2017_2018學(xué)年高中物理第3章動能的變化與機械功教學(xué)案（打包6套）滬科版.zip,2017,_2018,學(xué)年,高中物理,章動,變化,機械功,教學(xué),打包,滬科版 3.1　探究動能變化跟做功的關(guān)系 [學(xué)習(xí)目標(biāo)]　1.理解動能的概念，會根據(jù)動能的表達式計算物體的動能.2.能從牛頓第二定律與運動學(xué)公式導(dǎo)出動能定理，理解動能定理的物理意義.3.能應(yīng)用動能定理解決簡單的問題. 4.掌握探究恒力做功與物體動能變化的實驗方法. 一、動能、動能定理 1.動能 (1)定義：物理學(xué)中把mv2叫做物體的動能. (2)表達式：Ek＝mv2. ①表達式中的速度是瞬時速度. ②動能是標(biāo)量(填“標(biāo)量”或“矢量”)，是狀態(tài)(填“過程”或“狀態(tài)”)量. (3)單位：動能的國際單位是焦耳，簡稱焦，用符號J表示. 2.動能定理 (1)內(nèi)容：外力對物體所做的功等于物體動能的增量. (2)表達式：W＝ΔEk. (3)說明：ΔEk＝Ek2－Ek1.Ek2為物體的末動能，Ek1為物體的初動能. 二、恒力做功與物體動能變化的關(guān)系 1.設(shè)計實驗(如圖1)： 圖1 所使用的器材有：氣墊導(dǎo)軌、滑塊、光電門、計時器、氣源、刻度尺、細繩、鉤碼等. 2.制定計劃： (1)直接驗證：逐一比較力對物體所做的功與物體動能增量的大小之間的關(guān)系. (2)用圖像驗證：根據(jù)W＝mv2，由實驗數(shù)據(jù)作出W與v2及W與m的關(guān)系圖像. [即學(xué)即用] 1.判斷下列說法的正誤. (1)物體的動能大小與物體的質(zhì)量成正比，與物體的速度成正比.(×) (2)物體動能具有方向，與速度方向相同.(×) (3)合外力對物體做的功等于物體的末動能.(×) (4)合力對物體做正功，物體的動能可能減小.(×) (5)一定質(zhì)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.(√) 2.一個質(zhì)量為0.1 kg的球在光滑水平面上以5 m/s的速度勻速運動，與豎直墻壁碰撞以后以原速率被彈回，若以初速度方向為正方向，則小球碰墻前后速度的變化為 ，動能的變化為 . 答案?。?0 m/s　0 一、對動能和動能定理的理解 [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作用下運動，速度由v1增加到v2的過程通過的位移為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 由運動學(xué)公式a＝ 由此得Fs＝mv－mv. 2.從推導(dǎo)結(jié)果知，水平力F的功等于什么量的變化？這個量與物體的什么因素有關(guān)？ 答案　水平力F的功等于物體動能的變化，動能與物體的質(zhì)量和速度有關(guān). [知識深化] 1.對動能Ek＝mv2的理解 (1)動能是標(biāo)量，沒有負值，與物體的速度方向無關(guān). (2)動能是狀態(tài)量，具有瞬時性，與物體的運動狀態(tài)(或某一時刻的速度)相對應(yīng). (3)動能具有相對性，選取不同的參考系，物體的速度不同，動能也不同，一般以地面為參考系. (4)物體動能的變化量是末動能與初動能之差，即ΔEk＝mv－mv，若ΔEk>0，則表示物體的動能增加，若ΔEk<0，則表示物體的動能減少. 2.對動能定理W＝ΔEk的理解 (1)動能定理的實質(zhì) ①動能定理揭示了合外力對物體做功與物體動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，動能變化是果.動能的改變可由合外力做的功來度量. ②合外力對物體做了多少功，物體的動能就變化多少.合外力做正功，物體的動能增加；合外力做負功，物體的動能減少. (2)動能定理的適用范圍：動能定理是在物體受恒力作用且做直線運動的情況下得出的，對于外力是變力、物體做曲線運動、物體經(jīng)歷多過程的情況同樣適用. 例1　下列關(guān)于動能的說法正確的是(　　) A.兩個物體中，速度大的動能也大 B.某物體的速度加倍，它的動能也加倍 C.做勻速圓周運動的物體動能保持不變 D.