]
1．一質(zhì)量為m的物體在光滑的水平面上，在水平拉力F作用下運(yùn)動(dòng)，速度由v1增加到v2的過(guò)程通過(guò)的位移為s，則v1、v2、F、s的關(guān)系是怎樣的？
答案 根據(jù)牛頓第二定律F＝ma
由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式a＝
由此得Fs＝mv22－mv12.
2．從推導(dǎo)結(jié)果知，水平力F做的功等于什么量的變化？這個(gè)量與物體的什么因素有關(guān)？
答案 水平力F做的功等于物體動(dòng)能的變化，動(dòng)能與物體的質(zhì)量和速度有關(guān)．
[知識(shí)深化]
1．對(duì)動(dòng)能Ek＝mv2的理解
(1)動(dòng)能是標(biāo)量，沒(méi)有負(fù)值，與物體的速度方向無(wú)關(guān)．
(2)動(dòng)能是狀態(tài)量，具有瞬時(shí)性，與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(或某一時(shí)刻的速度)相對(duì)應(yīng)．
(3)動(dòng)能具有相對(duì)性，選取不同的參考系，物體的速度不同，動(dòng)能也不同，一般以地面為參考系．
(4)物體動(dòng)能的變化量是末動(dòng)能與初動(dòng)能之差，即ΔEk＝mv22－mv12，若ΔEk>0，則表示物體的動(dòng)能增加，若ΔEk<0，則表示物體的動(dòng)能減少．
2．對(duì)動(dòng)能定理W＝ΔEk的理解
(1)動(dòng)能定理的實(shí)質(zhì)
①動(dòng)能定理揭示了合外力對(duì)物體做功與物體動(dòng)能的變化之間的定量關(guān)系和因果聯(lián)系，合外力做功是因，動(dòng)能變化是果．動(dòng)能的改變可由合外力做的功來(lái)度量．
②合外力對(duì)物體做了多少功，物體的動(dòng)能就變化多少．合外力做正功，物體的動(dòng)能增加；合外力做負(fù)功，物體的動(dòng)能減少．
(2)動(dòng)能定理的適用范圍：動(dòng)能定理是在物體受恒力作用且做直線運(yùn)動(dòng)的情況下得出的，對(duì)于外力是變力、物體做曲線運(yùn)動(dòng)、物體經(jīng)歷多過(guò)程的情況同樣適用．
例1 下列關(guān)于動(dòng)能的說(shuō)法正確的是( )
A．兩個(gè)物體中，速度大的動(dòng)能也大
B．某物體的速度加倍，它的動(dòng)能也加倍(物體的質(zhì)量不變)
C．做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體動(dòng)能保持不變
D．某物體的動(dòng)能保持不變，則速度一定不變
答案 C
解析 動(dòng)能的表達(dá)式為Ek＝mv2，即物體的動(dòng)能大小由質(zhì)量和速度大小共同決定，速度大的物體的動(dòng)能不一定大，故A錯(cuò)誤；速度加倍，物體(質(zhì)量不變)的動(dòng)能變?yōu)樵瓉?lái)的4倍，故B錯(cuò)誤；質(zhì)量一定時(shí)，速度只要大小保持不變，動(dòng)能就不變，故C正確，D錯(cuò)誤．
例2 在光滑水平面上，質(zhì)量為2 kg的物體以2 m/s的速度向東運(yùn)動(dòng)，若對(duì)它施加一向西的力使它停下來(lái)，則該外力對(duì)物體做的功是( )
A．16 J B．8 J C．－4 J D．0
答案 C
解析 根據(jù)動(dòng)能定理W＝mv22－mv12＝0－×2×22 J＝－4 J，選項(xiàng)C正確．
二、實(shí)驗(yàn)探究：恒力做功與物體動(dòng)能變化的關(guān)系
[導(dǎo)學(xué)探究] 觀察分別用如圖2甲、乙兩套實(shí)驗(yàn)裝置探究恒力做功與物體動(dòng)能變化的關(guān)系，思考下面問(wèn)題：
圖2
以上兩套實(shí)驗(yàn)操作有何不同之處？
答案 甲圖用的是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器
乙圖用的是光電門(mén)
[知識(shí)深化]
1．探究思路
探究恒力做功與物體動(dòng)能變化的關(guān)系，需要測(cè)量不同的力在不同的過(guò)程中做的功和對(duì)應(yīng)的物體動(dòng)能的變化量，這就需要測(cè)出物體的受力、力作用的距離和這段距離上物體的初、末速度以及物體的質(zhì)量等物理量，其中比較難測(cè)量的是物體在各個(gè)位置的速度，可借助光電門(mén)較準(zhǔn)確地測(cè)出，也可借助紙帶和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器來(lái)測(cè)量．
2．實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
用氣墊導(dǎo)軌進(jìn)行探究
裝置如圖2乙所示，所使用的器材有氣墊導(dǎo)軌、滑塊、計(jì)時(shí)器、氣源、刻度尺、細(xì)繩、鉤碼等．
3．實(shí)驗(yàn)步驟
(1)用天平測(cè)出滑塊的質(zhì)量m.
(2)按圖所示安裝實(shí)驗(yàn)裝置．
(3)平衡摩擦力，將氣墊導(dǎo)軌(或長(zhǎng)木板)沒(méi)有滑輪的一端適當(dāng)抬高，輕推滑塊，使滑塊能做勻速運(yùn)動(dòng)．
(4)讓滑塊通過(guò)細(xì)繩連接鉤碼(或小沙桶)，使鉤碼(或小沙桶)的質(zhì)量遠(yuǎn)小于滑塊的質(zhì)量，滑塊在細(xì)線的拉力作用下做勻加速運(yùn)動(dòng)，由于鉤碼(或小沙桶)質(zhì)量很小，可以認(rèn)為滑塊所受拉力F的大小等于鉤碼(或小沙桶)所受重力的大?。?
