新课标高中物理：(学案)动能和动能定理

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动能和动能定理【学习目标】1．理解动能的概念2．知道动能的定义式，会用动能的定义式进行计算3．理解动能定理及其推导过程，知道动能定理的适用范围【学习重点】1．动能的概念2．动能定理及其应用【学习难点】对动能定理的理解【新知探究】题型一：应用动能定理求变力做功例1：如图所示，质量为的物体置于光滑的水平面上，一根绳子跨过定滑轮一端固定在物体上，另一端在力F的作用下，以恒定速率竖直向下运动，物体由静止开始运动到绳与水平方向夹角的过程，求绳中张力对物体做的功。读思路：本题所述物体的运动过程中，绳对物体的张力为变力，其所做的功不能用计算。但可以用物体动能的增量等效替代张力所做的功，这是求变力做功的常用方法之一。这种方法的优点是不考虑做功过程的细节，只考虑变力做功的整体效果，即物体动能的增量，巧妙应用动能定理，从而简化解题过程。规范解：当绳与水平方向夹角时，物体的速度为。选物体为研究对象，研究物体由静止开始运动到绳与水平方向夹角过程，根据动能定理可知，绳中张力对物体做的功等于物体动能的增加量，即。题型二：应用动能定理解决曲线运动问题例2：在h高处，以初速度v0向水平方向抛出一个小球，不计空气阻力，小球着地时速度大小为（   ）A．      B．C．      D．读思路：小球在下落过程中重力做功，可由动能定理计算。规范解：在小球下落的整个过程中，对小球应用动能定理，有，解得小球着地时速度的大小为。正确选项为C。题型三：动能定理的应用例3：质量为m的子弹以水平速度v1射入以速度v2沿同一方向运动的木块中，木块质量为M。当子弹进入木块中深度为d时，子弹和木块的速度分别v1′为和v2′。若木块和子弹的相互作用力为F，木块与水平面间的摩擦不计，试求这一过程中子弹和木块组成的系统动能的损失。（用F和d表示）读思路：应用动能定理时，注意子弹与木块发生的位移并不相同。规范解：如图所示，设子弹进入木块深度为d的过程中，木块的位移为l，则子弹的位移为（l+d）。分别对木块和子弹应用动能定理，有，。由以上两式可得系统动能的损失。题型四：应用动能定理解连接体问题例4：总质量为M的列车沿水平直线轨道匀速前进，其末节车厢的质量为m，中途脱节。司机发现时，机车已行驶了距离l，于是立即关闭油门，除去牵引力。设列车运动的阻力与质量成正比，机车的牵引力是恒定的。当列车的两部分都停止时，它们间的距离是多少？读思路：对车头部分与末节车厢分别应用动能定理。规范解：设阻力与质量的比例系数为k，机车脱钩前的速度为v0，对车头部分，研究脱钩前后的全过程，根据动能定理有。对末节车厢，研究脱钩后的过程，根据动能定理有。由于原先列车匀速运动，所以F=kMg。由以上三式联立解得，列车的两部分都停止时，它们间的距离是。题后小结：本题也可应用牛顿第二定律结合运动学公式求解，请同学们不妨一试，但用动能定理求解的简便之处是显而易见的。题型五：应用动能定理求解动力学问题例5：将质量m=2kg的一块石头从离地面H=2m高处由静止开始释放，落入泥潭并陷入泥中h=5cm深处，不计空气阻力，求泥对石头的平均阻力。（g取10m/s2）读思路：石头的整个下落过程分为两段，如图所示，第一段是空中的自由下落运动，只受重力作用；第二段是在泥潭中的运动，受重力和泥的阻力。两阶段的联系是，前一段的末速度等于后一段的初速度。考虑用牛顿第二定律与运动学公式求解，或者由动能定理求解。规范解：这里提供三种解法。解法一（应用牛顿第二定律与运动学公式求解）：石头在空中做自由落体运动，落地速度。在泥潭中的运动阶段，设石头做减速运动的加速度的大小为a，则有v2=2ah，解得。由牛顿第二定律，所以泥对石头的平均阻力=820N。解法二（应用动能定理分段求解）：设石头着地时的速度为v，对石头在空中运动阶段应用动能定理，有；对石头在泥潭中运动阶段应用动能定理，有。