高考物理總復(fù)習(xí) 第五章 第四講 功能關(guān)系 能的轉(zhuǎn)化和守恒定律課件 新人教版必修2

(對(duì)應(yīng)學(xué)生用書P91)一、功能關(guān)系()做功的過程就是能量的轉(zhuǎn)化過程，做功的數(shù)值就是能的轉(zhuǎn)化數(shù)值，這是功能關(guān)系的普遍意義不同形式的能的轉(zhuǎn)化又與不同形式的功相聯(lián)系，總之，功是能量變化的量度，這是貫穿整個(gè)物理學(xué)的一個(gè)重要思想學(xué)會(huì)正確分析物理過程中的功能關(guān)系，對(duì)于提高解題能力是至關(guān)重要的功和對(duì)應(yīng)的能量變化的量值關(guān)系(1)重力的功重力勢(shì)能的變化WGEp(2)彈簧彈力的功彈性勢(shì)能的變化W彈Ep.(3)電場(chǎng)力的功電勢(shì)能的變化W電Ep(4)分子力的功分子勢(shì)能的變化W分子Ep(5)克服安培力的功電能的變化|W安|E電(6)一對(duì)滑動(dòng)摩擦力的總功系統(tǒng)的動(dòng)能變化Wf總fL相對(duì)Ek系統(tǒng)(7)一對(duì)靜摩擦力的總功系統(tǒng)內(nèi)物體間機(jī)械能的轉(zhuǎn)移W總0(8)合力的功動(dòng)能的變化W合Ek(9)除重力和彈力以外的其他力的功系統(tǒng)機(jī)械能的變化W其它E機(jī)二、能的轉(zhuǎn)化和守恒定律能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式或從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中其總量保持不變，這就是能的轉(zhuǎn)化和守恒定律(對(duì)應(yīng)學(xué)生用書P91)要點(diǎn)一摩擦力做功的特點(diǎn)類別比較靜摩擦力滑動(dòng)摩擦力不同點(diǎn)能量的轉(zhuǎn)化方面在靜摩擦力做功的過程中，只有機(jī)械能從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體(靜摩擦力起著傳遞機(jī)械能的作用)，而沒有機(jī)械能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量(1)相互摩擦的物體通過滑動(dòng)摩擦力做功，將部分機(jī)械能從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體(2)部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，此部分能量就是系統(tǒng)機(jī)械能的損失量一對(duì)摩擦力的總功方面一對(duì)靜摩擦力所做功的代數(shù)總和等于零一對(duì)相互作用的滑動(dòng)摩擦力對(duì)物體系統(tǒng)所做的總功，等于摩擦力與兩個(gè)物體相對(duì)路程的乘積，即WFfFfl相對(duì)，表示物體克服摩擦力做功，系統(tǒng)損失機(jī)械能轉(zhuǎn)變成內(nèi)能相同點(diǎn)正功、負(fù)功、不做功方面兩種摩擦力對(duì)物體可以做正功、負(fù)功，還可以不做功利用WFfFfl相對(duì)進(jìn)行熱量Q的計(jì)算時(shí)，關(guān)鍵是對(duì)相對(duì)路程l相對(duì)的理解例如：如果兩物體同向運(yùn)動(dòng)，l相對(duì)為兩物體對(duì)地位移大小之差；如果兩物體反向運(yùn)動(dòng)，l相對(duì)為兩物體對(duì)地位移大小之和；如果一個(gè)物體相對(duì)另一個(gè)物體往復(fù)運(yùn)動(dòng)，則l相對(duì)為兩物體相對(duì)滑行路徑的總長(zhǎng)度 如右圖所示，木塊A放在木塊B的左端，用恒力F將A拉至B的右端，第一次將B固定在地面上，F(xiàn)做功為W1，產(chǎn)生的熱量為Q1，第二次讓B可以在光滑地面上自由滑動(dòng)，F(xiàn)做的功為W2，產(chǎn)生的熱量為Q2，則應(yīng)有()AW1W2，Q1Q2BW1W2，Q1Q2CW1W2，Q1Q2 