(5)釋放滑塊，滑塊在細(xì)繩的拉力作用下運(yùn)動(dòng)，用光電門(mén)(或打點(diǎn)計(jì)時(shí)器)記錄滑塊的運(yùn)動(dòng)情況，求出滑塊的速度v1和v2(若分析滑塊從靜止開(kāi)始的運(yùn)動(dòng)，v1＝0)，并測(cè)出滑塊相應(yīng)的位移s.
(6)驗(yàn)證Fs＝mv22－mv12，在誤差允許范圍內(nèi)成立即可．
例3 某實(shí)驗(yàn)小組利用拉力傳感器和速度傳感器探究“恒力做功與物體動(dòng)能變化的關(guān)系”．如圖3所示，他們將拉力傳感器固定在小車(chē)上，用不可伸長(zhǎng)的細(xì)線將其通過(guò)一個(gè)定滑輪與鉤碼相連，用拉力傳感器記錄小車(chē)受到的拉力的大?。谒阶烂嫔舷嗑?0.0 cm的A、B兩點(diǎn)各安裝一個(gè)速度傳感器，記錄小車(chē)通過(guò)A、B時(shí)的速度大?。≤?chē)中可以放置砝碼．
圖3
(1)實(shí)驗(yàn)主要步驟如下：
①測(cè)量________和拉力傳感器的總質(zhì)量M1，把細(xì)線的一端固定在拉力傳感器上，另一端通過(guò)定滑輪與鉤碼相連；正確連接所需電路．
②將小車(chē)停在C點(diǎn)，接通電源，________，小車(chē)在細(xì)線拉動(dòng)下運(yùn)動(dòng)，記錄細(xì)線拉力及小車(chē)通過(guò)A、B時(shí)的速度．
③在小車(chē)中增加砝碼，重復(fù)②的操作．
(2)下表是他們測(cè)得的一組數(shù)據(jù)，其中M是M1與小車(chē)中砝碼質(zhì)量之和，|v22－v12|是兩個(gè)速度傳感器所記錄速度的平方差，可以據(jù)此計(jì)算出動(dòng)能變化量ΔEk，F(xiàn)是拉力傳感器受到的拉力，W是F在A、B間所做的功．表格中的ΔEk3＝________，W3＝________.(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)
數(shù)據(jù)記錄表
次數(shù)
M/kg
|v22－v12|/(m/s)2
ΔEk/J
F/N
W/J
1
0.500
0.760
0.190
0.400
0.200
2
0.500
1.650
0.413
0.840
0.420
3
0.500
2.400
ΔEk3
1.220
W3
4
1.000
2.400
1.200
2.420
1.210
5
1.000
2.840
1.420
2.860
1.430
(3)根據(jù)表格中的數(shù)據(jù)在圖4中作出ΔEk－W圖線．
圖4
答案 (1)①小車(chē) ②然后釋放小車(chē) (2)0.600 0.610 (3)如圖所示
1．(對(duì)動(dòng)能的理解)(多選)關(guān)于動(dòng)能的理解，下列說(shuō)法中正確的是( )
A．一般情況下，Ek＝mv2中的v是相對(duì)于地面的速度
B．動(dòng)能的大小由物體的質(zhì)量和速率決定，與物體的運(yùn)動(dòng)方向無(wú)關(guān)
C．物體以相同的速率向東和向西運(yùn)動(dòng)，動(dòng)能的大小相等、方向相反
D．當(dāng)物體以不變的速率做曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)其動(dòng)能不斷變化
答案 AB
解析 動(dòng)能是標(biāo)量，由物體的質(zhì)量和速率決定，與物體的運(yùn)動(dòng)方向無(wú)關(guān)．動(dòng)能具有相對(duì)性，無(wú)特別說(shuō)明，一般指相對(duì)于地面的動(dòng)能．
【考點(diǎn)】對(duì)動(dòng)能的理解
【題點(diǎn)】對(duì)動(dòng)能表達(dá)式的理解
2.(對(duì)動(dòng)能定理的理解)有一質(zhì)量為m的木塊，從半徑為r的圓弧曲面上的a點(diǎn)滑向b點(diǎn)，如圖5所示．如果由于摩擦使木塊的運(yùn)動(dòng)速率保持不變，則以下敘述中正確的是( )
圖5
A．木塊所受的合外力為零
B．因木塊所受的力都不對(duì)其做功，所以合外力做的功為零
C．重力和摩擦力的合力做的功為零
D．重力和摩擦力的合力為零
答案 C
解析 木塊做曲線運(yùn)動(dòng)，速度方向變化，加速度不為零，故合外力不為零，A錯(cuò)；速率不變，動(dòng)能不變，由動(dòng)能定理知，合外力做的功為零，而支持力始終不做功，重力做正功，所以重力做的功與摩擦力做的功的代數(shù)和為零，但重力和摩擦力的合力不為零，C對(duì)，B、D錯(cuò)．
3．(動(dòng)能定理的簡(jiǎn)單應(yīng)用)一質(zhì)量m＝1 kg的物體以20 m/s的初速度被豎直向下拋出，物體離拋出點(diǎn)高度h＝5 m處時(shí)的動(dòng)能是多大？(g取10 m/s2，不計(jì)空氣阻力)
答案 250 J
解析 由動(dòng)能定理得，mgh＝Ek－mv02
則Ek＝mgh＋mv02＝250 J.