某物體的動能保持不變，則速度一定不變 答案　C 解析　動能的表達式為Ek＝mv2，即物體的動能大小由質(zhì)量和速度大小共同決定，速度大的物體的動能不一定大，故A錯誤；速度加倍，它的動能變?yōu)樵瓉淼?倍，故B錯誤；速度只要大小保持不變，動能就不變，故C正確，D錯誤. 例2　在光滑水平面上，質(zhì)量為2 kg的物體以2 m/s的速度向東運動，若對它施加一向西的力使它停下來，則該外力對物體做的功是(　　) A.16 J B.8 J C.－4 J D.0 答案　C 解析　根據(jù)動能定理W＝mv－mv＝0－×2×22 J＝－4 J，選項C正確. 二、實驗探究：恒力做功與物體動能變化的關(guān)系 [導(dǎo)學(xué)探究]　觀察分別用如圖2甲、乙兩套實驗裝置探究恒力做功與物體動能變化的關(guān)系，思考下面問題： 圖2 以上兩套實驗操作有何不同之處？ 答案　甲圖用的是打點計時器 乙圖用的是光電門 [知識深化] 1.探究思路 探究恒力做功與物體動能變化的關(guān)系，需要測量不同的力在不同的過程中做的功和對應(yīng)的物體動能的變化量，這就需要測出物體的受力、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，其中比較難測量的是物體在各個位置的速度，可借助光電門較準(zhǔn)確地測出，也可借助紙帶和打點計時器來測量. 2.實驗設(shè)計 用氣墊導(dǎo)軌進行探究 裝置如圖2乙所示，所使用的器材有氣墊導(dǎo)軌、滑塊、計時器、氣源、刻度尺、細繩、鉤碼等. 3.實驗步驟 (1)用天平測出滑塊的質(zhì)量m. (2)按圖乙所示安裝實驗裝置. (3)平衡摩擦力，將氣墊導(dǎo)軌(或長木板)沒有滑輪的一端適當(dāng)抬高，輕推滑塊，使滑塊能做勻速運動. (4)讓滑塊通過細繩連接鉤碼(或小沙桶)，使鉤碼(或小沙桶)的質(zhì)量遠小于滑塊的質(zhì)量，滑塊在細線的拉力作用下做勻加速運動，由于鉤碼(或小沙桶)質(zhì)量很小，可以認為滑塊所受拉力F的大小等于鉤碼(或小沙桶)所受重力的大小. (5)釋放滑塊，滑塊在細繩的拉力作用下運動，用光電門(或打點計時器)記錄滑塊的運動情況，求出滑塊的速度v1和v2(若分析滑塊從靜止開始的運動，v1＝0)，并測出滑塊相應(yīng)的位移s. (6)驗證Fs＝mv－mv，在誤差允許范圍內(nèi)成立即可. 例3　某實驗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上，用不可伸長的細線將其通過一個定滑輪與鉤碼相連，用拉力傳感器記錄小車受到拉力的大小.在水平桌面上相距50.0 cm的A、B兩點各安裝一個速度傳感器，記錄小車通過A、B時的速度大小.小車中可以放置砝碼. 圖3 (1)實驗主要步驟如下： ①測量 和拉力傳感器的總質(zhì)量M1；把細線的一端固定在拉力傳感器上，另一端通過定滑輪與鉤碼相連；正確連接所需電路. ②將小車停在C點，接通電源， ，小車在細線拉動下運動，記錄細線拉力及小車通過A、B時的速度. ③在小車中增加砝碼，重復(fù)②的操作. (2)表1是他們測得的一組數(shù)據(jù)，其中M是M1與小車中砝碼質(zhì)量之和，|v－v|是兩個速度傳感器所記錄速度的平方差，可以據(jù)此計算出動能變化量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) 表1　數(shù)據(jù)記錄表 次數(shù) M/kg |v－v|/(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1在圖4中作出ΔEk－W圖線. 圖4 答案　(1)①小車?、谌缓筢尫判≤嚒?2)0.600　0.610　(3)如圖所示 1.(對動能定理的理解)有一質(zhì)量為m的木塊，從半徑為r的圓弧曲面上的a點滑向b點，如圖5所示.如果由于摩擦使木塊的運動速率保持不變，則以下敘述正確的是(　　) 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　木塊做曲線運動，速度方向變化，加速度不為零，故合外力不為零，A錯；速率不變，動能不變，由動能定理知，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，B、D錯. 2.