DW1W2，Q1Q2解析設(shè)B的長(zhǎng)度為d，則系統(tǒng)損失的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的數(shù)量Q1Q2mAgd，所以C、D都錯(cuò)在兩種情況下用恒力F將A拉至B的右端的過程中第二種情況下A對(duì)地的位移要大于第一種情況下A對(duì)地的位移，所以 W2W1，B錯(cuò)答案A要點(diǎn)二從能量轉(zhuǎn)化的角度理解動(dòng)能定理和機(jī)械能守恒定律機(jī)械能(動(dòng)能、重力勢(shì)能、彈性勢(shì)能)可以和其他形式的能(內(nèi)能、電能等)相互轉(zhuǎn)化，這種轉(zhuǎn)化要通過做功來實(shí)現(xiàn)，即功是能量轉(zhuǎn)化的量度. 例如在勻強(qiáng)電場(chǎng)中的一固定的斜面，一帶負(fù)電的滑塊以一定的初動(dòng)能沿斜面上滑一段距離，這一過程中，電場(chǎng)力做正功等于電勢(shì)能的減少，重力做負(fù)功絕對(duì)值等于重力勢(shì)能的增加，滑動(dòng)摩擦力做負(fù)功，在量值上等于增加的內(nèi)能. 那么末狀態(tài)的動(dòng)能是增加還是減少取決于E電減與E重增E內(nèi)增，若E電減E重增E內(nèi)增，由能量守恒可知，動(dòng)能不變，若E電減E重增E內(nèi)增，則減少的電勢(shì)能中有一部分轉(zhuǎn)化為動(dòng)能可見，在各種形式的能相互轉(zhuǎn)化過程中，從最終總的效果來看，動(dòng)能起著一種調(diào)劑作用，外力做的總功(代數(shù)和)實(shí)際上是除動(dòng)能之外的各種形式能的增加或減少的總和，這種增加或減少用動(dòng)能的變化Ek來調(diào)節(jié). 所以動(dòng)能定理是能的轉(zhuǎn)化和守恒定律的一種表達(dá)形式機(jī)械能守恒定律是能量守恒定律的一種特殊情況，其特殊性就在于機(jī)械能沒有和其他形式能相互轉(zhuǎn)化，只是通過重力和彈力做功，實(shí)現(xiàn)動(dòng)能、重力勢(shì)能、彈性勢(shì)能三種形式的機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)化，總的機(jī)械能不發(fā)生變化已知貨物的質(zhì)量為m，在某段時(shí)間內(nèi)起重機(jī)將貨物加速度以a加速升高h(yuǎn)，則在這段時(shí)間內(nèi)敘述正確的是(重力加速度為g)()A貨物的動(dòng)能一定增加mahmghB貨物的機(jī)械能一定增加mahC貨物的重力勢(shì)能一定增加mahD貨物的機(jī)械能一定增加mahmgh解析準(zhǔn)確把握功和對(duì)應(yīng)能量變化之間的關(guān)系是解答此類問題的關(guān)鍵，具體分析如下：動(dòng)能定理，貨物動(dòng)能的增加量等于貨物合外力做的功mah，A錯(cuò)誤；功能關(guān)系，貨物機(jī)械能的增量等于除重力以外的力做的功而不等于合外力做的功，B錯(cuò)誤；功能關(guān)系，重力勢(shì)能的增量對(duì)應(yīng)貨物重力做的負(fù)功大小mgh，C錯(cuò)誤；功能關(guān)系，貨物機(jī)械能的增量為起重機(jī)拉力做的功m(ga)h，D正確答案D(對(duì)應(yīng)學(xué)生用書P92)題型一功能關(guān)系的理解與應(yīng)用力學(xué)范圍內(nèi)，應(yīng)牢固掌握以下三條功能關(guān)系：(1)重力的功等于重力勢(shì)能的變化，彈力的功等于彈性勢(shì)能的變化(2)合外力的功等于動(dòng)能的變化(3)除重力、彈力外，其他力的功等于機(jī)械能的變化運(yùn)用功能關(guān)系解題時(shí)，應(yīng)弄清楚重力做什么功，合外力做什么功，除重力、彈力外的力做什么功，從而判斷重力勢(shì)能或彈性勢(shì)能、動(dòng)能、機(jī)械能的變化例1 一小滑塊放在如圖所示的凹形斜面上，用力F沿斜面向下拉小滑塊，小滑塊沿斜面運(yùn)動(dòng)了一段距離，若已知在這一過程中，拉力F所做的功的大小(絕對(duì)值)為A，斜面對(duì)小滑塊的作用力所做的功的大小為B，重力做功的大小為C，空氣阻力做功的大小為D.