4．(探究恒力做功與物體動(dòng)能變化的關(guān)系)某同學(xué)利用落體法探究做功與物體動(dòng)能變化的關(guān)系時(shí)，設(shè)計(jì)了如圖6甲所示的實(shí)驗(yàn)，即將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在鐵架臺(tái)上，連接重物的紙帶穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的限位孔，讓重物靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，接通電源后，使紙帶呈豎直狀態(tài)由靜止釋放，重物帶動(dòng)紙帶下落后通過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出計(jì)時(shí)點(diǎn)，其中在某次操作中打出的紙帶如圖乙所示．該同學(xué)選取了第一個(gè)比較清晰的點(diǎn)作為計(jì)數(shù)點(diǎn)O，然后通過(guò)測(cè)量使OA＝AB＝BC，并將A、B、C三點(diǎn)依次選為計(jì)數(shù)點(diǎn)，通過(guò)測(cè)量的數(shù)據(jù)和紙帶記錄的時(shí)間得出了vA＝0.12 m/s、vB＝0.17 m/s、vC＝0.21 m/s.請(qǐng)根據(jù)以上的數(shù)據(jù)驗(yàn)證重力對(duì)重物所做的功與重物速度的平方成正比．
圖6
答案 見(jiàn)解析
解析 設(shè)由O到A的過(guò)程中，重力對(duì)重物所做的功為W0，那么由O到B的過(guò)程中，重力對(duì)重物所做的功為2W0，由O到C的過(guò)程中，重力對(duì)重物所做的功為3W0.
由計(jì)算可知，vA2＝1.44×10－2 m2/s2
vB2＝2.89×10－2 m2/s2
vC2＝4.41×10－2 m2/s2
由以上可得出≈2，≈3
即vB2≈2vA2，vC2≈3vA2
由以上數(shù)據(jù)可以判斷W∝v2是正確的，也可以根據(jù)W—v2的圖線來(lái)判斷(如圖所示)．
一、選擇題
考點(diǎn)一 對(duì)動(dòng)能和動(dòng)能定理的理解
1．(多選)關(guān)于對(duì)動(dòng)能的理解，下列說(shuō)法正確的是( )
A．動(dòng)能是普遍存在的機(jī)械能的一種基本形式，凡是運(yùn)動(dòng)的物體都具有動(dòng)能
B．動(dòng)能總是正值，但對(duì)于不同的參考系，同一物體的動(dòng)能大小是不同的
C．一定質(zhì)量的物體，動(dòng)能變化時(shí)，速度一定變化，但速度變化時(shí)，動(dòng)能不一定變化
D．動(dòng)能不變的物體，受力一定為零
答案 ABC
解析 動(dòng)能是物體由于運(yùn)動(dòng)而具有的能量，所以運(yùn)動(dòng)的物體都有動(dòng)能，A正確；由于Ek＝mv2，而v與參考系的選取有關(guān)，所以B正確；由于速度為矢量，當(dāng)方向變化時(shí)，若其速度大小不變，則動(dòng)能不變，故C正確；做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體動(dòng)能不變，但物體受力并不為零，D錯(cuò)誤．
2．下列關(guān)于運(yùn)動(dòng)物體的合外力做功和動(dòng)能、速度變化的關(guān)系，正確的是( )
A．物體做變速運(yùn)動(dòng)，合外力一定不為零，動(dòng)能一定變化
B．若合外力對(duì)物體做功為零，則合外力一定為零
C．物體的合外力做功，它的速度大小一定發(fā)生變化
D．物體的動(dòng)能不變，所受的合外力必定為零
答案 C
解析 力是改變物體速度的原因，物體做變速運(yùn)動(dòng)時(shí)，合外力一定不為零，但合外力不為零時(shí)，做功可能為零，動(dòng)能可能不變，A、B錯(cuò)誤．物體的合外力做功，它的動(dòng)能一定變化，速度大小也一定變化，C正確．物體的動(dòng)能不變，所受合外力做功一定為零，但合外力不一定為零，D錯(cuò)誤．
考點(diǎn)二 對(duì)動(dòng)能定理的簡(jiǎn)單應(yīng)用
3．如圖1所示，某人用力踢出質(zhì)量為0.4 kg的足球，使球由靜止以10 m/s的速度飛出，假定人踢球瞬間對(duì)球的平均作用力是200 N，球在水平方向運(yùn)動(dòng)了40 m停止，那么人對(duì)球所做的功為( )
圖1
A．20 J B．50 J
C．4 000 J D．8 000 J
答案 A
解析 由動(dòng)能定理得，人對(duì)球做的功W＝mv2－0＝20 J，A正確．
4．一質(zhì)量為2 kg的滑塊，以4 m/s的速度在光滑水平面上向左滑行，從某一時(shí)刻起，在滑塊上作用一向右的水平力，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，滑塊的速度方向變?yōu)橄蛴?，大小? m/s，在這段時(shí)間里水平力所做的功為( )
A．32 J B．16 J C．8 J D．0
答案 D
解析 由動(dòng)能定理得WF＝mv22－mv12＝×2×42 J－×2×(－4)2 J＝0，故D正確．
5．質(zhì)量為2 kg的物體A以5 m/s的速度向北運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)質(zhì)量為0.5 kg的物體B以10 m/s的速度向西運(yùn)動(dòng)，它們的動(dòng)能分別為EkA和EkB，則( )