由以上两式解得泥对石头的平均阻力N=820N。解法三（应用动能定理整体求解）：对石头在整个运动阶段应用动能定理，有。所以，泥对石头的平均阻力N=820N。    【学习小结】本节内容主要学习了：1．物体由于运动而具有的能叫动能，动能可用Ek来表示，物体的动能等于物体的质量与物体速度的二次方的乘积的一半。2．动能是标量，也是状态量。3．动能定理是根据牛顿第二定律和运动学公式推导出来的。4．动能定理中所说的外力，既可以是重力、弹力、摩擦力，也可以是任何其他的力，动能定理中的W是指所有作用在物体上的外力的合力的功。5．动能定理的表达式是在物体受恒力作用且做直线运动的情况下得出的，但对于外力是变力，物体做曲线运动的情况同样适用。【精练反馈】1．（多选）质量一定的物体（    ）A．速度发生变化时其动能一定变化B．速度发生变化时其动能不一定变化C．速度不变时其动能一定不变D．动能不变时其速度一定不变解析速度是矢量，速度变化时可能只有方向变化，而大小不变，动能是标量，所以速度只有方向变化时，动能可以不变；动能不变时，只能说明速度大小不变，但速度方向不一定不变，故只有B、C正确。答案BC2．A、B两物体的速度之比为2∶1，质量的大小之比为1∶3，则它们的动能之比为（    ）A．12∶1 B．12∶3 C．12∶5 D．4∶3解析根据动能的定义Ek=mv2，有，选项D正确。答案D3．一辆在水平路面上行驶的汽车，关闭发动机后继续运动了一段距离停下来。在这一过程中，下列说法正确的是              （    ）A．阻力对汽车做正功，汽车动能增加B．阻力对汽车做负功，汽车动能增加C．阻力对汽车做负功，汽车动能减少D．阻力对汽车做正功，汽车动能减少解析关闭发动机后，汽车受重力、支持力和阻力，重力、支持力不做功，阻力的方向与汽车运动的方向相反，因而做负功；根据动能定理可知，汽车的动能减少，选项C正确。答案C4．如图所示，左端固定的轻质弹簧被物块压缩，物块被释放后，由静止开始从A点沿粗糙水平面向右运动。离开弹簧后，经过B点的动能为Ek，该过程中，弹簧对物块做的功为W，则物块克服摩擦力做的功Wf为（    ）A．Wf=Ek   B．Wf=Ek+WC．Wf+Ek=W  D．Wf=W-Ek解析对物块应用动能定理，有W-Wf=Ek，得Wf=W-Ek，选项D正确。答案D5．（多选）甲、乙两个质量相同的物体，用大小相等的力F分别拉它们在水平面上从静止开始运动相同的距离s。如图所示，甲在光滑面上，乙在粗糙面上，则下列关于力F对甲、乙两物体做的功和甲、乙两物体获得的动能的说法中正确的是（    ）A．力F对甲物体做功多B．力F对甲、乙两个物体做的功一样多C．甲物体获得的动能比乙大D．甲、乙两个物体获得的动能相同解析由功的公式W=Flcos α=F·s可知，两种情况下力F对甲、乙两个物体做的功一样多，A错误，B正确；根据动能定理，对甲有Fs=Ek1，对乙有Fs-Ffs=Ek2，可知Ek1>Ek2，即甲物体获得的动能比乙大，C正确，D错误。答案BC6．如图所示，斜面长为s，倾角为θ，一物体质量为m，从斜面底端的A点开始以初速度v0沿斜面向上滑行，斜面与物体间的动摩擦因数为μ，物体滑到斜面顶端B点时飞出斜面，最后落在与A点处于同一水平面上的C处，则物体落地时的速度大小为多少？解析对物体运动的全过程，由动能定理可得-μmgscos θ=所以vC=。答案7．质量为m的物体，在竖直平面内高h=1 m的光滑弧形轨道A点，以v0=4 m/s的初速度沿轨道滑下，并进入BC轨道，如图所示。已知BC段的动摩擦因数μ=0.4（g取10 m/s2），求：（1）物体滑至B点时的速度。（2）物体最后停在离B点多远的位置。解析（1）物体从A到B过程，根据动能定理得mgh=，代入数据得vB=6 m/s。（2）物体从B点经过位移x停止，根据动能定理得-μmgx=-，代入数据得x=4.5 m，即物体停在离B点4.5 m的位置。答案（1）6 m/s  （2）4.5 m