高中物理人教版 (2019)必修 第二册3 动能和动能定理优质课件ppt

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流动的空气具有动能，台风、龙卷风可以拔起大树、掀翻车辆；流动的水具有动能，可以推动水磨、冲击水轮发电机发电；飞行的子弹具有动能，可以射穿物体……那么物体的动能与哪些因素有关呢？怎样定量地表示物体动量的大小呢？
知识点 动能的表达式
问题1：设物体的质量为m，在与运动方向相同的未知恒定外力F的作用下在光滑水平面上发生一段位移L，速度由v1增加到v2，试用牛顿运动定律和运动学公式，推导出力F对物体做功与物体动能的关系式。
在整个过程中力F合所做的功 W = F合l (1)
根据牛顿第二定律： F合= m a (2)
根据运动学公式： v22- v12=2al
即： l= v22- v12/2a (3)
把（2）（3）两式代入（1）式
W = m a( v22- v12)/2a
也就是：W = m( v22- v12)/2
W = m v22/2- m v12/2
1.定义:动能是由于物体运动而具有的能量。2.表达式:Ek= ,式中v是瞬时速度。3.单位:在国际单位制中,动能的单位是焦耳,符号是 J。4.矢标性:动能是一个标量,还是一个状态量。
对动能及动能变化的理解
1.动能的特性(1)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。(2)状态量:动能是表征物体运动状态的物理量,与物体的运动状态(或某一时刻的速度)相对应。(3)标量性:只有大小,没有方向;只有正值,没有负值。
【例】(多选)关于动能的理解,下列说法正确的是(　　)A.凡是运动的物体都具有动能B.重力势能可以为负值,动能也可以为负值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,一定处于平衡状态
解析：动能是物体由于运动而具有的能量,所以运动的物体都具有动能,A正确;动能不可能为负值,故B错误;由于速度为矢量,当方向变化时,若其速度大小不变,则动能并不改变,故C正确;做匀速圆周运动的物体动能不变,但并不处于平衡状态,D错误。答案：AC
知识点 动能定理
(1)内容:力在一个过程中对物体所做的功,等于物体在这个过程中动能的变化。其中:①Ek2表示物体的末动能;②Ek1表示物体的初动能;③W表示合力做的功,或说是物体所受所有外力对物体做功的代数和。(3)适用范围:动能定理既适用于恒力做功,也适用于变力做功,既适用于直线运动,也适用于曲线运动,应用非常广泛。
1.表达式的理解(1)公式W=Ek2-Ek1中W是合外力做的功,不是某个力做的功,W可能是正功,也可能是负功。(2)Ek2、Ek1分别是末动能和初动能,Ek2可能大于Ek1,也可能小于Ek1。
3.动能定理公式中等号的意义(1)等值关系:某物体的动能变化量总等于合力对它做的功。(2)单位相同:国际单位都是焦耳。(3)因果关系:合力对物体做功是引起物体动能变化的原因,合外力做功的过程实质上是其他形式的能与动能相互转化的过程,转化了多少由合外力做了多少功来度量。
4.适用范围动能定理应用广泛,直线运动、曲线运动、恒力做功、变力做功、同时做功、分段做功等各种情况均适用。
【例】 下列关于运动物体所受的合力、合力做功和动能变化的关系,正确的是(　　)A.如果物体所受的合力为零,那么合力对物体做的功一定为零B.如果合力对物体做的功为零,则合力一定为零C.物体在合力作用下做匀变速直线运动,则动能在一段过程中变化量一定不为零D.如果物体的动能不发生变化,则物体所受合力一定是零
解析：功是力与物体在力的方向上发生的位移的乘积,如果物体所受的合力为零,那么合力对物体做的功一定为零,A正确;如果合力对物体做的功为零,可能是合力不为零,而是物体在合力的方向上的位移为零,B错误;竖直上抛运动是一种匀变速直线运动,在物体上升和下降阶段经过同一位置时动能相等,动能在这段过程中变化量为零,C错误;动能不变化,只能说明速度大小不变,但速度方向有可能变化,因此合力不一定为零,D错误。答案：A
1.应用动能定理解题的步骤
2.注意事项(1)动能定理的研究对象可以是单一物体,或者是可以看作一物体的物体系统。(2)动能定理是求解物体的位移或速率的简捷公式。当题目涉及位移和速度而不涉及时间时可优先考虑动能定理;处理曲线运动中的速率问题时也要优先考虑动能定理。
(3)若过程包含了几个运动性质不同的分过程,既可分段考虑也可整个过程考虑。但求功时,有些力不是全过程都做功,必须根据不同的情况分别对待求出总功。(4)应用动能定理时,必须明确各力做功的正、负。当一个力做负功时,可设物体克服该力做功为W,将该力做功表达为-W,也可以直接用字母W表示该力做功,使其字母本身含有负号。
