2018_2019學(xué)年高中物理第3章動(dòng)能的變化與機(jī)械功學(xué)案(打包6套)滬科版必修2.zip,2018,_2019,學(xué)年,高中物理,章動(dòng),變化,機(jī)械功,打包,滬科版,必修
3.2.1 研究功與功率(一)
[學(xué)習(xí)目標(biāo)] 1.理解功的概念,知道做功的兩個(gè)因素.2.明確功是標(biāo)量,會(huì)用功的公式進(jìn)行計(jì)算.3.理解正功、負(fù)功的含義.4.會(huì)計(jì)算變力做功,會(huì)計(jì)算多個(gè)力的總功.
一、功
1.公式:W=Fscos α,其中F、s、α分別為力的大小、位移的大小、力與位移方向的夾角.即力對(duì)物體所做的功,等于力的大小、位移的大小、力與位移夾角的余弦這三者的乘積.
2.單位:國(guó)際單位制中,功的單位是焦耳,符號(hào)是J.
二、正功和負(fù)功
1.力對(duì)物體做正功和負(fù)功的條件
由W=Fscos α可知
(1)當(dāng)0≤α<時(shí),W>0,力對(duì)物體做正功;
(2)當(dāng)<α≤π時(shí),W<0,力對(duì)物體做負(fù)功,或稱(chēng)物體克服這個(gè)力做功;
(3)當(dāng)α=時(shí),W=0,力對(duì)物體不做功.
2.做功與動(dòng)能變化的關(guān)系
力對(duì)物體做正功時(shí),物體的動(dòng)能增加;力對(duì)物體做負(fù)功時(shí),物體的動(dòng)能減少;力對(duì)物體做多少功,物體的動(dòng)能就變化多少.
3.計(jì)算變力做功
如圖1所示,F(xiàn)-s圖像下方從s1到s2的面積,就是變力F在s=s2-s1段內(nèi)做的功.
圖1
[即學(xué)即用]
1.判斷下列說(shuō)法的正誤.
(1)公式W=Fscos α中的s是物體運(yùn)動(dòng)的路程.(×)
(2)物體只要受力且運(yùn)動(dòng),該力就一定做功.(×)
(3)功有正負(fù)之分,所以功是矢量.(×)
(4)一個(gè)力對(duì)物體做了負(fù)功,則說(shuō)明這個(gè)力一定阻礙物體的運(yùn)動(dòng).(√)
2.如圖2所示,靜止在光滑水平面上的物體,在與水平方向成60°角斜向上的力F作用下運(yùn)動(dòng)10 m,已知F=10 N,則拉力F所做的功是________J.
圖2
答案 50
一、對(duì)功的理解
[導(dǎo)學(xué)探究]
1.觀察圖3,分析圖中的哪個(gè)人對(duì)物體做了功?
圖3
答案 小川拉重物上升的過(guò)程,小川對(duì)重物做了功,其他三人都沒(méi)有做功.
2.如圖4所示,物體在與水平方向夾角為α的力F的作用下前進(jìn)了s,則力F對(duì)物體做的功如何表示?
圖4
答案 如圖把力F沿水平方向和豎直方向進(jìn)行正交分解,物體在豎直方向上沒(méi)有發(fā)生位移,豎直方向的分力沒(méi)有對(duì)物體做功,水平方向的分力Fcos α所做的功為Fscos α,所以力F對(duì)物體所做的功為Fscos α.
[知識(shí)深化] 對(duì)公式W=Fscos α的理解
1.恒力F對(duì)物體做的功,只與F、s、α有關(guān),與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及物體是否還受其他作用力等因素?zé)o關(guān).
2.計(jì)算力F的功時(shí)要特別注意,F(xiàn)與s必須具有同時(shí)性,即s必須是力F作用過(guò)程中物體發(fā)生的位移.
3.功是標(biāo)量,沒(méi)有方向,但是有正負(fù).
4.公式W=Fscos α適用于計(jì)算恒力做功,若是變力,此公式不再適用.
