高中物理 4.3 探究外力做功 與物體動(dòng)能變化的關(guān)系課件 粵教版必修2.ppt

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第三節(jié) 探究外力做功 與物體動(dòng)能變化的關(guān)系,目標(biāo)導(dǎo)航,預(yù)習(xí)導(dǎo)引,目標(biāo)導(dǎo)航,預(yù)習(xí)導(dǎo)引,二,一,一、理論分析和論證 1.推導(dǎo):如圖所示,質(zhì)量為m的物體,在恒力F與摩擦力f作用下,經(jīng)過(guò)位移s后,速度由v1增大到v2. 那么,外力做的總功W=(F-f)s① 由牛頓第二定律:F-f=ma② 由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式: 聯(lián)立①②③式得W=___________________,即W=Ek2-Ek1=ΔEk. 2.結(jié)論:外力做的總功等于物體動(dòng)能的變化.,,,,目標(biāo)導(dǎo)航,二,一,預(yù)習(xí)導(dǎo)引,二、動(dòng)能定理 1.內(nèi)容:合力對(duì)物體所做的功等于物體動(dòng)能的變化. 2.表達(dá)式:W=Ek2-Ek1,式中Ek2表示物體的末動(dòng)能;Ek1表示初動(dòng)能; W表示合力做的功. 3.功與物體動(dòng)能變化的關(guān)系 (1)W為正功時(shí),Ek2Ek1,物體的動(dòng)能增加. (2)W為負(fù)功時(shí),Ek2Ek1,物體的動(dòng)能減少. (3)W=0時(shí),Ek2=Ek1,物體的動(dòng)能不變.,,,,,,,,,,目標(biāo)導(dǎo)航,二,一,預(yù)習(xí)導(dǎo)引,預(yù)習(xí)交流 運(yùn)動(dòng)員用F=10 N的力將一質(zhì)量m=1 kg的足球踢出,踢出時(shí)的速度為10 m/s,足球被踢出后在地面上滾了10 m后停下來(lái).運(yùn)動(dòng)員對(duì)足球做的功是多少呢? 答案:運(yùn)動(dòng)員做的功不能用運(yùn)動(dòng)員踢球的力乘以足球在地面上運(yùn)動(dòng)的距離來(lái)求,因?yàn)檫@兩個(gè)物理量不是同一過(guò)程.可根據(jù)動(dòng)能定理來(lái)求,即,一,二,三,遷移應(yīng)用,典題例解,知識(shí)精要,一、實(shí)驗(yàn)與探究 1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?探究外力做功與物體動(dòng)能變化的關(guān)系. 2.實(shí)驗(yàn)方法 讓物體自由下落,下落過(guò)程中經(jīng)過(guò)A、B兩點(diǎn),測(cè)出A、B兩點(diǎn)的高度差hAB和經(jīng)過(guò)A、B兩點(diǎn)時(shí)的速度vA、vB,則重力做的功為WG=mghAB,動(dòng)能變化為 ,驗(yàn)證WG與ΔEk的關(guān)系. 3.實(shí)驗(yàn)器材 鐵架臺(tái)(帶鐵夾)、電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、刻度尺、重物、紙帶、學(xué)生電源、夾子等.,一,二,三,遷移應(yīng)用,典題例解,知識(shí)精要,4.實(shí)驗(yàn)步驟 (1)按圖所示把打點(diǎn)計(jì)時(shí)器安裝在鐵架臺(tái)上,用導(dǎo)線把打點(diǎn)計(jì)時(shí)器與電源連接好. (2)把紙帶的一端在重物上用夾子固定好,另一端穿過(guò)計(jì)時(shí)器限位孔,用手捏住紙帶上端,提起紙帶使重物停靠在打點(diǎn)計(jì)時(shí)器附近. (3)先接通電源,后釋放紙帶,讓重物自由下落. (4)重復(fù)幾次,得到3~5條打好點(diǎn)的紙帶.,一,二,三,遷移應(yīng)用,典題例解,知識(shí)精要,5.