【例】如图所示,一只20 kg的狗拉着一个80 kg的雪橇以3 m/s的速度冲上坡度为θ的斜坡。已知sin θ= ,斜坡对雪橇的摩擦阻力恒为20 N,狗拉雪橇上坡时的加速度为0.2 m/s2,经过10 s拉雪橇的套绳突然断开,雪橇刚好能冲上坡顶。求斜坡长。(g取10 m/s2)
动能定理在多过程中的应用
1.对于多个物理过程要仔细分析,将复杂的过程分割成一个一个子过程,分别对每个过程分析,得出每个过程遵循的规律。当每个过程都可以运用动能定理时,可以选择分段或全程应用动能定理,题目不涉及中间量时,选择全程应用动能定理更简单、方便。
2.应用全程法解题求功时,有些力可能不是全过程都作用的,必须根据不同的情况分别对待,弄清楚物体所受的力在哪段位移上做功,哪些力做功,做正功还是负功,正确写出总功。
3.运用动能定理只需要从力在整个位移内做的功和这段位移始末两状态动能变化去考虑,无须注意其中运动状态变化的细节,同时动能和功都是标量,无方向性,所以无论是直线运动或曲线运动,运用动能定理去分析,都会比较简单。
【例】 如图是跳水运动员在跳台上腾空而起的姿态。跳台距水面高度为h1=10 m,此时他恰好到达最高位置,估计此时他的重心离跳台台面的高度为Δh=1 m。当他下降到手触及水面时要伸直双臂做一个翻掌压水花的动作,这时他的重心离水面也是Δh=1 m,运动员的质量m=50 kg,g取10 m/s2,求:(1)从最高点到手触及水面的过程中,其运动可以看作是自由落体运动,他在空中完成一系列动作可利用的时间为多长?(2)忽略运动员进入水面过程中受力的变化,入水之后,他的重心能下沉到离水面h2=2.5 m处,试估算水对他的平均阻力。
解析：(1)由题意知,这段时间运动员重心下降高度h=10 m,(2)整个过程运动员重心下降高度为h1+Δh+h2=13.5 m,设水对他的平均阻力为Ff,根据动能定理有mg(h1+Δh+h2)-Ffh2=0,整理并代入数据得Ff=2 700 N。答案：(1)1.4 s　(2)2 700 N
牛顿定律解题和动能定理解题的比较
应用动能定理的优越性(1)物体由初始状态到末状态的过程中,物体的运动性质、运动轨迹、做功的力是变力还是恒力等诸多因素都可以不予考虑,使分析简化。(2)应用牛顿运动定律和运动学规律时,涉及的有关物理量比较多,对运动过程中的细节也要仔细研究,而应用动能定理只考虑合外力做功和初、末两个状态的动能,并且可以把不同的运动过程合并为一个全过程来处理。
应用动能定理的优越性(3)一般情况下,由牛顿运动定律和运动学规律能够求解的问题,用动能定理也可以求解,并且更为简捷。(4)牛顿定律解决的是瞬时问题,处理一些状态量之间的关系比较方便;动能定理将状态量的变化与过程相联系,在不需要关注具体过程的情况下是比较方便的。
【例】一架喷气式飞机,质量为m=5×103 kg,起飞过程中从静止开始滑行的路程为s=5.3×102 m时(做匀加速直线运动),达到起飞速度v=60 m/s。在此过程中飞机受到的平均阻力是飞机重力的k倍(k=0.02)。求飞机受到的牵引力。解析：解法一以飞机为研究对象,它受重力、支持力、牵引力和阻力作用。由牛顿第二定律得F-kmg=ma①又由运动学公式得v2-02=2ax②解①②式得
解法二以飞机为研究对象,它受到重力、支持力、牵引力和阻力作用,这四个力做的功分别为WG=0,W支=0,W牵=Fx,W阻=-kmgx。
答案：1.8×104 N
1．某同学用200 N的力将质量为0.44 kg的足球踢出,足球以10 m/s的初速度沿水平草坪滚出60 m后静止,则足球在水平草坪上滚动过程中克服阻力做的功是 (　　)A.4.4 J B.22 JC.132 J D.12 000 J
解析：根据动能定理得-Wf=0- mv2,得Wf=22 J。答案：B
2．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,如图所示。如果由于摩擦使木块的运动速率保持不变,则以下叙述正确的是 (　　)A.木块所受的合外力为零B.因木块所受的力都不对其做功,所以合外力做的功为零C.重力和摩擦力的合力做的功为零D.重力和摩擦力的合力为零
解析：物体做曲线运动,速度方向变化,加速度不为零,故合外力不为零,选项A错误;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,选项C正确,选项B、D错误。答案：C
3．某消防队员从一平台跳下,下落2 m后,双脚触地,接着他用双腿弯曲的方法缓冲,使自身重心又下降了0.5 m,在着地的过程中,地面对他双脚的平均作用力估计为(　　)A.自身所受重力的2倍B.自身所受重力的5倍C.自身所受重力的8倍D.自身所受重力的10倍
解析：消防队员下落至重心下降到最低,重力做功WG=mg(h+Δh),地面对队员的作用力做功WF=FΔh,由动能定理WG-WF=0,代入数值解得F=5mg。答案：B