例1 如圖5所示,坐在雪橇上的人與雪橇的總質(zhì)量為m,在與水平地面成θ角的恒定拉力F作用下,沿水平地面向右移動(dòng)了一段距離s.已知雪橇與地面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ,重力加速度為g,則雪橇受到的( )
圖5
A.支持力做功為mgs
B.重力做功為mgs
C.拉力做功為Fscos θ
D.滑動(dòng)摩擦力做功為-μmgs
答案 C
解析 支持力和重力與位移垂直,不做功,A、B錯(cuò)誤;拉力和摩擦力做功分別為W1=Fscos θ,W2=-μ(mg-Fsin θ)s,C正確,D錯(cuò)誤.
二、正負(fù)功的判斷
[導(dǎo)學(xué)探究] 某物體在力F作用下水平向右運(yùn)動(dòng)的位移為s,拉力的方向分別如圖6甲、乙所示,分別求兩種情況下拉力對(duì)物體做的功.
圖6
答案 Fs?。璅s
[知識(shí)深化]
1.正、負(fù)功的意義
功是標(biāo)量,只有正、負(fù),沒(méi)有方向,功的正負(fù)不表示大小,只表示能量轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化的方向,即:動(dòng)力對(duì)物體做正功,使物體獲得能量,阻力對(duì)物體做負(fù)功(也可以說(shuō),物體克服該力做功),使物體失去能量.
2.判斷力是否做功及做功正負(fù)的方法
(1)根據(jù)力F的方向與位移s的方向間的夾角α——常用于恒力做功的情形.
(2)根據(jù)力F的方向與速度v的方向間的夾角α——常用于曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的情形.
若α為銳角則做正功,若α為直角則不做功,若α為鈍角則做負(fù)功.
例2 (多選)質(zhì)量為m的物體,靜止在傾角為θ的斜面上,斜面沿水平方向向右勻速移動(dòng)了距離s,如圖7所示.物體相對(duì)斜面靜止,則下列說(shuō)法正確的是( )
圖7
A.重力對(duì)物體m做正功
B.合力對(duì)物體m做功為零
C.摩擦力對(duì)物體m做負(fù)功
D.支持力對(duì)物體m做正功
答案 BCD
解析 物體的受力和位移如圖所示.
支持力N與位移s的夾角α<90°,故支持力做正功,D選項(xiàng)正確;重力與位移垂直,故重力不做功,A選項(xiàng)錯(cuò)誤;摩擦力f與位移s的夾角大于90°,故摩擦力做負(fù)功,C選項(xiàng)正確;物體做勻速運(yùn)動(dòng),所受合力為零,合力不做功,故B選項(xiàng)正確.
三、總功的計(jì)算
當(dāng)物體在多個(gè)力的共同作用下發(fā)生一段位移時(shí),合力對(duì)物體所做的功等于各分力對(duì)物體做功的代數(shù)和.故計(jì)算合力的功有以下兩種方法.
(1)先由W=Fscos α計(jì)算各個(gè)力對(duì)物體所做的功W1、W2、W3……然后求所有力做功的代數(shù)和,即W合=W1+W2+W3+….
(2)先由力的合成或根據(jù)牛頓第二定律求出合力F合,然后由W合=F合scos α計(jì)算總功,此時(shí)α為F合的方向與s的方向間的夾角.
注意:當(dāng)在一個(gè)過(guò)程中,幾個(gè)力作用的位移不相同時(shí),只能用方法(1).
例3 如圖8所示,一個(gè)質(zhì)量為m=2 kg的物體,受到與水平方向成37°角斜向上方的力F=10 N作用,在水平地面上從靜止開(kāi)始向右移動(dòng)的距離為s=2 m,已知物體和地面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為0.3,g取10 m/s2,求外力對(duì)物體所做的總功.(cos 37°=0.8,sin 37°=0.6)
圖8
答案 7.6 J
解析 物體受到的摩擦力為:
f=μN(yùn)=μ(mg-Fsin 37°)
=0.3×(2×10-10×0.6)N=4.2 N
解法1:先求各力的功,再求總功.
拉力F對(duì)物體所做的功為:
W1=Fscos 37°=10×2×0.8 J=16 J
摩擦力f對(duì)物體所做的功為:
W2=fscos 180°=-4.2×2 J=-8.4 J
由于重力、支持力對(duì)物體不做功,故外力對(duì)物體所做的總功W等于W1和W2的代數(shù)和,即W=W1+W2=7.6 J.
