教科版(2019)高中物理必修第二册4-1 功 课件

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甲乙
(2)滑动摩擦力和静摩擦力都可以对物体做负功. ①如图甲所示,在物块 A 与平板车 B 相对滑动的过程中,物 块 A 所受的滑动摩擦力对物块 A 做负功. ②如图乙所示,在一与水平方向夹角为 θ 的传送带上,有一 物体 A 随传送带一起匀速向下运动,在这里静摩擦力对物体 A 做负功.
(3)滑动摩擦力和静摩擦力都可以对物体做正功. ①如图甲所示,如果平板车不固定,且地面光滑,在物块 A 滑上平板车 B 的过程中,物块 A 对平板车 B 的滑动摩擦力与 平板车 B 运动方向相同,在这里滑动摩擦力对平板车 B 做正 功. ②如图乙所示,如果物体 A 随传送带一起匀速向上运动,物 体 A 所受静摩擦力与物体位移方向一致,静摩擦力对物体 A 做正功.

学习目标
1.知道功的定义,理解做功的两个必要因素. 2.掌握功的公式 W=Fxcosα,知道公式中各个字母所代表的 物理量和功的单位.(重点) 3.知道功是标量,理解正功和负功的含义,能正确判断正功 和负功. 4.总功的计算以及变力做功的求解.(难点)
情境导入
蒸汽机的发明、改良和广泛使用是第一次工业革命开始的标志。 观察下图,说一说人们使用蒸汽机的目的是?
(1)公式 W=Fxcos α 仅适用于恒力做功的情况. (2)功虽然有正负,但功是标量,它的正负不表示方向.
如图所示,质量为 2 kg 的物体在水平地面上,受到与水平 方向成 37°角、大小为 10 N 的拉力作用,使物体从 A 点移到 B 点, 移动距离为 x=2 m,已知地面与物体之间的动摩擦因数 μ=0.2.(g 取 10 m/s2,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8)求: (1)拉力对物体做的功. (2)重力对物体做的功. (3)弹力对物体做的功. (4)摩擦力对物体做的功. (5)合外力对物体做的总功.
跟踪训练
2.如图所示,轻弹簧一端与竖直墙壁连接,另一端与一质量 为 m 的木块连接,放在光滑的水平面上,弹簧的劲度系数为 k,弹簧处于自然状态.用水平力缓慢拉木块,使木块前进 x, 求这一过程中拉力对木块做了多少功?
解析:法一:缓慢拉动木块,可认为木块处于平衡状态,故拉力等于 弹力大小 F=kx. 因该力与位移成正比,可用平均力-F =k2x求功,W=-F x=12kx2. 法二:F-x 图像如图所示,△OxA 的面积大小即为克服弹力做的功 W =12kx2,拉力做的功 WF=W=12kx2.
讨论交流
在燃烧同样多的燃料的情况下,讨论以下几个问题: 1.竖直提升重物时,怎样比较蒸汽机“能力”的大小? 2.水平推动物体时,怎样比较蒸汽机“能力”的大小? 3.衡量蒸汽机“能力”大小的因素是什么? 4.如何方便地定量比较蒸汽机“能力”的大小?
新知学习
一、功的概念的起源 1.功的概念:如果物体受到力的作用,并在力的方向上发生 了__位__移__,我们就说力对物体做了功. 2.功与能量:功与能量变化密切相关,做功的过程就是 _能__量__变__化___的过程.
2.作用力、反作用力做功的特点 (1)作用力与反作用力的特点:大小相等、方向相反,但作用 在不同物体上. (2)作用力、反作用力作用下的物体运动特点:可能向相反方 向运动,也可能向同一方向运动.也可能一个运动,而另一 个静止,还可能两物体都静止. (3)由 W=Fxcos α 不难判断,作用力的功与反作用力的功的 特点:没有必然的关系,即不一定一正一负,也不一定绝对 值相等.
表达的物理意义是功等于位移与沿位移方向的力的乘积.