當(dāng)用這些量表達(dá)時(shí)，求：(1)小滑塊的動(dòng)能的改變量(指末態(tài)動(dòng)能減去初態(tài)動(dòng)能)；(2)小滑塊的重力勢(shì)能的改變量；(3)小滑塊機(jī)械能(指動(dòng)能與重力勢(shì)能之和)的改變量思路誘導(dǎo)解答本題時(shí)注意三方面的關(guān)系：(1)小滑塊動(dòng)能的改變量對(duì)應(yīng)合外力做的功；(2)小滑塊重力勢(shì)能的改變量對(duì)應(yīng)重力做的功；(3)小滑塊機(jī)械能的改變量對(duì)應(yīng)除重力以外的力做的功嘗試解答(1)據(jù)動(dòng)能定理，動(dòng)能的改變量等于外力做功的代數(shù)和，其中做負(fù)功的有空氣阻力、斜面對(duì)滑塊的作用力(因彈力不做功，實(shí)際上為摩擦阻力做的功)因此EkABCD.(2)滑塊重力勢(shì)能的減少等于重力做的功，因此EpC.(3)滑塊機(jī)械能的改變量等于重力之外的其他力做的功，因此EABD.答案(1)ABCD(2)C(3)ABD重力勢(shì)能、彈性勢(shì)能、電勢(shì)能的改變量(末狀態(tài)勢(shì)能減去初狀態(tài)勢(shì)能)與對(duì)應(yīng)的力做的功數(shù)值相等，但符號(hào)相反 (2011山東濰坊統(tǒng)考)如右圖所示，滑塊靜止于光滑水平面上，與之相連的輕質(zhì)彈簧處于自然伸直狀態(tài)，現(xiàn)用恒定的水平外力F作用于彈簧右端，在向右移動(dòng)一段距離的過程中，拉力F做了10 J的功. 上述過程中()A彈簧的彈性勢(shì)能增加了10 JB滑塊的動(dòng)能增加了10 JC滑塊和彈簧組成的系統(tǒng)機(jī)械能增加了10 JD滑塊和彈簧組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒解析拉力F做功既增加了彈性勢(shì)能，還增加了滑塊的動(dòng)能，A、B錯(cuò)誤；系統(tǒng)增加的機(jī)械能等于力F做的功，C對(duì)，D錯(cuò)答案C題型二能量守恒定律的應(yīng)用(1)能量守恒應(yīng)從下面兩方面去理解：某種形式的能減少，一定存在其它形式的能增加，且減少量一定等于增加量某個(gè)物體的能量的減少，一定存在其它物體的能量增加，且減少量一定等于增加量以上是我們應(yīng)用能量守恒定律時(shí)的兩條基本思路(2)應(yīng)用能量守恒定律解題的步驟是：分析物體的運(yùn)動(dòng)過程，從而在頭腦中建立起一幅物體運(yùn)動(dòng)的正確圖景研究物體在運(yùn)動(dòng)過程中有多少種形式的能(如動(dòng)能、勢(shì)能、內(nèi)能、電能等)在轉(zhuǎn)化，關(guān)鍵是弄清什么形式的能增加，什么形式的能減少增加的能量和減少的能量用相應(yīng)的力做的功來表示，然后列出恒等式E減E增 說明：應(yīng)用能量守恒定律解題的關(guān)鍵是首先弄清有哪幾種形式的能在相互轉(zhuǎn)化及相應(yīng)的增減情況，然后再把變化的能量用相應(yīng)力做的功來表達(dá). 確定力做的功是思維過程中的第二步，這一點(diǎn)是和動(dòng)能定理的應(yīng)用所不同的(應(yīng)用動(dòng)能定理首先要考慮各力做功，而并不去考慮有什么形式的能和動(dòng)能相互轉(zhuǎn)化). 在考慮有多少種形式能發(fā)生轉(zhuǎn)化時(shí)可以借助分析有什么力做功以及做什么功來幫助確定例2如右圖所示，密閉絕熱容器內(nèi)有一絕熱的具有一定質(zhì)量的活塞，活塞的上部封閉著氣體，下部為真空，活塞與器壁的摩擦忽略不計(jì)置于真空中的輕彈簧的一端固定于容器的底部，另一端固定在活塞上，彈簧被壓縮后用繩扎緊，此時(shí)彈簧的彈性勢(shì)能為Ep(彈簧處在自然長(zhǎng)度時(shí)的彈性勢(shì)能為零). 