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物理必修 第二册1 功与功率图文ppt课件
展开1.理解功的概念。2.用功的表达式计算功的大小。
1.功的公式:W=________________。2.公式描述:力对物体所做的功,等于力的大小、位移的大小、力与位移夹角的余弦这三者的_______。3.功是标量。4.功的单位:在国际单位制中,功的单位是_______,简称_____符号是_____。
5.功的正负判断6.合力对物体所做的功:当一个物体在几个力共同作用下发生一段位移时,这几个力对物体所做的总功,是各个力分别对物体所做功的_________。
『判一判』(1)公式W=Flcs α中的l是物体运动的路程。( )(2)物体只要受力且运动,该力就一定做功。( )(3)功有正负之分,所以功是矢量。( )(4)若力不对物体做功,则力一定不会改变物体的运动状态。( )
『选一选』关于做功,下列说法中正确的是( )A.凡是发生了位移的物体,一定有力对它做功B.凡是受力作用的物体,一定有力对它做功C.凡是既受力又发生了位移的物体,一定有力对它做功D.凡是物体在所受力的方向上发生了位移,这力一定对它做了功
解析:若一个物体不受任何外力,做匀速直线运动,那么此物体有位移但没有力对它做功,A错误;若一个物体静止放在桌面上,它受重力和桌面的支持力的作用,由于没发生运动,无位移,重力和支持力显然没有做功,B错误;若一个物体在光滑水平桌面上做匀速直线运动,它只受到重力和桌面的支持力作用,重力和支持力显然没有做功,C错误;力对物体做功的条件:①有力;②沿力的方向上发生位移。两个条件同时满足,力就对物体做功,D正确。
『想一想』甲图人拉车向前运动,乙图人拉车阻止车前进。思考1:甲图中人对小车做什么功?为什么?答案:人对小车做正功,力和位移的夹角是锐角。思考2:乙图中人对小车做什么功?为什么?答案:人对小车做负功,力和位移的夹角是钝角。
功的理解和正、负功的判断
要点提炼1.公式F=Flcs α的理解与应用(1)在使用公式W=Flcs α计算功时,公式中各量W、F、l都要取国际单位制单位。(2)功是一个标量,只有大小没有方向,因此合外力做的功等于各个力做功的代数和,或者等于合力所做的功。
(3)公式W=Flcs α只适用于计算大小和方向均不变的恒力做的功,不适用于计算变力做的功。式中的l是力的作用点的位移,α是力F的方向与位移l的方向的夹角。(4)公式W=Flcs α,可以理解为力乘以在力的方向上的位移,即W=F(lcs α);也可以理解为位移乘以在位移方向上的分力,即W=(Fcs α)l。(5)公式W=Flcs α,F可以是某一个力,也可以是某几个力的合力,也可以是合外力。某一个力做功与其他力无关。
(6)力F对物体所做的功W,只与F、l、α三者有关,与物体的质量、运动状态、运动形式及是否受其他力等因素均无关。(7)因为功是过程量,反映力在空间位移上的累积效果,对应一段位移或一段过程,所以用公式W=Flcs α求力做的功时,一定要明确是哪个力在哪一段位移上(或在哪一个过程中)所做的功。
(1)某个力对物体做负功,往往说成物体克服这个力做了功(正值)。例如,滑动摩擦力对物体做功-5 J,也可以说成物体克服摩擦力做的功为5 J。(2)功是标量,功的正负号不表示方向,也不表示功的多少,在比较功的多少时,只比较功的绝对值,不看功的正负号。例如-8 J的功要比7 J的功多。
典例剖析 (多选)如图所示,质量为m的飞机在水平甲板上,在与竖直方向成θ角的斜向下的恒定拉力F作用下,沿水平方向移动了距离s,飞机与水平甲板之间的摩擦力大小恒为f,则在此过程中( )A.摩擦力做的功为-fsB.力F做的功为Fscs θC.重力做的功为mgsD.力F做的功为Fssin θ
解析:摩擦力大小为f,且摩擦力方向与位移方向相反,则摩擦力所做的功Wf=-fs,A正确;由题意可知,拉力的方向与位移方向的夹角为90°-θ,则根据功的公式可得WF=Fscs(90°-θ)=Fssin θ,B错误,D正确;由于飞机在竖直方向上没有位移,故重力不做功,C错误。
(多选)图中是小孩滑滑梯的情景,在小孩下滑过程中,关于各力做功的说法,正确的是( )A.重力做正功B.支持力做负功C.支持力不做功D.摩擦力做负功