數(shù)據(jù)處理 (1)在打好點(diǎn)的紙帶中挑選點(diǎn)跡清晰的一條紙帶,在起始點(diǎn)標(biāo)上0,以后依次標(biāo)上1、2、3、…,用刻度尺測(cè)出對(duì)應(yīng)下落高度h1、h2、h3、…. (2)應(yīng)用公式 計(jì)算各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)速度v1、v2、v3、…. (3)計(jì)算各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的重力做的功mghn和動(dòng)能的增加量 進(jìn)行比較.(請(qǐng)自行設(shè)計(jì)表格進(jìn)行分析) 6.結(jié)論 合力對(duì)物體所做的功等于物體動(dòng)能的變化.,一,二,三,遷移應(yīng)用,典題例解,知識(shí)精要,7.實(shí)驗(yàn)誤差及注意事項(xiàng) (1)誤差產(chǎn)生原因及減小方法 重物和紙帶在下落過(guò)程中受到打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和空氣的阻力,比較W與ΔEk關(guān)系時(shí),W只計(jì)算重力做功,未考慮阻力做功給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的誤差. 豎直固定打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,適當(dāng)增加重物的質(zhì)量來(lái)減小相對(duì)誤差. (2)注意事項(xiàng) ①打點(diǎn)計(jì)時(shí)器要豎直架穩(wěn),使兩限位孔在同一豎直線上. ②釋放紙帶時(shí),應(yīng)使重物靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器. ③保持提起的紙帶豎直,先接通電源再松開(kāi)紙帶. ④測(cè)量下落高度時(shí),應(yīng)從起點(diǎn)量起,選取的計(jì)數(shù)點(diǎn)要離起始點(diǎn)遠(yuǎn)些,紙帶不宜過(guò)長(zhǎng).,一,二,三,遷移應(yīng)用,典題例解,知識(shí)精要,【例1】 在用自由落體運(yùn)動(dòng)探究外力做功與動(dòng)能變化的關(guān)系時(shí),某同學(xué)按照正確的操作選得紙帶如圖所示,其中O點(diǎn)是起始點(diǎn),A、B、C是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器連續(xù)打下的三個(gè)點(diǎn),該同學(xué)用毫米刻度尺測(cè)量O點(diǎn)到A、B、C各點(diǎn)的距離,并記錄在圖中(單位:cm).已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器電源頻率為50 Hz,重物質(zhì)量為m,當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭取9.80 m/s2.,一,二,三,遷移應(yīng)用,典題例解,知識(shí)精要,(1)這三組數(shù)據(jù)中不符合有效數(shù)字讀數(shù)要求的是 . (2)該同學(xué)用重物在OB段的運(yùn)動(dòng)來(lái)探究?jī)烧咧g的關(guān)系,先計(jì)算出該段時(shí)間重力做的功為 ,接著從打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下的第一個(gè)點(diǎn)O數(shù)起,圖中的B點(diǎn)是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下的第9個(gè)點(diǎn),他用vB=gt計(jì)算B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的重物的瞬時(shí)速度,得到動(dòng)能的增加量為 (均保留三位有效數(shù)字).