(動能定理的簡單應(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，當(dāng)物體離拋出點高度h＝5 m處時的動能是多大？(g取10 m/s2) 答案　250 J 解析　mgh＝Ek－mv 得：Ek＝mgh＋mv＝250 J. 3.(探究恒力做功與物體動能變化的關(guān)系)質(zhì)量為1 kg的重物自由下落，通過打點計時器在紙帶上記錄運動的過程，打點計時器所接電源為6 V、50 Hz的交流電源.如圖6所示，紙帶上O點為重物自由下落時紙帶打點的起點，選取的計數(shù)點A、B、C、D、E、F、G依次間隔一個點(圖中未畫出)，紙帶上的數(shù)據(jù)表示各計數(shù)點與O點間的距離. 圖6 (1)求出B、C、D、E、F各點對應(yīng)的速度并填入下表. 計數(shù)點 B C D E F 速度/(m·s－1) (2)求出物體下落時從O點到B、C、D、E、F各點過程中重力所做的功，并填入下表. 計數(shù)點 B C D E F 功/J (3)適當(dāng)選擇坐標(biāo)軸，在圖7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7 答案　見解析 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)WG-v2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關(guān)系. 課時作業(yè) 一、選擇題(1～6題為單選題，7～10題為多選題) 1.下列關(guān)于運動物體的合外力做功和動能、速度變化的關(guān)系，正確的是(　　) A.物體做變速運動，合外力一定不為零，動能一定變化 B.若合外力對物體做功為零，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，物體做變速運動時，合外力一定不為零，但合外力不為零時，做功可能為零，動能可能不變，A、B錯誤.物體的合外力做功，它的動能一定變化，速度大小也一定變化，C正確.物體的動能不變，所受合外力做功一定為零，但合外力不一定為零，D錯誤. 2.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，假定人踢球瞬間對球的平均作用力是200 N，球在水平方向運動了40 m停止，那么人對球所做的功為(　　) 圖1 A.20 J B.50 J C.4 000 J D.8 000 J 答案　A 解析　由動能定理得，人對球做的功W＝mv2－0＝20 J，A正確. 3.一質(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，從某一時刻起，在滑塊上作用一向右的水平力，經(jīng)過一段時間，滑塊的速度方向變?yōu)橄蛴?，大小? m/s，在這段時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　由動能定理得WF＝mv－mv＝×2×42 J－×2×(－4)2 J＝0，故D正確. 4.質(zhì)量為2 kg的物體A以5 m/s的速度向北運動，另一個質(zhì)量為0.5 kg的物體B以10 m/s的速度向西運動，它們的動能分別為EkA和EkB，則(　　) A.EkA＝EkB B.EkA＞EkB C.EkA＜EkB D.因運動方向不同，無法比較動能 答案　A 解析　根據(jù)Ek＝mv2知，EkA＝25 J，EkB＝25 J，因動能是標(biāo)量，所以EkA＝EkB，A項正確. 5.物體在合外力作用下做直線運動的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，動能增加，由動能定理可知合外力做正功，A對.1～2 s內(nèi)，v減小，動能減小，合外力做負功，可見B、C、D錯. 6.如圖3所示，在水平桌面上的A點有一個質(zhì)量為m的物體以初速度v0被拋出，不計空氣阻力，當(dāng)它到達B點時，其動能為(　　) 圖3 A.mv＋mgH B.mv＋mgh C.mv－mgh D.mv＋mg(H—h) 答案　B 解析　由A到B，合外力對物體做的功W＝mgh，物體的動能變化ΔEk＝Ek－mv，根據(jù)動能定理得物體在B點的動能Ek＝mv＋mgh，B正確. 7.