高中物理人教版 (新课标)必修27.动能和动能定理导学案
展开预习导学:
一、动能
1.动能:物体由于_______________而具有的能量叫动能,表达式______________。
2.动能表达式的推导:
如图所示,在光滑的水平面上,一质量为、初速度为的物体在水平拉力的作用下发生的位移为,末速度为
由牛顿第二定律: ①
由运动学公式有: ②
在这一过程中外力F所做的功为: ③
由①②③得:
研究上式可以发现:(1)式中的与相关,因而与动能相关,且与成正比;(2)始末两个状态的之差与功相等,即功是它的变化的量度,所以就是我们寻找的动能表达式。于是我们可以定义质量为的物体,以速度运动时的动能为:
。
3.关于动能,可以从以下四个方面来理解:
(1)动能具有相对性,参考系不同,速度就 ,所以动能也 。一般都以 做参考系。
(2)动能是状态量,是表征物体 的物理量,物体的运动状态一旦确定,物体的动能就被确定了。
(3)物体的动能仅与速度大小 ,而与速度的方向 。动能是 量,且恒为 值。
(4)有动能的表达式可知,动能的单位与功的单位相同,在国际单位制中都是 。
二、动能定理
1.动能定理的内容: 。
表达式: ,也可表示为 。
2.对动能定理的理解:
(1)物体受到几个力的作用时,它们做的功有正、负之分,总功指的是各力做功的 和;又因为,所以总功也可理解为 所做的功。
(2)动能定理中各项均为标量,因此速度方向的改变不会影响动能的大小。如匀速圆周运动过程中,合外力方向指向 ,与速度方向始终保持 ,所以合外力做功为 ,动能变化为 。
(3)动能的变化(量),又称为动能的增量,一般指 与 之差,用 表示。动能只有正值,没有负值,但动能的变化却有正有负。表示物体动能 , 表示物体动能 ,力对物体做负功。即总功的正、负与物体动能的增、减相对应。
(4)功是伴随一个物理过程而产生的,是过程量;而动能是状态量。动能定理表示了过程量等于状态量的改变量的关系。
(5)表达式中“=”的意义是一种因果关系在数值上相等的符号,它并不意味着功就是动能的增量,也不意味着功转变成了动能,而是意味着功引起动能的变化,即物体动能的变化是通过做功的过程实现的。
3.应用动能定理解题的基本步骤:
1.)选取研究对象;
2.)对研究对象进行受力分析;
3.)写出该过程中合外力所做的功,或分别写出各个力做的功(注意功的正、负),如果研究过程中受力有变化,要分别写出该力在各个阶段所做的功;
4.)分析运动过程,明确物体始、末状态的动能和。
5.)列出动能定理方程进行求解。
典型例题解析:
例1. 如图所示,在光滑的平台上有一质量为6kg的物体,开始处于静止状态,当人拉紧绳子以5m/s的速度匀速从B点运动到A点。已知OB=3m,AB=4m。求此过程中人对物体所做的功。
解析 ①确定研究对象为水平面上的物体;
②物体受到重力、平台的支持力、绳子的拉力;
③重力和平台的支持力都不对物体做功,绳子拉力对物体做正功(但绳子拉力大小未知);
④物体的速度由零增加到5m/s;
⑤根据W总=mv22/2-mv12/2列方程为
W总= W拉=mv22/2-mv12/2=6×(5×4/5)2/2-0=48J
答:此过程中人对物体所做的功为48J。
拓展 本题中绳子的拉力应为变力(可以根据速度分解原理自行证明,物体将做变速运动),通常情况下,计算变力做功时,一般多是用动能定理求。
例如:一质量为2kg的铅球从离地面2m高处自由下落,陷入砂坑中2cm深处,求砂子对铅球的平均阻力。[提示:直接对全过程应用动能定理:mg(H+h)-fh=0-0]
例2 .一列车的质量是5×105kg,在平直的轨道上以额定功率3000kW加速行驶,当速度由10m/s加速到可能达到的最大速率30m/s时,共用了3min,则在这段时间内列车前进的距离是多少?(假设地面及空气给汽车的阻力为恒力)
解析 ①确定研究对象为水平面上的汽车;
②汽车受到重力、地面的支持力、地面给的牵引力(静摩擦力);地面滚动摩擦力及空气给的滑动摩擦阻力总计为f(如图所示);