A．EkA＝EkB B．EkA＞EkB
C．EkA＜EkB D．因運(yùn)動(dòng)方向不同，無(wú)法比較動(dòng)能
答案 A
解析 根據(jù)Ek＝mv2知，EkA＝25 J，EkB＝25 J，因動(dòng)能是標(biāo)量，所以EkA＝EkB，A項(xiàng)正確．
6.物體在合外力作用下做直線運(yùn)動(dòng)的v－t圖像如圖2所示，下列表述正確的是( )
圖2
A．在0～1 s內(nèi)，合外力做正功
B．在0～2 s內(nèi)，合外力總是做負(fù)功
C．在1～2 s內(nèi)，合外力不做功
D．在0～3 s內(nèi)，合外力總是做正功
答案 A
解析 由v－t圖像知0～1 s內(nèi)，v增加，動(dòng)能增加，由動(dòng)能定理可知合外力做正功，A對(duì).1～3 s內(nèi)，v減小，動(dòng)能減小，合外力做負(fù)功，可見(jiàn)B、C、D錯(cuò)．
7.如圖3所示，在水平桌面上的A點(diǎn)有一個(gè)質(zhì)量為m的物體以初速度v0被拋出，不計(jì)空氣阻力，當(dāng)它到達(dá)B點(diǎn)時(shí)，其動(dòng)能為( )
圖3
A.mv02＋mgH
B.mv02＋mgh
C.mv02－mgh
D.mv02＋mg(H—h)
答案 B
解析 由A到B，合外力對(duì)物體做的功W＝mgh，物體的動(dòng)能變化ΔEk＝Ek－mv02，根據(jù)動(dòng)能定理得物體在B點(diǎn)的動(dòng)能Ek＝mv02＋mgh，B正確．
8．(多選)一質(zhì)量為0.1 kg的小球，以5 m/s的速度在光滑水平面上勻速運(yùn)動(dòng)，與豎直墻壁碰撞后以原速率反彈，若以彈回的速度方向?yàn)檎较?，則小球碰墻過(guò)程中的速度變化和動(dòng)能變化分別是( )
A．Δv＝10 m/s B．Δv＝0
C．ΔEk＝5 J D．ΔEk＝0
答案 AD
解析 速度是矢量，故Δv＝v2－v1＝5 m/s－(－5 m/s)＝10 m/s.而動(dòng)能是標(biāo)量，初、末兩狀態(tài)的速度大小相等，故動(dòng)能相等，因此ΔEk＝0.
9．(多選)物體沿直線運(yùn)動(dòng)的v－t圖像如圖4所示，已知在第1秒內(nèi)合外力對(duì)物體做的功為W，則下列結(jié)論正確的是( )
圖4
A．從第1秒末到第3秒末合外力做功為W
B．從第3秒末到第5秒末合外力做功為－2W
C．從第5秒末到第7秒末合外力做功為W
D．從第3秒末到第4秒末合外力做功為－0.75W
答案 CD
解析 設(shè)物體的最大速度為v，則W＝mv2，W13＝mv32－mv12＝0
W35＝mv52－mv32＝－W，W57＝mv72－mv52＝W，W34＝mv42－mv32＝m(v)2－mv2＝－0.75W
10．(多選)某實(shí)驗(yàn)小組成功地完成了探究功與速度變化及動(dòng)能變化的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)，下列反映的關(guān)系中可能正確的是( )
答案 BCD
解析 由動(dòng)能定理可知，W＝mv22－mv12＝ΔEk≠mΔv2，A錯(cuò)誤，B正確；若v1＝0，則W＝mv22，C、D正確．
二、非選擇題
11．(探究恒力做功與物體動(dòng)能變化的關(guān)系)質(zhì)量為1 kg的重物自由下落，通過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上記錄運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所接電源為6 V、50 Hz的交流電源．如圖5所示，紙帶上O點(diǎn)為重物自由下落時(shí)紙帶打點(diǎn)的起點(diǎn)，選取的計(jì)數(shù)點(diǎn)A、B、C、D、E、F、G依次間隔一個(gè)點(diǎn)(圖中未畫(huà)出)，紙帶上的數(shù)據(jù)表示各計(jì)數(shù)點(diǎn)與O點(diǎn)間的距離．
圖5
(1)求出B、C、D、E、F各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的速度并填入下表．(結(jié)果均保留小數(shù)點(diǎn)后兩位)
計(jì)數(shù)點(diǎn)
B
C
D
E
F
速度/(m·s－1)
(2)求出物體下落時(shí)從O點(diǎn)到B、C、D、E、F各點(diǎn)過(guò)程中重力所做的功，并填入下表．(結(jié)果均保留小數(shù)點(diǎn)后兩位)
計(jì)數(shù)點(diǎn)
B
C
D
E
F
功/J
(3)適當(dāng)選擇坐標(biāo)軸，在圖6中作出重物重力做的功與重物速度的平方之間的關(guān)系圖像．圖中縱坐標(biāo)表示________，橫坐標(biāo)表示________，由圖可得重力所做的功與________成________關(guān)系．(g取9.8 m/s2)
圖6
答案 見(jiàn)解析
解析 (1)由題意知
vB＝＝ m/s≈1.18 m/s，
同理vC≈1.57 m/s，vD≈1.96 m/s，
vE≈2.35 m/s，vF≈2.74 m/s.
(2)重力做的功
WB＝mg·OB＝1×9.8×70.6×10－3 J≈0.69 J，
同理WC≈1.23 J，WD≈1.92 J，WE≈2.76 J，
WF≈3.76 J.