解法2:先求合力,再求總功.
物體受到的合力為:
F合=Fcos 37°-f=3.8 N,
所以W=F合s=3.8×2 J=7.6 J.
四、變力做功問(wèn)題分析
例4 新中國(guó)成立前后,機(jī)械化生產(chǎn)水平較低,人們經(jīng)常通過(guò)“驢拉磨”的方式把糧食顆粒加工成粗面來(lái)食用,如圖9所示,假設(shè)驢拉磨的平均作用力為F,運(yùn)動(dòng)的半徑為R,那么怎樣求驢拉磨轉(zhuǎn)動(dòng)一周所做的功?
圖9
答案 2πRF
解析 把圓周分成無(wú)數(shù)段小微元段,每一小段可近似看成直線(xiàn),從而拉力在每一小段上方向不變,每一小段上可用恒力做功的公式計(jì)算,然后各段累加起來(lái),便可求得結(jié)果.如圖所示,把圓周分成s1、s2、s3、…、sn微元段,拉力在每一段上為恒力,則在每一段上做的功W1=Fs1,W2=Fs2,W3=Fs3,…,Wn=Fsn,拉力在一個(gè)圓周內(nèi)所做的功W=W1+W2+W3+…+Wn=F(s1+s2+s3+…+sn)=F·2πR.所以驢拉磨轉(zhuǎn)動(dòng)一周,拉力做功為2πRF.
例5 如圖10所示,輕彈簧一端與豎直墻壁相連,另一端與一質(zhì)量為m的木塊相連,放在光滑的水平面上,彈簧的勁度系數(shù)為k,彈簧處于自然狀態(tài),用水平力F緩慢拉木塊,使木塊前進(jìn)l,求這一過(guò)程中拉力對(duì)木塊做了多少功.
圖10
答案 kl2
解析 解法一 緩慢拉動(dòng)木塊,可認(rèn)為木塊處于平衡狀態(tài),故拉力大小等于彈力大小,即F=ks.
因該力與位移成正比,故可用平均力=求功.
當(dāng)s=l時(shí),W=·l=kl2
解法二 畫(huà)出力F隨位移s的變化圖像.
當(dāng)位移為l時(shí),F(xiàn)=kl,由于力F做功的大小與圖像中陰影的面積相等,
則W=(kl)·l=kl2
1.平均值法:若力的方向不變,大小隨位移均勻變化,則可用力的平均值乘以位移.
2.圖像法:如圖11所示,變力做的功W可用 F-s圖線(xiàn)與s軸所圍成的面積表示.s軸上方的面積表示力對(duì)物體做正功的多少,s軸下方的面積表示力對(duì)物體做負(fù)功的多少.
圖11
3.分段法(或微元法):當(dāng)力的大小不變,力的方向時(shí)刻與速度同向(或反向)時(shí),把物體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程分為很多小段,這樣每一小段可以看成直線(xiàn),先求力在每一小段上的功,再求和即可,力做的總功W=Fs路或W=-Fs路.空氣阻力和滑動(dòng)摩擦力做功可以寫(xiě)成力與路程的乘積就是這個(gè)原理.
4.等效替代法:若某一變力做的功與某一恒力做的功相等,則可以用求得的恒力做的功來(lái)替代變力做的功.比如:通過(guò)滑輪拉動(dòng)物體時(shí),可將人做的功轉(zhuǎn)化為繩的拉力對(duì)物體做的功,或者將繩的拉力對(duì)物體所做的功轉(zhuǎn)換為人的拉力對(duì)繩做的功.
1.(對(duì)功的理解)(多選)下列說(shuō)法中正確的是( )
A.功是矢量,正負(fù)表示其方向
B.功是標(biāo)量,正負(fù)表示的是外力對(duì)物體做功還是物體克服外力做功
C.力對(duì)物體做正功還是做負(fù)功取決于力和位移的方向關(guān)系
D.力對(duì)物體做的功總是在某過(guò)程中完成的,所以功是一個(gè)過(guò)程量
答案 BCD
解析 功是標(biāo)量,正負(fù)表示的是外力對(duì)物體做功還是物體克服外力做功,A錯(cuò)誤,B正確;力對(duì)物體做正功還是做負(fù)功取決于力和位移的方向關(guān)系,故C正確;有力作用在物體上,物體在力的方向上移動(dòng)了距離,力對(duì)物體做的功總是在某過(guò)程中完成的,所以功是一個(gè)過(guò)程量,故D正確.
