物理必修 第二册3 动能和动能定理教学演示课件ppt

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1.通过力对物体做功的分析确定动能的表达式,加深对功能关系的理解。(物理观念)2.理解动能定理。能用动能定理解释生产生活中的现象或者解决实际问题。(科学思维)
一、动能的表达式1.定义:物体由于运动而具有的能量。
3.单位:和功的单位相同,在国际单位制中都是焦耳。这是因为1 kg(m/s)2=1 N·m=1 J。4.动能是标量。
二、动能定理1.内容:力在一个过程中对物体做的功,等于物体在这个过程中动能的变化。2.公式:W=Ek2-Ek1,其中W为合力做的功。
想一想 利用牛顿第二定律和运动学公式,只能解决匀变速直线运动问题,动能定理是利用牛顿第二定律和运动学公式推导出来的。动能定理是否只能解决匀变速直线运动问题?要点点拨 不是。动能定理既适用于恒力作用过程,也适用于变力作用过程;既适用于物体做直线运动的情况,也适用于物体做曲线运动的情况。力可以是各种性质的力,这些力既可以同时作用,也可以分阶段作用,这是利用动能定理解题的优越性。
3.适用范围: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。
1.正误辨析,判断结果为错误的小题说明原因。(1)某物体的速度变为原来的2倍,它的动能也变为原来的2倍。(　　)答案 ×解析 由Ek= mv2知,某物体的速度变为原来的2倍,它的动能变为原来的4倍。 (2)合力为零,物体的动能一定不会变化。(　　)答案 √
(3)合力不为零,物体的动能一定会变化。(　　)答案 ×解析 合力不为零,合力做功可能为零,此时物体的动能不会变化。(4)物体所受合力做正功,则它的动能一定增加。(　　)答案 √(5)做匀速圆周运动的物体动能不变,速度变化。(　　)答案 √
2.在水平路面上,有一辆客车以10 m/s的速度匀速行驶,在车厢后座上放着一个相对客车静止的质量为4 kg的行李,行李的动能是(　　)A.0 JB.200 JC.450 JD.900 J答案 B
解析 行李的速度v=10 m/s,所以行李的动能Ek= mv2=200 J,选项B正确。
3.(多选)一物体在运动过程中,重力做了-2 J的功,合力做了4 J的功,则(　　)A.该物体动能减少,减少量等于4 JB.该物体动能增加,增加量等于4 JC.该物体重力势能减少,减少量等于2 JD.该物体重力势能增加,增加量等于2 J答案 BD解析 重力做负功,重力势能增加,增加量等于克服重力做的功,选项C错误,选项D正确;根据动能定理知该物体动能增加,增加量为4 J,选项A错误,选项B正确。
如图所示,是古代战争中攻击城门的战车的模型图,战车上装有一根质量很大的圆木,士兵们推着战车以很大的速度撞击城门,可以轻而易举地将城门撞破。圆木的质量很大,速度很大,是为了增加圆木的什么能?
要点提示 为了增加圆木的动能。
1.动能的“三性”(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)标量性:只有大小,没有方向;只有正值,没有负值。(3)状态量:动能是表示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。
2.对动能变化量的理解(1)表达式:ΔEk=Ek2-Ek1,即末动能减初动能。(2)物理意义:①ΔEk>0,表示动能增加;②ΔEk<0,表示动能减少;③ΔEk=0,表示动能不变。(3)变化原因:物体动能变化是因为合力做功。合力做正功,动能增加,合力做负功则动能减少。(4)过程量:对应物体从一个状态到另一个状态的动能变化过程。
画龙点睛 物体速度变化(如速度的大小不变,方向变化),物体的动能不一定变化(例如匀速圆周运动)。而动能变化,速度一定变化。
例1 (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
答案 AC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。
规律方法 动能与速度的三种关系(1)数值关系:Ek= mv2,速度v越大,动能Ek越大。(2)瞬时关系:动能与速度均为状态量,二者具有瞬时对应关系。(3)变化关系:动能是标量,速度是矢量。当动能发生变化时,物体的速度(大小)一定发生了变化;当速度发生变化时,可能仅是速度方向的变化,物体的动能可能不变。
变式训练1(多选)一质量为0.1 kg的小球,以5 m/s的速度在光滑水平面上匀速运动,与竖直墙壁碰撞后以原速率反弹,若以弹回的速度方向为正方向,则小球碰墙过程中速度的变化和动能的变化分别是(　　)A.Δv=10 m/sB.Δv=0C.ΔEk=1 JD.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。而动能是标量,初末、状态的速度大小相等,故动能相等,因此ΔEk=0,选项A、D正确。
歼-15战机是我国自主研发的第一款舰载战斗机,如图所示。(1)歼-15战机起飞时,合力做什么功?速度怎么变化?动能怎么变化?(2)歼-15战机着舰时,动能怎么变化?合力做什么功?增加阻拦索的目的是什么?