③地面给的牵引力对汽车做正功(但为变力做功);阻力f对汽车做负功,其余力均不做功;
④汽车的速度由10m/s增加到30m/s;
⑤根据W总=mv22/2-mv12/2列方程为Pt-fs=m(v22-v12)/2┄┄①
当列车达到最大速率时以vm匀速行驶,f =P/ vm=1×105N┄┄②,
代入数据得s=3400m┄┄③
拓展 涉及机车功率问题时,首先要区别是牵引力不变还是牵引力做功的功率不变,即要确定机车的运动模式,不同的模式,其运动规律是不同的,本例中由于列车功率不变,列车在做变加速度运动,因此不满足匀变速运动规律。本题的常见错误是认为列车的牵引力是恒力,从而应用牛顿第二定律求出加速度,在根据运动学公式求出列车运动的位移。或利用平均速度公式来计算位移。
例3.质量为m的物体在水平地面上以一定的初速度滑行,若物体与地面之间的动摩擦因数为μ,在开始阶段受到与初速同方向的水平推力F1作用前进S1位移,接着以同方向的水平推力F2作用进S2位移,然后撤除外力,物体再前进S3位移后停止。求物体的初速度v0。
解析 本题有三个物理过程,考虑到物体的受力情况,力的做功情况很清晰,可以用全过程的动能定理一次性处理。F1和F2均为动力做功,滑动摩擦力μmg为阻力做负功,各力做功的代数和等于物体动能的变化
F1S1+F2S2-μmg(S1+S2)=0-mv02/2┄┄①,
解得:
拓展 本题涉及的三个运动过程中,物体受到的合外力都是恒力,当然可以用牛顿运动来处理,但是应分成三个物理过程分段解答,至少应解六步才可得解,显然比较烦琐。而动能定理可以将全过程当作一个过程来处理,充分体现出它的优越性,学习过程中要善于选择合适的过程来处理问题。
例如:一钢球质量为m,自高度H处静止下落至一钢板上,与钢板碰撞后弹起,碰撞过程中无能量损失,若所受的空气阻力F的大小不变,求:①小球第一次下落至钢板时(尚未碰撞)的速度;②小球从开始下落到完全静止所通过的总路程。
巩固提高:
类型1:求恒力做功问题
例题1、物体的质量为m,放在一个光滑的水平面上,在一个与水平方向成角的恒力F的作用下做匀加速直线运动,物体发生的位移为s.在此过程中,恒力F对物体所做的功为 ,物体动能的变化量为 .
练习、1.A、B两物体放在光滑的水平面上,分别在相同的水平恒力作用下,由静止开始通过相同的位移,若A的质量大于B的质量,则在这一过程中:( )
A、A获得的动能大
B、B获得的动能大
C、A、B获得的动能一样大
D、无法比较谁获得的动能大
2.光滑水平桌面上有一物体在一水平恒力F作用下,速度由零增加到v和由v增加到2 v两阶段水平恒力F所做的功分别为W1和W2,则W1:W2为 ( )
A.1:1 B.1:2 C.1:3 D.1:4
类型2:求变力做功问题
例题2、一质量为m的小球,用长为l的轻绳悬挂于O点,小球在水平力F作用下,从平衡位置P很缓慢地移动到Q点,如图7-5-2所示,则力F所做的功为 ( )
A.mglcsθ B.mgl (1一csθ)
C.Flsinθ D.Fl(1一csθ)
练习1质量为20g的子弹,以300m/s的速度水平射入厚度是10mm的钢板,射穿后的速度是100m/s,子弹受到的平均阻力是多大?
2、一颗子弹速度为v时,刚好打穿一块钢板,那么速度为2v时,可打穿几块同样的钢板?要打穿n块同样的钢板,子弹速度应为多大?
类型3:求瞬间力做功问题
例题3、在20m高处,某人将2kg的铅球以15m/s的速度(水平)抛出,那么此人对铅球做的功是多少?
练习、 一人用力踢质量为1千克的皮球,使球由静止以10米/秒的速度飞出。假定人踢球瞬间对球平均作用力是200牛,球在水平方向运动了20米停止。那么人对球所做的功为( )
A.500焦 B.50焦 C.200焦D.4000焦
类型4:求两个过程问题
例题4、质量为m的钢球从离坑面高H的高处自由下落,钢球落入沙中,陷入h后静止,则沙坑对钢球的平均阻力F阻大小是多少?