2.(正負(fù)功的判斷)(多選)如圖12所示,人站在臺(tái)階式自動(dòng)扶梯上不動(dòng),隨扶梯向上勻速運(yùn)動(dòng),下列說(shuō)法中正確的是( )
圖12
A.重力對(duì)人做負(fù)功
B.摩擦力對(duì)人做正功
C.支持力對(duì)人做正功
D.合力對(duì)人做功為零
答案 ACD
解析 因?yàn)槿藙蛩傧蛏线\(yùn)動(dòng),所以只受重力和支持力,且二力平衡,不受摩擦力,B錯(cuò)誤.重力方向和運(yùn)動(dòng)方向夾角大于90°,重力做負(fù)功,A正確.支持力方向和運(yùn)動(dòng)方向夾角小于90°,支持力做正功,C正確.合力為零,因此總功一定為零,D正確.
【考點(diǎn)】對(duì)功的正負(fù)的理解及判斷
【題點(diǎn)】對(duì)正負(fù)功的判斷
3.(變力做功的計(jì)算)如圖13甲所示,靜止在光滑水平面上坐標(biāo)原點(diǎn)處的小物塊,在水平拉力F的作用下,沿s軸方向運(yùn)動(dòng),拉力F隨物塊所在位置坐標(biāo)s的變化關(guān)系如圖乙所示,圖線(xiàn)為半圓弧,則小物塊運(yùn)動(dòng)到s0處拉力做的功為( )
圖13
A.0 B.F0s0
C.F0s0 D.F0s0
答案 D
解析 圖線(xiàn)與位移軸(s軸)圍成的面積即為F做的功,由圖線(xiàn)可知,半圓的半徑為R=F0=,則W=S==·F0·=F0s0,則D項(xiàng)正確,A、B、C項(xiàng)錯(cuò)誤.
4.(總功的計(jì)算)如圖14所示,平行于斜面向上的拉力F使質(zhì)量為m的物體勻加速地沿著長(zhǎng)為L(zhǎng)、傾角為α的斜面的一端向上滑到另一端,物體與斜面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ.求作用在物體上的各力對(duì)物體所做的總功.
圖14
答案 FL-mgLsin α-μmgLcos α
解析 選物體為研究對(duì)象,其受力如圖所示:
解法一:拉力F對(duì)物體所做的功為:WF=FL.
重力mg對(duì)物體所做的功為:WG=mgLcos(90°+α)=-mgLsin α.
摩擦力對(duì)物體所做的功為:Wf=fLcos 180°=-fL=-μmgLcos α.
支持力N對(duì)物體所做的功為:WN=NLcos 90°=0.
故各力的總功為:W=WF+WG+Wf+WN=FL-mgLsin α-μmgLcos α
解法二:物體受到的合力為:F合=F-mgsin α-f=F-mgsin α-μmgcos α
所以合力做的功為:W=F合L=FL-mgLsin α-μmgLcos α.
一、選擇題
考點(diǎn)一 功的概念的理解及正負(fù)功的判斷
1.下列選項(xiàng)所示的四幅圖是小華提包回家的情景,其中小華提包的力不做功的是( )
答案 B
【考點(diǎn)】對(duì)功的理解及是否做功的判斷
【題點(diǎn)】力是否做功的判斷
2.如圖1所示,在皮帶傳送裝置中,皮帶把物體P勻速送至高處,在此過(guò)程中,下列說(shuō)法正確的是( )
圖1
A.摩擦力對(duì)物體做正功
B.摩擦力對(duì)物體做負(fù)功
C.支持力對(duì)物體做正功
D.合外力對(duì)物體做正功
答案 A
解析 摩擦力方向平行皮帶向上,與物體運(yùn)動(dòng)方向相同,故摩擦力對(duì)物體做正功,A對(duì),B錯(cuò);支持力始終垂直速度方向,不做功,C錯(cuò);合力為零,不做功,D錯(cuò).