(3)WGv2圖像如圖所示．圖中縱坐標(biāo)表示重力做的功WG，橫坐標(biāo)表示物體速度的平方v2，由圖可得重力所做的功與物體速度的平方成正比．
12．(探究恒力做功與物體動(dòng)能變化的關(guān)系)如圖7甲所示是某同學(xué)驗(yàn)證動(dòng)能定理的實(shí)驗(yàn)裝置．
圖7
其步驟如下：
a．易拉罐內(nèi)盛上適量細(xì)沙，用輕繩通過(guò)滑輪連接在小車(chē)上，小車(chē)連接紙帶．合理調(diào)整木板傾角，讓小車(chē)沿木板勻速下滑．
b．取下輕繩和易拉罐，測(cè)出易拉罐和細(xì)沙的質(zhì)量m及小車(chē)質(zhì)量M.
c．取下細(xì)繩和易拉罐后，換一條紙帶，讓小車(chē)由靜止釋放，打出的紙帶如圖乙(中間部分未畫(huà)出)，O為打下的第一點(diǎn)．已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的打點(diǎn)頻率為f，重力加速度為g.
(1)步驟c中小車(chē)所受的合外力為_(kāi)_______．
(2)為驗(yàn)證從O→C過(guò)程中小車(chē)所受合外力做功與小車(chē)動(dòng)能變化的關(guān)系，測(cè)出B、D間的距離為s0，O、C間距離為s1，則C點(diǎn)的速度為_(kāi)_____．需要驗(yàn)證的關(guān)系式為_(kāi)__________．
答案 (1)mg (2) mgs1＝
解析 (2)vC＝＝＝，此過(guò)程中合外力做功為mgs1，小車(chē)動(dòng)能的變化為MC2＝，則需要驗(yàn)證的關(guān)系式為mgs1＝.
13
3.2.1 研究功與功率(一)
[學(xué)習(xí)目標(biāo)] 1.理解功的概念，知道做功的兩個(gè)因素.2.明確功是標(biāo)量，會(huì)用功的公式進(jìn)行計(jì)算.3.理解正功、負(fù)功的含義.4.會(huì)計(jì)算變力做功，會(huì)計(jì)算多個(gè)力的總功．
一、功
1．公式：W＝Fscos α，其中F、s、α分別為力的大小、位移的大小、力與位移方向的夾角．即力對(duì)物體所做的功，等于力的大小、位移的大小、力與位移夾角的余弦這三者的乘積．
2．單位：國(guó)際單位制中，功的單位是焦耳，符號(hào)是J.
二、正功和負(fù)功
1．力對(duì)物體做正功和負(fù)功的條件
由W＝Fscos α可知
(1)當(dāng)0≤α<時(shí)，W>0，力對(duì)物體做正功；
(2)當(dāng)<α≤π時(shí)，W<0，力對(duì)物體做負(fù)功，或稱物體克服這個(gè)力做功；
(3)當(dāng)α＝時(shí)，W＝0，力對(duì)物體不做功．
2．做功與動(dòng)能變化的關(guān)系
力對(duì)物體做正功時(shí)，物體的動(dòng)能增加；力對(duì)物體做負(fù)功時(shí)，物體的動(dòng)能減少；力對(duì)物體做多少功，物體的動(dòng)能就變化多少．
3．計(jì)算變力做功
如圖1所示，F(xiàn)－s圖像下方從s1到s2的面積，就是變力F在s＝s2－s1段內(nèi)做的功．
圖1
[即學(xué)即用]
1．判斷下列說(shuō)法的正誤．
(1)公式W＝Fscos α中的s是物體運(yùn)動(dòng)的路程．(×)
(2)物體只要受力且運(yùn)動(dòng)，該力就一定做功．(×)
(3)功有正負(fù)之分，所以功是矢量．(×)
(4)一個(gè)力對(duì)物體做了負(fù)功，則說(shuō)明這個(gè)力一定阻礙物體的運(yùn)動(dòng)．(√)
2.如圖2所示，靜止在光滑水平面上的物體，在與水平方向成60°角斜向上的力F作用下運(yùn)動(dòng)10 m，已知F＝10 N，則拉力F所做的功是________J.
圖2
答案 50
一、對(duì)功的理解
[導(dǎo)學(xué)探究]
1．觀察圖3，分析圖中的哪個(gè)人對(duì)物體做了功？
圖3
答案 小川拉重物上升的過(guò)程，小川對(duì)重物做了功，其他三人都沒(méi)有做功．
2．如圖4所示，物體在與水平方向夾角為α的力F的作用下前進(jìn)了s，則力F對(duì)物體做的功如何表示？
圖4
答案 如圖把力F沿水平方向和豎直方向進(jìn)行正交分解，物體在豎直方向上沒(méi)有發(fā)生位移，豎直方向的分力沒(méi)有對(duì)物體做功，水平方向的分力Fcos α所做的功為Fscos α，所以力F對(duì)物體所做的功為Fscos α.