解析:小孩下滑过程中,重力和位移方向的夹角小于90°,重力做正功,故A正确;小孩下滑过程中,支持力和位移方向的夹角等于90°,支持力不做功,故B错误,C正确;小孩下滑过程中,摩擦力方向和位移方向夹角大于90°,故摩擦力做负功,故D正确。故选ACD。
要点提炼求合力做功的两个思路(1)先确定物体所受的合力,再根据公式W合=F合lcs α求解合力的功。该方法适用于物体的合力不变的情况,常见的是发生位移l过程中,物体所受的各力均没有发生变化。求解流程:
(2)先根据W=Flcs α,求出每个分力做的功W1、W2、…、Wn,再根据W总=W1+W2+…+Wn,求解合力的功,即合力做的功等于各个分力做功的代数和。该方法的适用范围更广,求解流程:
典例剖析 一人用平行于斜面的推力把重G=500 N的货物从斜面底端推到斜面顶端。已知斜面的倾角α=37°,斜面长L=5 m,斜面与货物间的动摩擦因数μ=0.2,推力F=400 N。求货物从斜面底端运动到顶端的过程中,所受各力分别对其做的功,以及所有外力对其做的总功。(货物可视为质点,取sin 37°=0.6,cs 37°=0.8)
解析:将货物视为质点,则其位移L=5 m根据功的定义,推力F对货物做功W1=FL=400×5 J=2 000 J;重力G对货物做功W2=GLcs (90°+α)=-GLsin α=-500×5×0.6 J=-1 500 J;支持力FN对货物做功W3=FNLcs 90°=0;
摩擦力f对货物做功W4=FfLcs 180°=(μGcs α)×Lcs 180°=-0.2×500×0.8×5 J=-400 J;所有外力对货物做的总功W总=W1+W2+W3+W4=(2 000-1 500+0-400)J=100 J。答案:推力做功2 000 J,重力做功-1 500 J,支持力做功0,摩擦力做功-400 J,合力做功100 J
计算总功的一般步骤和方法(1)对物体进行正确的受力分析,明确物体受到哪几个力作用,以及每个力的大小和方向。(2)分析每一个力作用过程中所对应的位移,根据功的定义式W=Flcs α,求出每一个力所做的功。(3)将各个力所做的功进行代数求和,即可计算出总功。(4)若各个力是同时作用在物体上,也可先求出各个力的合力,再根据功的定义式求出合力所做的总功。
如图所示,升降机内斜面的倾角θ=30°,质量为2 kg的物体置于斜面上始终不发生相对滑动,在升降机以5 m/s的速度匀速上升4 s的过程中(物体可视为质点,g取10 m/s2),求:(1)斜面对物体的支持力所做的功;(2)斜面对物体的摩擦力所做的功;(3)物体重力所做的功;(4)合力对物体所做的功。
答案:(1)300 J (2)100 J (3)-400 J (4)0
解析:对物体受力分析如图所示。由平衡条件得Ffcs θ-FNsin θ=0Ffsin θ+FNcs θ-mg=0代入数据得Ff=10 N,FN=10 N由功的公式得(1)斜面对物体的支持力所做的功WFN=FNxcs θ=FNvtcs θ=10×5×4×cs 30° J=300 J。
(2)斜面对物体的摩擦力所做的功WFf=Ffxsin θ=10×5×4×sin 30° J=100 J。(3)物体重力所做的功WG=mgxcs 180°=-2×10×5×4 J=-400 J。(4)合力对物体做的功解法1:W合=WFN+WFf+WG=0。解法2:W合=F合xcs α=0。
要点提炼功的计算在中学物理中占有十分重要的地位,功的计算公式W=Fl cs α只适用于恒力做功的情况,对于变力做功,则没有一个固定公式可用,但可以通过多种方法来求变力做功。
3.用微元法求功功的公式只能计算恒力做功,若一个力的大小不变,只改变方向时,可将运动过程分成很多小段,每一小段内F可看成恒力,求出每一小段内力F做的功,然后累加起来得到整个过程中变力所做的功。此种情况下求功的公式为:W=Fscs α,s指路程。
典例剖析 (多选)(2023·海南文昌中学高一月考)如图所示,质量为m的物体静止在光滑的水平面上,物体在下列四种变化规律不同的合外力F作用下都通过相同的位移x0,下列说法正确的是( )A.甲图和乙图合外力做功相等B.丙图和丁图合外力做功相等C.四个图合外力做功均相等D.四个图中合外力做功最多的是丙图