【考點(diǎn)】對(duì)功的正負(fù)的理解及判斷
【題點(diǎn)】對(duì)正負(fù)功的判斷
3.一人乘電梯從1樓到20樓,在此過(guò)程中經(jīng)歷了先加速,再勻速,最后減速的運(yùn)動(dòng)過(guò)程,則電梯對(duì)人的支持力做功的情況是( )
A.加速時(shí)做正功,勻速時(shí)不做功,減速時(shí)做負(fù)功
B.加速時(shí)做正功,勻速和減速時(shí)做負(fù)功
C.加速和勻速時(shí)做正功,減速時(shí)做負(fù)功
D.始終做正功
答案 D
解析 在加速、勻速、減速的過(guò)程中,支持力與人的位移方向始終相同,所以支持力始終對(duì)人做正功,故D正確.
【考點(diǎn)】對(duì)功的正負(fù)的理解及判斷
【題點(diǎn)】對(duì)正負(fù)功的判斷
考點(diǎn)二 功的計(jì)算
4.如圖所示,力F大小相等,A、B、C、D選項(xiàng)中物體沿水平面運(yùn)動(dòng)的位移s也相同,哪種情況F做功最少( )
答案 D
解析 A選項(xiàng)中,拉力做功W=Fs;B選項(xiàng)中,拉力做功W=Fscos 30°=Fs;C選項(xiàng)中,拉力做功W=Fscos 30°=Fs;D選項(xiàng)中,拉力做功W=Fscos 60°=Fs,故D選項(xiàng)中拉力F做功最少.
【考點(diǎn)】恒力做功的計(jì)算
【題點(diǎn)】單個(gè)力做功的計(jì)算
5.如圖2所示,質(zhì)量為m的物體A靜止在傾角為θ的斜面體B上,斜面體B的質(zhì)量為M.現(xiàn)對(duì)該斜面體B施加一個(gè)水平向左的推力F,使物體A隨斜面體B一起沿水平方向向左勻速運(yùn)動(dòng),物體A與斜面體B始終保持相對(duì)靜止,當(dāng)移動(dòng)的距離為s時(shí),斜面體B對(duì)物體A所做的功為( )
圖2
A.Fs B.mgssin θ·cos θ
C.mgssin θ D.0
答案 D
解析 對(duì)物體A進(jìn)行受力分析,其受到重力mg、支持力N、靜摩擦力f,如圖所示,由于物體A做勻速運(yùn)動(dòng),所以支持力N與靜摩擦力f的合力即斜面體B對(duì)物體A的作用力,方向豎直向上,而位移方向水平向左,斜面體B對(duì)物體A的作用力的方向與位移方向垂直,斜面體B對(duì)物體A所做的功為0,D正確.
【考點(diǎn)】恒力做功的計(jì)算
【題點(diǎn)】合力做功或外力做功之和的計(jì)算
6.起重機(jī)以1 m/s2的加速度將質(zhì)量為1 000 kg的貨物由靜止勻加速向上提升,若g取10 m/s2,則在第1 s內(nèi)起重機(jī)對(duì)貨物所做的功是( )
A.500 J B.4 500 J
C.6 000 J D.5 500 J
答案 D
解析 對(duì)貨物受力分析,由于是勻加速上升,根據(jù)牛頓第二定律F-mg=ma,可計(jì)算出起重機(jī)對(duì)貨物的拉力F=11 000 N,位移s=at2=0.5 m.則在第1 s內(nèi)起重機(jī)對(duì)貨物所做的功W=Fscos α=11 000×0.5×1 J=5 500 J,D正確.
【考點(diǎn)】恒力做功的計(jì)算
【題點(diǎn)】單個(gè)力做功的計(jì)算
7.如圖3所示,同一物體分別沿斜面AD和BD自頂點(diǎn)由靜止開(kāi)始下滑,該物體與兩斜面間的動(dòng)摩擦因數(shù)相同.在滑行過(guò)程中克服摩擦力做的功分別為WA和WB,則( )
圖3
A.WA>WB B.WA=WB
C.WA
收藏