這樣他發(fā)現(xiàn)重力做的功 (選填“大于”或“小于”)動(dòng)能的增加量,造成這一錯(cuò)誤結(jié)論的原因是 .,一,二,三,遷移應(yīng)用,典題例解,知識(shí)精要,解析:(1)從有效數(shù)字的位數(shù)上不難看出15.7不符合有效數(shù)字的讀數(shù)要求. (2)重力做的功為 WG=mghOB=m9.8012.4210-2 J≈1.22m J vB=gt=9.800.16 m/s=1.568 m/s 動(dòng)能的增加量 ΔEkWG,造成這一現(xiàn)象的原因是計(jì)算重物速度時(shí),認(rèn)為重物下落加速度為g,而實(shí)際由于重物下落過(guò)程中受到阻力作用,重物的加速度小于g,將重物的速度算大了.應(yīng)該用AC段的平均速度計(jì)算,即 答案:(1)15.7 (2)1.22m J 1.23m J 小于 阻力的影響,一,二,三,遷移應(yīng)用,典題例解,知識(shí)精要,一,二,三,遷移應(yīng)用,典題例解,知識(shí)精要,在探究外力做功與物體動(dòng)能變化的實(shí)驗(yàn)中,已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所用的電源的頻率為50 Hz,查得當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭=9.80 m/s2,測(cè)得所用的重物的質(zhì)量為1.00 kg.實(shí)驗(yàn)中得到一條點(diǎn)跡清晰的紙帶,如圖所示,把第一個(gè)點(diǎn)記為O,另選連續(xù)的四個(gè)點(diǎn)A、B、C、D作為測(cè)量的點(diǎn),經(jīng)測(cè)量知道A、B、C、D各點(diǎn)到O點(diǎn)的距離分別是62.99 cm、70.18 cm、77.76 cm、85.73 cm.根據(jù)以上數(shù)據(jù),可知重物由O點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到C點(diǎn),重力做的功為 J,動(dòng)能的增加量等于 J(取三位有效數(shù)字).結(jié)論:在誤差允許的范圍內(nèi) .,答案:7.62 7.56 重力所做的功等于物體動(dòng)能的增加量,一,二,三,遷移應(yīng)用,典題例解,知識(shí)精要,解析:本題考查實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理問(wèn)題,,遷移應(yīng)用,典題例解,一,二,三,思考探究,知識(shí)精要,二、動(dòng)能定理 1.推導(dǎo) 如圖所示,設(shè)某物體的質(zhì)量為m,在與運(yùn)動(dòng)方向相同的恒力F的作用下,在粗糙的水平面上發(fā)生一段位移s,速度由v1增加到v2,則外力做的總功W=(F-f)s.,遷移應(yīng)用,典題例解,一,二,三,思考探究,知識(shí)精要,2.結(jié)論 合力對(duì)物體所做的功等于物體動(dòng)能的變化,即W=Ek2-Ek1. 3.物理意義 動(dòng)能定理指出了合力對(duì)物體所做的總功與物體動(dòng)能變化之間的關(guān)系.即合力對(duì)物體所做的總功,對(duì)應(yīng)于物體動(dòng)能的變化,變化的大小由做功的多少來(lái)量度. 4.實(shí)質(zhì) 動(dòng)能定理從能量變化的角度反映了力改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí),在空間上的累積效果(動(dòng)能的變化情況從側(cè)面體現(xiàn)了物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變情況).,遷移應(yīng)用,典題例解,一,二,三,思考探究,知識(shí)精要,5.對(duì)動(dòng)能定理的理解 (1)動(dòng)能定理反映了一種因果關(guān)系,即合力做功是物體動(dòng)能變化的原因.當(dāng)合力對(duì)物體做正功時(shí),W0,Ek2-Ek10,Ek2Ek1,則動(dòng)能增加. (2)動(dòng)能定理的研究對(duì)象是單一物體,或者是可以看成單一物體的物體系. (3)動(dòng)能定理既適用于物體的直線運(yùn)動(dòng),也適用于物體的曲線運(yùn)動(dòng);既適用于恒力做功,也適用于變力做功,力可以是各種性質(zhì)的力,既可以同時(shí)作用,也可以分段作用.只要求出在作用過(guò)程中各力做功的多少和正負(fù)即可.