[知識(shí)深化] 對(duì)公式W＝Fscos α的理解
1．恒力F對(duì)物體做的功，只與F、s、α有關(guān)，與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及物體是否還受其他作用力等因素?zé)o關(guān)．
2．計(jì)算力F的功時(shí)要特別注意，F(xiàn)與s必須具有同時(shí)性，即s必須是力F作用過(guò)程中物體發(fā)生的位移．
3．功是標(biāo)量，沒(méi)有方向，但是有正負(fù)．
4．公式W＝Fscos α適用于計(jì)算恒力做功，若是變力，此公式不再適用．
例1 如圖5所示，坐在雪橇上的人與雪橇的總質(zhì)量為m，在與水平地面成θ角的恒定拉力F作用下，沿水平地面向右移動(dòng)了一段距離s.已知雪橇與地面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ，重力加速度為g，則雪橇受到的( )
圖5
A．支持力做功為mgs
B．重力做功為mgs
C．拉力做功為Fscos θ
D．滑動(dòng)摩擦力做功為－μmgs
答案 C
解析 支持力和重力與位移垂直，不做功，A、B錯(cuò)誤；拉力和摩擦力做功分別為W1＝Fscos θ，W2＝－μ(mg－Fsin θ)s，C正確，D錯(cuò)誤．
二、正負(fù)功的判斷
[導(dǎo)學(xué)探究] 某物體在力F作用下水平向右運(yùn)動(dòng)的位移為s，拉力的方向分別如圖6甲、乙所示，分別求兩種情況下拉力對(duì)物體做的功．
圖6
答案 Fs?。璅s
[知識(shí)深化]
1．正、負(fù)功的意義
功是標(biāo)量，只有正、負(fù)，沒(méi)有方向，功的正負(fù)不表示大小，只表示能量轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化的方向，即：動(dòng)力對(duì)物體做正功，使物體獲得能量，阻力對(duì)物體做負(fù)功(也可以說(shuō)，物體克服該力做功)，使物體失去能量．
2．判斷力是否做功及做功正負(fù)的方法
(1)根據(jù)力F的方向與位移s的方向間的夾角α——常用于恒力做功的情形．
(2)根據(jù)力F的方向與速度v的方向間的夾角α——常用于曲線運(yùn)動(dòng)的情形．
若α為銳角則做正功，若α為直角則不做功，若α為鈍角則做負(fù)功．
例2 (多選)質(zhì)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(dòng)了距離s，如圖7所示．物體相對(duì)斜面靜止，則下列說(shuō)法正確的是( )
圖7
A．重力對(duì)物體m做正功
B．合力對(duì)物體m做功為零
C．摩擦力對(duì)物體m做負(fù)功
D．支持力對(duì)物體m做正功
答案 BCD
解析 物體的受力和位移如圖所示．
支持力N與位移s的夾角α<90°，故支持力做正功，D選項(xiàng)正確；重力與位移垂直，故重力不做功，A選項(xiàng)錯(cuò)誤；摩擦力f與位移s的夾角大于90°，故摩擦力做負(fù)功，C選項(xiàng)正確；物體做勻速運(yùn)動(dòng)，所受合力為零，合力不做功，故B選項(xiàng)正確．
三、總功的計(jì)算
當(dāng)物體在多個(gè)力的共同作用下發(fā)生一段位移時(shí)，合力對(duì)物體所做的功等于各分力對(duì)物體做功的代數(shù)和．故計(jì)算合力的功有以下兩種方法．
(1)先由W＝Fscos α計(jì)算各個(gè)力對(duì)物體所做的功W1、W2、W3……然后求所有力做功的代數(shù)和，即W合＝W1＋W2＋W3＋….
(2)先由力的合成或根據(jù)牛頓第二定律求出合力F合，然后由W合＝F合scos α計(jì)算總功，此時(shí)α為F合的方向與s的方向間的夾角．
注意：當(dāng)在一個(gè)過(guò)程中，幾個(gè)力作用的位移不相同時(shí)，只能用方法(1)．
例3 如圖8所示，一個(gè)質(zhì)量為m＝2 kg的物體，受到與水平方向成37°角斜向上方的力F＝10 N作用，在水平地面上從靜止開(kāi)始向右移動(dòng)的距離為s＝2 m，已知物體和地面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為0.3，g取10 m/s2，求外力對(duì)物體所做的總功．(cos 37°＝0.8，sin 37°＝0.6)
圖8
答案 7.6 J
解析 物體受到的摩擦力為：
f＝μN(yùn)＝μ(mg－Fsin 37°)
＝0.3×(2×10－10×0.6)N＝4.2 N
解法1：先求各力的功，再求總功．
拉力F對(duì)物體所做的功為：
W1＝Fscos 37°＝10×2×0.8 J＝16 J
摩擦力f對(duì)物體所做的功為：
W2＝fscos 180°＝－4.2×2 J＝－8.4 J
由于重力、支持力對(duì)物體不做功，故外力對(duì)物體所做的總功W等于W1和W2的代數(shù)和，即W＝W1＋W2＝7.6 J.
解法2：先求合力，再求總功．
物體受到的合力為：
F合＝Fcos 37°－f＝3.8 N，
所以W＝F合s＝3.8×2 J＝7.6 J.
四、變力做功問(wèn)題分析
例4 新中國(guó)成立前后，機(jī)械化生產(chǎn)水平較低，人們經(jīng)常通過(guò)“驢拉磨”的方式把糧食顆粒加工成粗面來(lái)食用，如圖9所示，假設(shè)驢拉磨的平均作用力為F，運(yùn)動(dòng)的半徑為R，那么怎樣求驢拉磨轉(zhuǎn)動(dòng)一周所做的功？
圖9
答案 2πRF
解析 把圓周分成無(wú)數(shù)段小微元段，每一小段可近似看成直線，從而拉力在每一小段上方向不變，每一小段上可用恒力做功的公式計(jì)算，然后各段累加起來(lái)，便可求得結(jié)果．如圖所示，把圓周分成s1、s2、s3、…、sn微元段，拉力在每一段上為恒力，則在每一段上做的功W1＝Fs1，W2＝Fs2，W3＝Fs3，…，Wn＝Fsn，拉力在一個(gè)圓周內(nèi)所做的功W＝W1＋W2＋W3＋…＋Wn＝F(s1＋s2＋s3＋…＋sn)＝F·2πR.所以驢拉磨轉(zhuǎn)動(dòng)一周，拉力做功為2πRF.