現(xiàn)繩突然斷開，彈簧推動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過多次往復(fù)運(yùn)動(dòng)后活塞靜止，氣體達(dá)到平衡態(tài)經(jīng)過此過程()AEp全部轉(zhuǎn)換為氣體的內(nèi)能BEp一部分轉(zhuǎn)換成活塞的重力勢(shì)能，其余部分仍為彈簧的彈性勢(shì)能CEp全部轉(zhuǎn)換成活塞的重力勢(shì)能和氣體的內(nèi)能DEp一部分轉(zhuǎn)換成活塞的重力勢(shì)能，一部分轉(zhuǎn)換為氣體的內(nèi)能，其余部分仍為彈簧的彈性勢(shì)能思路誘導(dǎo)繩斷后最終達(dá)到平衡時(shí)，活塞的位置發(fā)生了怎樣的變化？這一過程什么形式的能增加了？什么形式的能減少了？嘗試解答繩斷后，彈簧推動(dòng)活塞向上移動(dòng). 最終活塞靜止后，所處的位置要比初始位置(繩未斷時(shí))高因此這一過程中能量變化情況是：彈性勢(shì)能減少，重力勢(shì)能增加，活塞對(duì)氣體做了功因而氣體的內(nèi)能增加，即減少的彈性勢(shì)能等于重力勢(shì)能與內(nèi)能增加之和因此，正確選項(xiàng)為D.答案D如右圖所示，A、B、C質(zhì)量分別為mA0.7 kg，mB0.2 kg，mC0.1 kg，B為套在細(xì)繩上的圓環(huán)，A與水平桌面的動(dòng)摩擦因數(shù)0.2，另一圓環(huán)D固定在桌邊，離地面高h(yuǎn)20.3 m，當(dāng)B、C從靜止下降h10.3 m，C穿環(huán)而過，B被D擋住，不計(jì)繩子質(zhì)量和滑輪的摩擦，取g10 m/s2，若開始時(shí)A離桌邊足夠遠(yuǎn). 試求：(1)物體C穿環(huán)瞬間的速度；(2)物體C能否到達(dá)地面？如果能到達(dá)地面，其速度多大？題型三傳送帶模型中的能量問題傳送帶模型是高中物理中比較成熟的模型，典型的有水平和傾斜兩種情況. 一般設(shè)問的角度有兩個(gè)：動(dòng)力學(xué)角度，如求物體在傳送帶上運(yùn)動(dòng)的時(shí)間、物體在傳送帶上能達(dá)到的速度、物體相對(duì)傳送帶滑過的位移，方法是牛頓第二定律結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律. 能量的角度：求傳送帶對(duì)物體所做的功、物體和傳送帶由于相對(duì)滑動(dòng)而產(chǎn)生的熱量、因放上物體而使電動(dòng)機(jī)多消耗的電能等 思路誘導(dǎo)(1)工件放到皮帶上后如何運(yùn)動(dòng)？向上傳送過程中的運(yùn)動(dòng)分幾個(gè)階段？(2)轉(zhuǎn)化成的內(nèi)能如何計(jì)算？電動(dòng)機(jī)多消耗的電能轉(zhuǎn)化為什么能？因?yàn)閭魉蛶Р凰凸ぜr(shí)，電動(dòng)機(jī)照常工作帶動(dòng)皮帶要消耗一定的電能；傳送工件時(shí)，通過皮帶要把工件送到2 m高的平臺(tái)上，皮帶要對(duì)工件做功，多消耗的電能就是皮帶在傳送工件過程中多做了多少功. 多做多少功，這就要看在傳送工件過程中有多少能的轉(zhuǎn)化，從工件上看，工件的重力勢(shì)能和動(dòng)能都增加了；從整體上看，由于開始階段的滑動(dòng)摩擦力做功，內(nèi)能也增加了，因此，可以依據(jù)功是能量轉(zhuǎn)化的量度來解答(2011成都石室中學(xué)第二次月考)如下圖所示，AB為半徑R0.8 m的1/4光滑圓弧軌道，下端B恰與小車右端平滑對(duì)接. 小車質(zhì)量M3 kg，車長(zhǎng)L2.06 m，車上表面距地面的高度h0.2 m現(xiàn)有一質(zhì)量m1 kg的小滑塊，由軌道頂端無初速度釋放，滑到B端后沖上小車. 