用動(dòng)能定理解題一般比用牛頓第二定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)公式求解簡(jiǎn)便. (4)動(dòng)能定理的計(jì)算式為標(biāo)量式,v為相對(duì)同一參考系的速度,一般以地面為參考系. (5)外力對(duì)物體所做的功是指物體所受的一切外力對(duì)它做的總功.,遷移應(yīng)用,典題例解,思考探究,一,二,三,知識(shí)精要,汽車(chē)在剎車(chē)時(shí),汽車(chē)的速度越大,從剎車(chē)到停止通過(guò)的位移也越大,試分析其中的道理. 答案:汽車(chē)剎車(chē)時(shí),汽車(chē)克服阻力做功,其動(dòng)能減小.汽車(chē)剎車(chē)時(shí)的速度越大,其動(dòng)能就越大,克服阻力做的功就越多,由于阻力一定,所以從剎車(chē)到停止通過(guò)的位移也就越大.,一,二,三,遷移應(yīng)用,典題例解,思考探究,知識(shí)精要,【例2】 (多選)如圖所示,電梯質(zhì)量為M,在它的水平地板上放置一質(zhì)量為m的物體.電梯在鋼索的拉力作用下豎直向上加速運(yùn)動(dòng),當(dāng)電梯的速度由v1增加到v2時(shí),上升高度為H,則在這個(gè)過(guò)程中,下列說(shuō)法或表達(dá)式正確的是( ),一,二,三,遷移應(yīng)用,典題例解,思考探究,知識(shí)精要,解析:電梯上升的過(guò)程中,對(duì)物體做功的有重力mg、支持力FN,這兩個(gè)力做的總功才等于物體動(dòng)能的增量 故A、B均錯(cuò)誤,C正確;對(duì)電梯,無(wú)論有幾個(gè)力對(duì)它做功,由動(dòng)能定理可知,其合力的功一定等于其動(dòng)能的增量,故D正確. 答案:CD,一,二,三,遷移應(yīng)用,典題例解,思考探究,知識(shí)精要,一,二,三,遷移應(yīng)用,典題例解,思考探究,知識(shí)精要,1. (2015全國(guó)理綜Ⅰ)如圖,一半徑為R、粗糙程度處處相同的半圓形軌道豎直固定放置,直徑POQ水平.一質(zhì)量為m的質(zhì)點(diǎn)自P點(diǎn)上方高度R處由靜止開(kāi)始下落,恰好從P點(diǎn)進(jìn)入軌道.質(zhì)點(diǎn)滑到軌道最低點(diǎn)N時(shí),對(duì)軌道的壓力為4mg,g為重力加速度的大小.用W表示質(zhì)點(diǎn)從P點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到N點(diǎn)的過(guò)程中克服摩擦力所做的功.則( ),答案:C,一,二,三,遷移應(yīng)用,典題例解,思考探究,知識(shí)精要,解析:設(shè)質(zhì)點(diǎn)到最低點(diǎn)N時(shí)的速度為v,,一,二,三,遷移應(yīng)用,典題例解,思考探究,知識(shí)精要,2.起重機(jī)鋼索將質(zhì)量為1.0103 kg的物體以2 m/s2的加速度豎直向上提升了5 m,鋼索對(duì)物體的拉力做的功為多少?物體的動(dòng)能增加了多少?(g取10 m/s2) 答案:6.0104 J 1.0104 J 解析:由動(dòng)能定理得,物體動(dòng)能的增加量 ΔEk=mah=1.010325 J=1.0104 J 由動(dòng)能定理還可以得W拉-WG=ΔEk,所以拉力做的功 W拉=ΔEk+WG=ΔEk+mgh=(1.0104+1.0103105) J =6.0104 J.,知識(shí)精要,遷移應(yīng)用,典題例解,一,二,三,三、動(dòng)能定理的應(yīng)用 1.動(dòng)能定理與牛頓第二定律的應(yīng)用比較,由兩種思路對(duì)比可以看出,對(duì)于不涉及加速度、時(shí)間的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題要優(yōu)先選用動(dòng)能定理.,知識(shí)精要,遷移應(yīng)用,典題例解,一,二,三,2.