例5 如圖10所示，輕彈簧一端與豎直墻壁相連，另一端與一質(zhì)量為m的木塊相連，放在光滑的水平面上，彈簧的勁度系數(shù)為k，彈簧處于自然狀態(tài)，用水平力F緩慢拉木塊，使木塊前進(jìn)l，求這一過(guò)程中拉力對(duì)木塊做了多少功．
圖10
答案 kl2
解析 解法一 緩慢拉動(dòng)木塊，可認(rèn)為木塊處于平衡狀態(tài)，故拉力大小等于彈力大小，即F＝ks.
因該力與位移成正比，故可用平均力＝求功．
當(dāng)s＝l時(shí)，W＝·l＝kl2
解法二 畫(huà)出力F隨位移s的變化圖像．
當(dāng)位移為l時(shí)，F(xiàn)＝kl，由于力F做功的大小與圖像中陰影的面積相等，
則W＝(kl)·l＝kl2
1．平均值法：若力的方向不變，大小隨位移均勻變化，則可用力的平均值乘以位移．
2．圖像法：如圖11所示，變力做的功W可用 F－s圖線與s軸所圍成的面積表示．s軸上方的面積表示力對(duì)物體做正功的多少，s軸下方的面積表示力對(duì)物體做負(fù)功的多少．
圖11
3．分段法(或微元法)：當(dāng)力的大小不變，力的方向時(shí)刻與速度同向(或反向)時(shí)，把物體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程分為很多小段，這樣每一小段可以看成直線，先求力在每一小段上的功，再求和即可，力做的總功W＝Fs路或W＝－Fs路．空氣阻力和滑動(dòng)摩擦力做功可以寫(xiě)成力與路程的乘積就是這個(gè)原理．
4．等效替代法：若某一變力做的功與某一恒力做的功相等，則可以用求得的恒力做的功來(lái)替代變力做的功．比如：通過(guò)滑輪拉動(dòng)物體時(shí)，可將人做的功轉(zhuǎn)化為繩的拉力對(duì)物體做的功，或者將繩的拉力對(duì)物體所做的功轉(zhuǎn)換為人的拉力對(duì)繩做的功.
1．(對(duì)功的理解)(多選)下列說(shuō)法中正確的是( )
A．功是矢量，正負(fù)表示其方向
B．功是標(biāo)量，正負(fù)表示的是外力對(duì)物體做功還是物體克服外力做功
C．力對(duì)物體做正功還是做負(fù)功取決于力和位移的方向關(guān)系
D．力對(duì)物體做的功總是在某過(guò)程中完成的，所以功是一個(gè)過(guò)程量
答案 BCD
解析 功是標(biāo)量，正負(fù)表示的是外力對(duì)物體做功還是物體克服外力做功，A錯(cuò)誤，B正確；力對(duì)物體做正功還是做負(fù)功取決于力和位移的方向關(guān)系，故C正確；有力作用在物體上，物體在力的方向上移動(dòng)了距離，力對(duì)物體做的功總是在某過(guò)程中完成的，所以功是一個(gè)過(guò)程量，故D正確．
2．(正負(fù)功的判斷)(多選)如圖12所示，人站在臺(tái)階式自動(dòng)扶梯上不動(dòng)，隨扶梯向上勻速運(yùn)動(dòng)，下列說(shuō)法中正確的是( )
圖12
A．重力對(duì)人做負(fù)功
B．摩擦力對(duì)人做正功
C．支持力對(duì)人做正功
D．合力對(duì)人做功為零
答案 ACD
解析 因?yàn)槿藙蛩傧蛏线\(yùn)動(dòng)，所以只受重力和支持力，且二力平衡，不受摩擦力，B錯(cuò)誤．重力方向和運(yùn)動(dòng)方向夾角大于90°，重力做負(fù)功，A正確．支持力方向和運(yùn)動(dòng)方向夾角小于90°，支持力做正功，C正確．合力為零，因此總功一定為零，D正確．
【考點(diǎn)】對(duì)功的正負(fù)的理解及判斷
【題點(diǎn)】對(duì)正負(fù)功的判斷
3．(變力做功的計(jì)算)如圖13甲所示，靜止在光滑水平面上坐標(biāo)原點(diǎn)處的小物塊，在水平拉力F的作用下，沿s軸方向運(yùn)動(dòng)，拉力F隨物塊所在位置坐標(biāo)s的變化關(guān)系如圖乙所示，圖線為半圓弧，則小物塊運(yùn)動(dòng)到s0處拉力做的功為( )
圖13
A．0 B.F0s0
C.F0s0 D.F0s0
答案 D
解析 圖線與位移軸(s軸)圍成的面積即為F做的功，由圖線可知，半圓的半徑為R＝F0＝，則W＝S＝＝·F0·＝F0s0，則D項(xiàng)正確，A、B、C項(xiàng)錯(cuò)誤．
4．(總功的計(jì)算)如圖14所示，平行于斜面向上的拉力F使質(zhì)量為m的物體勻加速地沿著長(zhǎng)為L(zhǎng)、傾角為α的斜面的一端向上滑到另一端，物體與斜面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ.求作用在物體上的各力對(duì)物體所做的總功．
圖14
答案 FL－mgLsin α－μmgLcos α
解析 選物體為研究對(duì)象，其受力如圖所示：
解法一：拉力F對(duì)物體所做的功為：WF＝FL.
重力mg對(duì)物體所做的功為：WG＝mgLcos(90°＋α)＝－mgLsin α.