解析:F-x图像中,图线与x轴围成的面积表示力F所做的功,由题图可知,甲、乙所围的面积相等,丙所围的面积最大,丁所围的面积最小,故W丙>W甲=W乙>W丁,选项A、D正确。
易错点:对公式W=Flcs α中l把握不准而致错 如图所示,A为静止在水平桌面上的物体,其右侧固定着一个轻质滑轮O,跨过滑轮的细绳的P端固定在墙壁上,细绳的另一端Q用水平恒力F向右拉,则在物体向右滑动l的过程中,力F对物体做了多少功? (上、下两段绳均保持水平)
易错分析:当力的作用点不在物体上或力的作用点与物体间有相对运动时,l应是力的作用点的位移。正确解答:研究受力物体,将轻质滑轮视为物体的一部分,则物体(包含滑轮)受到两段绳的拉力,每段绳的拉力都为F,如图所示,合力为2F,因而F对物体所做的功为W=2Fl。或研究绳子的Q端,即力F的作用点,则可知物体向右发生位移l的过程中,作用点Q的位移为2l,因而力F拉绳所做的功W=2Fl。答案:2Fl
素养警示解答本题的关键是计算功时对力和位移这两个要素的分析,当力的作用点相对物体没有移动时,物体的位移就等于力的作用点的位移;当力的作用点相对物体有位移时,就应通过物体的位移并借助几何关系找到力的作用点的位移,或者利用等效方法求功,分析出与哪些力所做的功具有等效关系。
一、恒力做功1.(2023·江苏徐州高一月考)如图所示的a、b、c、d中,质量为M的物体甲受到相同的恒力F的作用,在力F作用下物体甲在水平方向移动相同的位移。μ表示物体甲与水平面间的动摩擦因数,乙是随物体甲一起运动的小物块,比较物体甲移动的过程中力F对甲所做的功的大小( )A.Wa B.Wd最大C.Wa
2.(2022·福建师大附中高一期末)如图所示,质量为m的小车在与竖直方向成α角的恒定拉力F的作用下,沿水平地面向左运动一段距离l,在此过程中,小车受到的阻力大小恒为f,则( )A.拉力对小车做功为FlB.支持力对小车做功为零C.阻力对小车做功为flD.重力对小车做功为mgl
解析:拉力对小车做功为W=Flsin α,A错误;在支持力方向小车没有位移,则支持力对小车做功为零,B正确;阻力对小车做功为-fl,C错误;在重力方向小车没有位移,则重力对小车做功为零,D错误。
3.(多选)(2023·山东济南高一期中)被弹射器弹出的质量为2 kg的物体在水平面上做直线运动,某时刻在物体运动方向上施加一水平拉力F,之后物体运动的v-t图像如图所示。若物体所受摩擦力大小为10 N,则在0~5 s内( )A.拉力F做功150 JB.拉力F做功100 JC.摩擦力做功250 JD.物体克服摩擦力做功250 J
二、变力做功4.(2023·山东济南高一期中)如图所示,小物块P位于光滑的斜面上,斜面体Q位于光滑的水平地面上。从地面上看,在小物块沿斜面下滑的过程中,斜面对小物块的作用力( )A.垂直于接触面,做功为零B.垂直于接触面,做功不为零C.不垂直于接触面,做功不为零D.不垂直于接触面,做功为零
解析:小物块P在下滑过程中和斜面之间有一对相互作用力F和F′,如图所示。如果把斜面体Q固定在水平地面上,物块P的位移方向和弹力方向垂直,这时斜面对物块P不做功。但此题的条件是斜面体Q放在光滑的水平面上,可以自由滑动,此时弹力方向仍然垂直于斜面,但是物块P的位移方向却不平行于斜面,如图所示,弹力和位移方向不再垂直而是成一钝角,所以弹力对小物块做负功,A、C、D错误,B正确。
5.(多选)(2023·重庆巴蜀中学高一阶段练习)如图所示,内径为R的孔径均匀的圆形弯管水平放置,小球在管内以足够大的初速度v0在水平面内做圆周运动,小球与管壁间的动摩擦因数为μ,设从开始运动的一周内小球从A到B和从B到A的过程中摩擦力对小球做功分别为W1和W2,在这一周内摩擦力做的总功为W3,则下列说法正确的是( )
A.W1>W2B.W3=W1+W2C.从B到A的过程中,管外侧壁施加给小球背向圆心的弹力充当向心力D.从A到B的过程中,管内侧壁施加给小球指向圆心的弹力充当向心力
6.一物体所受的力F随位移l发生如图所示的变化,求这一过程中,力F对物体做的功。答案:6 J
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