應(yīng)用動(dòng)能定理解題的步驟 (1)確定研究對(duì)象和研究過(guò)程. (2)對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行受力分析(研究對(duì)象以外的物體施于研究對(duì)象的力都要分析,含重力). (3)寫(xiě)出該過(guò)程中合外力做的功,或分別寫(xiě)出各個(gè)力做的功(注意功的正負(fù)).如果研究過(guò)程中物體受力情況有變化,要分別寫(xiě)出該力在各個(gè)階段做的功. (4)寫(xiě)出物體的初、末動(dòng)能(注意動(dòng)能增量是末動(dòng)能減初動(dòng)能). (5)按照動(dòng)能定理列式求解.,知識(shí)精要,遷移應(yīng)用,典題例解,一,二,三,【例3】 (2015浙江理綜)如圖所示,用一塊長(zhǎng)L1=1.0 m的木板在墻和桌面間架設(shè)斜面,桌子高H=0.8 m,長(zhǎng)L2=1.5 m.斜面與水平桌面的傾角θ可在0~60間調(diào)節(jié)后固定.將質(zhì)量m=0.2 kg的小物塊從斜面頂端靜止釋放,物塊與斜面間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ1=0.05,物塊與桌面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ2,忽略物塊在斜面與桌面交接處的能量損失.(重力加速度g取10 m/s2;最大靜摩擦力等于滑動(dòng)摩擦力) (1)求θ角增大到多少時(shí),物塊能從斜面開(kāi)始下滑;(用正切值表示) (2)當(dāng)θ角增大到37時(shí),物塊恰能停在桌面邊緣,求物塊與桌面間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ2;(已知sin 37=0.6,cos 37=0.8) (3)繼續(xù)增大θ角,發(fā)現(xiàn)θ=53時(shí)物塊落地點(diǎn)與墻面的距離最大,求此最大距離xm.,知識(shí)精要,遷移應(yīng)用,典題例解,一,二,三,解析:(1)為使小物塊下滑mgsin θ≥μ1mgcos θ① θ滿(mǎn)足的條件tan θ≥0.05② (2)克服摩擦力做功 Wf=μ1mgL1cos θ+μ2mg(L2-L1cos θ)③ 由動(dòng)能定理得mgL1sin θ-Wf=0④ 代入數(shù)據(jù)得μ2=0.8⑤,答案:(1)tan θ≥0.05 (2)μ2=0.8 (3)xm=1.9 m,知識(shí)精要,遷移應(yīng)用,典題例解,一,二,三,知識(shí)精要,遷移應(yīng)用,典題例解,一,二,三,1.(2015江蘇單科)(多選)如圖所示,輕質(zhì)彈簧一端固定,另一端與一質(zhì)量為m、套在粗糙豎直固定桿A處的圓環(huán)相連,彈簧水平且處于原長(zhǎng).圓環(huán)從A處由靜止開(kāi)始下滑,經(jīng)過(guò)B處的速度最大,到達(dá)C處的速度為零,AC=h.圓環(huán)在C處獲得一豎直向上的速度v,恰好能回到A.彈簧始終在彈性限度內(nèi),重力加速度為g.則圓環(huán)( ),答案:BD,知識(shí)精要,遷移應(yīng)用,典題例解,一,二,三,知識(shí)精要,遷移應(yīng)用,典題例解,一,二,三,2.如圖所示,滑塊在恒定外力F=2mg的作用下從水平軌道上的A點(diǎn)由靜止出發(fā)到B點(diǎn)時(shí)撤去外力,又沿豎直面內(nèi)的光滑半圓形軌道運(yùn)動(dòng),且恰 好通過(guò)軌道最高點(diǎn)C,滑塊脫離半圓形軌道后又剛好落到原出發(fā)點(diǎn)A,求AB段與滑塊間的動(dòng)摩擦因數(shù). 答案:0.75,知識(shí)精要,遷移應(yīng)用,典題例解,一,二,三,解析:設(shè)半圓形軌道的半徑為R,則在C點(diǎn)有,知識(shí)精要,遷移應(yīng)用,典題例解,一,二,三,當(dāng)汽車(chē)經(jīng)過(guò)凹橋面最低點(diǎn)時(shí),設(shè)橋面支持力為FN1,由牛頓第二定律有FN1-mg= ,要求FN1≤2.0105 N 解得允許的最大速度vm=7.07 m/s 由上面的分析可知,汽車(chē)經(jīng)過(guò)凸橋頂點(diǎn)時(shí)對(duì)橋面的壓力最小,設(shè)為FN2,如圖乙所示 解得FN2=1.0105 N.由牛頓第三定律知,FN2與FN2等值反向.,