摩擦力對(duì)物體所做的功為：Wf＝fLcos 180°＝－fL＝－μmgLcos α.
支持力N對(duì)物體所做的功為：WN＝NLcos 90°＝0.
故各力的總功為：W＝WF＋WG＋Wf＋WN＝FL－mgLsin α－μmgLcos α
解法二：物體受到的合力為：F合＝F－mgsin α－f＝F－mgsin α－μmgcos α
所以合力做的功為：W＝F合L＝FL－mgLsin α－μmgLcos α.
一、選擇題
考點(diǎn)一 功的概念的理解及正負(fù)功的判斷
1．下列選項(xiàng)所示的四幅圖是小華提包回家的情景，其中小華提包的力不做功的是( )
答案 B
【考點(diǎn)】對(duì)功的理解及是否做功的判斷
【題點(diǎn)】力是否做功的判斷
2.如圖1所示，在皮帶傳送裝置中，皮帶把物體P勻速送至高處，在此過(guò)程中，下列說(shuō)法正確的是( )
圖1
A．摩擦力對(duì)物體做正功
B．摩擦力對(duì)物體做負(fù)功
C．支持力對(duì)物體做正功
D．合外力對(duì)物體做正功
答案 A
解析 摩擦力方向平行皮帶向上，與物體運(yùn)動(dòng)方向相同，故摩擦力對(duì)物體做正功，A對(duì)，B錯(cuò)；支持力始終垂直速度方向，不做功，C錯(cuò)；合力為零，不做功，D錯(cuò)．
【考點(diǎn)】對(duì)功的正負(fù)的理解及判斷
【題點(diǎn)】對(duì)正負(fù)功的判斷
3．一人乘電梯從1樓到20樓，在此過(guò)程中經(jīng)歷了先加速，再勻速，最后減速的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，則電梯對(duì)人的支持力做功的情況是( )
A．加速時(shí)做正功，勻速時(shí)不做功，減速時(shí)做負(fù)功
B．加速時(shí)做正功，勻速和減速時(shí)做負(fù)功
C．加速和勻速時(shí)做正功，減速時(shí)做負(fù)功
D．始終做正功
答案 D
解析 在加速、勻速、減速的過(guò)程中，支持力與人的位移方向始終相同，所以支持力始終對(duì)人做正功，故D正確．
【考點(diǎn)】對(duì)功的正負(fù)的理解及判斷
【題點(diǎn)】對(duì)正負(fù)功的判斷
考點(diǎn)二 功的計(jì)算
4．如圖所示，力F大小相等，A、B、C、D選項(xiàng)中物體沿水平面運(yùn)動(dòng)的位移s也相同，哪種情況F做功最少( )
答案 D
解析 A選項(xiàng)中，拉力做功W＝Fs；B選項(xiàng)中，拉力做功W＝Fscos 30°＝Fs；C選項(xiàng)中，拉力做功W＝Fscos 30°＝Fs；D選項(xiàng)中，拉力做功W＝Fscos 60°＝Fs，故D選項(xiàng)中拉力F做功最少．
【考點(diǎn)】恒力做功的計(jì)算
【題點(diǎn)】單個(gè)力做功的計(jì)算
5.如圖2所示，質(zhì)量為m的物體A靜止在傾角為θ的斜面體B上，斜面體B的質(zhì)量為M.現(xiàn)對(duì)該斜面體B施加一個(gè)水平向左的推力F，使物體A隨斜面體B一起沿水平方向向左勻速運(yùn)動(dòng)，物體A與斜面體B始終保持相對(duì)靜止，當(dāng)移動(dòng)的距離為s時(shí)，斜面體B對(duì)物體A所做的功為( )
圖2
A．Fs B．mgssin θ·cos θ
C．mgssin θ D．0
答案 D
解析 對(duì)物體A進(jìn)行受力分析，其受到重力mg、支持力N、靜摩擦力f，如圖所示，由于物體A做勻速運(yùn)動(dòng)，所以支持力N與靜摩擦力f的合力即斜面體B對(duì)物體A的作用力，方向豎直向上，而位移方向水平向左，斜面體B對(duì)物體A的作用力的方向與位移方向垂直，斜面體B對(duì)物體A所做的功為0，D正確．
【考點(diǎn)】恒力做功的計(jì)算
【題點(diǎn)】合力做功或外力做功之和的計(jì)算
6．起重機(jī)以1 m/s2的加速度將質(zhì)量為1 000 kg的貨物由靜止勻加速向上提升，若g取10 m/s2，則在第1 s內(nèi)起重機(jī)對(duì)貨物所做的功是( )
A．500 J B．4 500 J
C．6 000 J D．5 500 J
答案 D
解析 對(duì)貨物受力分析，由于是勻加速上升，根據(jù)牛頓第二定律F－mg＝ma，可計(jì)算出起重機(jī)對(duì)貨物的拉力F＝11 000 N，位移s＝at2＝0.5 m．則在第1 s內(nèi)起重機(jī)對(duì)貨物所做的功W＝Fscos α＝11 000×0.5×1 J＝5 500 J，D正確．
【考點(diǎn)】恒力做功的計(jì)算
【題點(diǎn)】單個(gè)力做功的計(jì)算
7.如圖3所示，同一物體分別沿斜面AD和BD自頂點(diǎn)由靜止開(kāi)始下滑，該物體與兩斜面間的動(dòng)摩擦因數(shù)相同．在滑行過(guò)程中克服摩擦力做的功分別為WA和WB，則( )
圖3
A．WA>WB B．WA＝WB
C．WA
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