關(guān)于對動能的理解，下列說法正確的是(　　) A.動能是普遍存在的機械能的一種基本形式，凡是運動的物體都具有動能 B.動能總是正值，但對于不同的參考系，同一物體的動能大小是不同的 C.一定質(zhì)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 D.動能不變的物體，受力一定為零 答案　ABC 解析　動能是物體由于運動而具有的能量，所以運動的物體都有動能，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，若其速度大小不變，則動能不變，故C正確；做勻速圓周運動的物體動能不變，但物體受力并不為零，D錯誤. 8.一質(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動，與豎直墻壁碰撞后以原速率反彈，若以彈回的速度方向為正方向，則小球碰墻過程中的速度變化和動能變化分別是(　　) 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.而動能是標(biāo)量，初末兩狀態(tài)的速度大小相等，故動能相等，因此ΔEk＝0.選A、D. 9.物體沿直線運動的v－t圖像如圖4所示，已知在第1秒內(nèi)合外力對物體做的功為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＝mv－mv＝0 W35＝mv－mv＝－W，W57＝mv－mv＝W，W34＝mv－mv＝m(v)2－mv2＝－0.75W 10.某實驗小組成功地完成了探究功與速度變化及動能變化的關(guān)系的實驗，下列反映的關(guān)系中可能正確的是(　　) 答案　BCD 解析　由動能定理可知，W＝mv－mv＝ΔEk≠mΔv2，A錯誤，B正確；若v1＝0，則W＝mv，C、D正確. 二、非選擇題 11.為了探究“合力做功與速度變化的關(guān)系”，某學(xué)習(xí)小組在實驗室組裝了如圖5所示的裝置，備有下列器材：打點計時器所用的學(xué)生電源、導(dǎo)線、復(fù)寫紙、天平、細沙.他們稱得滑塊的質(zhì)量為M、沙和小桶的總質(zhì)量為m.當(dāng)滑塊連接上紙帶，讓細線跨過光滑滑輪并懸掛空的小桶時，滑塊處于靜止?fàn)顟B(tài).要完成該實驗，請回答下列問題： 圖5 (1)要完成本實驗，還缺少的實驗器材是 . (2)實驗時為保證滑塊受到的合力與沙、小桶的總重力大小基本相等，沙和小桶的總質(zhì)量應(yīng)滿足的實驗條件是 ，實驗時為保證細線拉力等于滑塊所受的合力，首先要做的步驟是 . (3)在滿足(2)問的條件下，讓小桶帶動滑塊加速運動，如圖6所示為打點計時器所打的紙帶的一部分，圖中A、B、C、D、E是按時間先后順序確定的計數(shù)點，相鄰計數(shù)點間的時間間隔為T，相鄰計數(shù)點間的距離已標(biāo)注在圖上，當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間，在B、D兩點間對滑塊進行研究，合力對滑塊做的功為 ，vB＝ ，vD＝ (用題中所給的代表數(shù)據(jù)的字母表示). 圖6 答案　(1)毫米刻度尺 (2)沙和小桶的總質(zhì)量遠小于滑塊的質(zhì)量　平衡摩擦力 (3)mg(s2＋s3)　　 12.如圖7甲所示是某同學(xué)驗證動能定理的實驗裝置. 圖7 其步驟如下： a.易拉罐內(nèi)盛上適量細沙，用輕繩通過滑輪連接在小車上，小車連接紙帶.合理調(diào)整木板傾角，讓小車沿木板勻速下滑. b.取下輕繩和易拉罐，測出易拉罐和細沙的質(zhì)量m及小車質(zhì)量M. c.取下細繩和易拉罐后，換一條紙帶，讓小車由靜止釋放，打出的紙帶如圖乙(中間部分未畫出)，O為打下的第一點.已知打點計時器的打點頻率為f，重力加速度為g. (1)步驟c中小車所受的合外力為 . (2)為驗證從O→C過程中小車合外力做功與小車動能變化的關(guān)系，測出B、D間的距離為s0，O、C間距離為s1，則C點的速度為 .需要驗證的關(guān)系式為 . 答案　(1)mg　(2)　mgs1＝ 解析　(2)vC＝＝＝，此過程中合外力做功為mgs1，小車動能的變化為Mv＝，則需要驗證的關(guān)系式為mgs1＝. 12