已知地面光滑，滑塊與小車上表面間的動(dòng)摩擦因數(shù)0.3，當(dāng)車運(yùn)行了1.5 s時(shí)，車被地面裝置鎖定(g10 m/s2)試求：(1)滑塊到達(dá)B端時(shí)，軌道對(duì)它支持力的大?。?2)車被鎖定時(shí)，車右端距軌道B端的距離；(3)從車開始運(yùn)動(dòng)到被鎖定的過程中，滑塊與車面間由于摩擦而產(chǎn)生的內(nèi)能大?。?4)滑塊落地點(diǎn)離車左端的水平距離答案(1)30 N(2)1 m(3)6 J(4)0.16 m(對(duì)應(yīng)學(xué)生用書P94)易錯(cuò)點(diǎn)：不能正確理解功能關(guān)系A(chǔ)mMBm2MC木箱不與彈簧接觸時(shí)，上滑的加速度大于下滑的加速度D在木箱與貨物從頂端滑到最低點(diǎn)的過程中，減少的重力勢(shì)能全部轉(zhuǎn)化為彈簧的彈性勢(shì)能易錯(cuò)分析搞不清具體哪種力做功，是做正功還是負(fù)功，分辨不清相應(yīng)能量變化的關(guān)系而出錯(cuò)，誤選D.運(yùn)用功能關(guān)系解題，要明確以下兩點(diǎn)：做功的過程就是能量轉(zhuǎn)化的過程，有一個(gè)力做功，必定存在一種形式的能向另一種形式的能轉(zhuǎn)化；不要將功和能量混為一談，不要重復(fù)計(jì)算如圖，卷?yè)P(yáng)機(jī)的繩索通過定滑輪用力F拉位于粗糙斜面上的木箱，使之沿斜面加速向上移動(dòng)在移動(dòng)過程中，下列說法正確的是()AF對(duì)木箱做的功等于木箱增加的動(dòng)能與木箱克服摩擦力所做的功之和BF對(duì)木箱做的功等于木箱克服摩擦力和克服重力所做的功之和C木箱克服重力做的功等于木箱增加的重力勢(shì)能DF對(duì)木箱做的功等于木箱增加的機(jī)械能與木箱克服摩擦力做的功之和答案CD(對(duì)應(yīng)學(xué)生用書P94)1一物塊由靜止開始從粗糙斜面上的某點(diǎn)加速下滑到另一點(diǎn)，在此過程中重力對(duì)物塊做的功等于()A物塊動(dòng)能的增加量B物塊重力勢(shì)能的減少量與物塊克服摩擦力做的功之和C物塊重力勢(shì)能的減少量和物塊動(dòng)能的增加量以及物塊克服摩擦力做的功之和D物塊動(dòng)能的增加量與物塊克服摩擦力做的功之和答案D2(2011廣東華師大附中第二次月考)如右圖所示，一物體m在沿斜面向上的恒力F作用下，由靜止從底端沿光滑的斜面向上做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，經(jīng)時(shí)間t力F做功為60 J，此后撤去恒力F，物體又經(jīng)時(shí)間t回到出發(fā)點(diǎn)，若以地面為零勢(shì)能點(diǎn)，則下列說法正確的是()A物體回到出發(fā)點(diǎn)時(shí)的動(dòng)能是60 JB開始時(shí)物體所受的恒力F2mgsinC撤去力F時(shí)，物體的重力勢(shì)能是45 JD動(dòng)能與勢(shì)能相同的位置在撤去力F之前的某位置答案ACD答案A4如右圖所示是簡(jiǎn)化后的跳臺(tái)滑雪的雪道示意圖. 整個(gè)雪道由傾斜的助滑雪道AB和著陸雪道DE以及水平的起跳平臺(tái)CD組成，AB與CD圓滑連接. 運(yùn)動(dòng)員從助滑雪道AB上由靜止開始，在重力作用下滑到D點(diǎn)水平飛出，不計(jì)飛行中的空氣阻力，經(jīng)2 s在水平方向飛行了60 m，落在著陸雪道DE上. 已知從B點(diǎn)到D點(diǎn)運(yùn)動(dòng)員的速度大小不變(g取10 m/s2)(1)求運(yùn)動(dòng)員在AB段下滑到B點(diǎn)的速度大??；(2)若不計(jì)阻力，求運(yùn)動(dòng)員在AB段下滑過程中下降的高度；(3)若運(yùn)動(dòng)員的質(zhì)量為60 kg，在AB段下降的實(shí)際高度是50 m，求此過程中他克服阻力所做的功答案(1)30 m/s(2)45 m(3)3000 J