练习1、在平直的公路上汽车由静止开始做匀加速运动,当速度达v1后立即关闭发动机让其滑行,直至停止,其v- t图像如图7-5-4所示.设运动的全过程中汽车牵引力做的功为W1,克服摩擦力.做的功为W2,那么W1 : W2应为 ( )
A.1∶1 B.1∶2 C.1∶3 D.1∶4
2、一质量为2kg的物体,在水平力F=30N的作用下,在光滑的水平面上移动了3m,然后这个水平力变为15N,物体又移动了2m.则物体增加的动能总共是多少?
课后作业:
1、下列说法中,正确的是( )
A.物体的动能不变,则其速度一定也不变
B.物体的速度不变,则其动能也不变
C.物体的动能不变,说明物体的运动状态没有改变
D.物体的动能不变,说明物体所受的合外力一定为零
2、一物体在水平方向的两个平衡力(均为恒力)作用下沿水平方向做匀速直线运动,若撤去一个水平力,则有( )
A.物体的动能可能减少 B.物体的动能可能不变
C.物体的动能可能增加 D.余下的一个力一定对物体做正功
3、在离地面一定高度处,以相同的动能,向各个方向抛出多个质量相同的小球,这些小球到达地面时,有相同的( )
A.动能 B.速度 C.速率 D.位移
4、.在光滑水平面上.质量为2kg的物体以2m/s的速度向东运动,当对它施加一向西的力使它停下来,则该外力对物体做的功是( )
A.16J B.8J. C.4J D.0
5、甲、乙、丙三个物体具有相同的动能,甲的质量最大,丙的最小,要使它们在相同的距离内停止,若作用在物体上的合力为恒力,则合力( )
A.甲的最大 B.丙的最大
C.都一样大 D.取决于它们的速度
6、把一根弹簧平放在光滑水平面上,使一端固定.把一个质量为1kg的滑块放在弹簧另一端,用力水平推动滑块使弹簧压缩.当把滑块由静止释放后,经过0.5s弹簧把滑块以10m/s的速度水平弹出去,在这段时间内弹簧对滑块做功的平均功率等于( )
A、20W B、200W C、100W D、25W
7、一个质量为2kg的物体,以4m/s的速度在光滑水平面上向右滑行,从某个时刻起,在物体上作用一个向左的水平力,经过一段时间,物体的速度方向变为向左,大小仍然是4m/s,在这段时间内水平力对物体做的功为( )
A、0 B、8J C、16J D、32J
8、速度为v的子弹,恰可穿透一固定着的木板,如果子弹速度为2v,子弹穿透木板的阻力视为不变,则可穿透同样的木板( )
A、2块 B、3块 C、4块 D、1块
9、两辆汽车在同一平直路面上行驶,它们的质量之比m1:m2=1:2,速度之比v1:v2=2:1.当两车急刹车后,甲车滑行的最大距离为s1,乙车滑行的最大距离为s2.设两车与路面的动摩擦因数相等,不计空气的阻力,则( )
A、s1:s2=1:2 B、s1:s2=1:1 C、s1:s2=2:1 D、s1:s2=4:1
10、如图所示,一个质量为m的物体在高为h的斜面上刚好匀速下滑,现用平行于斜面的力缓慢地将物体沿斜面从底端拉到顶端,拉力所做的功为________.
11、在距地面12m高处以12m/s的速度抛出一个质量为2kg的物体,物体落到地面时的速度是19m/s,那么人在抛物的过程中对物体做的功是____ J,物体下落过程中克服阻力做的功是____ J.
12、均匀直木板长为L=40cm,质量为2.0kg,与桌面间动摩擦因数为0.2.若在木板左端用一水平推力F将其推下桌子,水平推力至少做功___________J.(取g=10m/s2).
13、一人在雪橇上,从静止开始沿着高度为15m的斜坡滑下,到达底部时的速度为10m/s,人和雪橇的总质量为60kg,下滑过程中克服阻力做的功等于______J.(取g=10m/s2).
14、如图所示,BD为一水平面,AC是斜面,一物体从A点由静止开始沿AC滑下,滑至D点时速度刚好为零,如果斜面改为AE(φ>θ),让该物体从A点由静止开始沿AE滑下,最终物体静止于水平面上的F点(图中未画出).试推证F点在D的左边、右边、还是与D点重合.(已知物体与接触面之间的动摩擦因数处处相同,不计物体通过E或C点时的能量损失)
15、质量为m的滑块与倾角为θ的斜面间的动摩擦因数为μ,μ
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