要点提示 (1)正功　增加　变大　(2)减小　负功　使动能减少得更快
画龙点睛 动能定理说明了合力做的功是动能变化的原因。
例2 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
答案 A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。
规律方法 (1)动能是标量,物体的速度变化时,动能不一定变化。(2)功是物体动能变化的原因,合力做正功,物体动能增加;合力做负功,物体动能减少。
变式训练2一质量为m的滑块,以速度v在光滑水平面上向左滑行,从某一时刻起,在滑块上作用一向右的水平力,经过一段时间后,滑块的速度变为-2v(方向与原来相反),在整段时间内,水平力所做的功为(　　)
如图所示,质量为m的小球以初速度v0从山坡底部A处恰好冲上高为h的坡顶B,请思考:(1)小球运动中哪些力做了功?(2)如何求得小球克服阻力做的功?
要点提示 (1)小球受的重力和阻力都对小球做了负功,支持力不做功。(2)根据动能定理-mgh-Wf=0- 可求得小球克服阻力做的功。
1.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。
2.应用动能定理解题的一般步骤(1)选取研究对象(通常是单个物体),明确它的运动过程。(2)对研究对象进行受力分析,明确各力做功的情况,即是否做功?做正功还是负功?用已知量、未知量怎样表示?求出各力做功的代数和。(3)明确物体在初、末状态的动能Ek1、Ek2。(4)列出动能定理的方程W=Ek2-Ek1,结合其他必要的关系方程求解。
例3滑沙运动是继滑冰、滑水、滑雪和滑草之后又一新兴运动,它使户外运动爱好者在运动的同时又能领略到沙漠的绮丽风光。如图所示,人坐在滑沙板上从沙坡斜面的顶端由静止沿直线下滑,设下滑时受到的恒定阻力是重力的0.3倍,沙坡长度L为100 m,斜面倾角θ为30°,重力加速度g取10 m/s2,求人滑到斜面底端时的速度大小。
拓展探究请试用牛顿第二定律和匀变速直线运动公式进行解答,和上述解法进行比较,看一看哪种解法更合理、更简便。
规律方法动能定理与牛顿运动定律结合运动学公式在解题时的选择方法(1)动能定理与牛顿运动定律是解决力学问题的两种重要方法,同一个问题,用动能定理一般要比用牛顿运动定律解决起来更简便。因为本题中是恒力,可以用牛顿运动定律求解,但用牛顿运动定律求解要麻烦一些。(2)通常情况下,若问题涉及时间、加速度或过程的细节,要用牛顿运动定律解决;而曲线运动、变力做功或多过程等问题,一般要用动能定理解决。即使是恒力,当不涉及加速度和时间,并且是两个状态点的速度比较明确的情况,也应优先考虑动能定理。
变式训练3如图所示,物体(可看成质点)沿一曲面从A点无初速度下滑,当滑至曲面的最低点B点时,下滑的竖直高度h=5 m,此时物体的速度v=6 m/s。若物体的质量m=1 kg,g取10 m/s2,求物体在下滑过程中克服阻力所做的功。
解析 物体在曲面上的受力情况为:受重力、弹力、摩擦力,其中弹力不做功。设摩擦力做功为Wf,由A→B用动能定理知mgh+Wf= mv2-0,解得Wf=-32 J。故物体在下滑过程中克服阻力所做的功为32 J。
1.关于动能的概念,下列说法正确的是(　　)A.物体由于运动而具有的能叫作动能B.运动物体具有的能叫作动能C.运动物体的质量越大,其动能一定越大D.速度较大的物体,具有的动能一定较大
解析 物体由于运动而具有的能叫动能,但是运动的物体可以具有多种能量,如重力势能、内能等,故A正确,B错误;由公式Ek= mv2可知,动能既与m有关,又与v有关,C、D错误。
2.一人用力踢质量为1 kg的静止足球,使足球以10 m/s的水平初速度向前滚动,设人踢足球的平均作用力为200 N,足球在水平方向滚动的距离为20 m,则人对足球做的功为(g取10 m/s2)(　　)A.50 J B.200 JC.4 000 JD.6 000 J
解析 人对足球做功的过程只是在踢球的瞬间,球在地面上滚动的过程中,人不做功,所以人对足球做功的过程就是足球获得动能的过程。根据动能定义Ek= mv2得,人对足球做的功为50 J,选项A正确。
3.如图所示,电梯质量为m0,在它的水平地板上放置一质量为m的物体。电梯在钢索的拉力作用下竖直向上加速运动,当电梯的速度由v1增加到v2时,上升高度为h,重力加速度为g,则在这个过程中,下列说法或表达式正确的是(　　)
解析 物体受重力和支持力作用,根据动能定理得WN-mgh= ,选项C正确,A、B错误;对电梯,合力做功等于电梯动能的变化量,选项D错误。