3.功的正负 (1)动力学角度:力对物体做正功,这个力对物体来说是动力; 力对物体做负功,这个力对物体来说是阻力,阻碍物体运动. (2)能量角度:力对物体做功,向物体提供能量,即受力物体 获得了能量;物体克服外力做功,向外输出能量,即负功表 示物体失去了能量. (3)判断力是否做功及做功正负的方法:①看力 F 与 x 的夹角 (常用于恒力做功的情况);②看力 F 与 v 方向的夹角(常用于 曲线运动的情形).
某人利用如图所示的装置,用 100 N 的恒力 F 作用于 不计质量的细绳的一端,将物体从水平面上的 A 点移到 B 点.已知 α1=30°,α2=37°,h=1.5 m,不计滑轮质量及 绳与滑轮间的摩擦.求绳的拉力对物体所做的功.
[思路点拨] 解决本题的两个关键点: (1)把变力做的功转化成恒力做功求解; (2)力 F 做功的位移等于左边绳变短的部分,而不等于物体的 位移.
2.公式 W=Fxcos α 的理解 (1)F 表示力的大小,x 表示力的作用点相对于地面位移的大 小,当力的作用点的位移与物体的位移相同时,也常常说是 物体相对于地面的位移大小,α 表示力和位移方向间的夹角. (2)公式可以表达为 W=F·xcos α,表达的意义是功等于沿力 F 方向的位移与力的乘积;公式也可以表达为 W=Fcos α·x,
3.分段法(或微元法) 当力的大小不变,力的方向时刻与速度同向(或反向)时,把物 体的运动过程分为很多小段,这样每一小段可以看成直线, 先求力在每一小段上的功,再求和即可. 4.等效替换法 若某一变力的功和某一恒力的功相等,则可以用求得的恒力 的功来作为变力的功.
滑动摩擦力、空气阻力总与物体运动的方向相 反.物体做曲线运动时,可把运动过程细分,每一小段做功 为 Fl,整个运动过程所做的总功是力与各小段位移大小之积 的和,即 W=Fl 路程.
A.W1=W2=W3 C.W1<W3<W2
B.W1<W2<W3 D.W1=W2<W3
解析:选 B.在第 1 s 内,滑块的位移为 x1=12×1×1 m=0.5 m 力 F 做的功为 W1=F1x1=1×0.5 J=0.5 J 第 2 s 内,滑块的位移为 x2=12×1×1 m=0.5 m 力 F 做的功为 W2=F2x2=3×0.5 J=1.5 J 第 3 s 内,滑块的位移为 x3=1×1 m=1 m 力 F 做的功为 W3=F3x3=2×1 J=2 J 所以 W1<W2<W3,故应选 B.
力 F1 对物体做了 20 J 的功,力 F2 对物体做了-100 J 的功, F1、F2 哪一个力对物体做的功多? 提示:不表示功的大小,所以 F2 对物体做的功多.
重难点突破
知识点 1 对功的理解 1.功的决定因素 做功具有两个必不可少的决定因素: (1)做功的力;(2)物体在力的方向上的位移. 力对物体是否做了功,只与这两个因素有关,与其他因素, 诸如物体运动的快慢、运动的性质、接触面是否光滑、物体 质量的大小等均无关系.
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,明确物体受哪几个力以及每 个力的方向,求出合外力并确定其方向. (2)确定物体对地的位移,明确位移的大小和方向. (3)根据定义式 W=Fxcos α 求出每一个力的功,求出所有外 力做功的代数和,也可以根据公式 W 合=F 合 xcos α 直接求出 合外力的功,即可得总功. (4)若物体的运动有多个过程,并且不同过程中受力也不同, 求解总功时,应分解过程,然后用代数和的方法求解总功.
跟踪训练
1.一滑块在水平地面上沿直线滑行,t=0 时其速度为 1 m/s.从此刻开始在滑块 运动方向上再施加一水平作用力 F,力 F 和滑块的速度 v 随时间的变化规律分别 如图中的甲和乙所示.设在第 1 秒内、第 2 秒内、第 3 秒内力 F 对滑块做的功分 别为 W1、W2、W3,则以下关系式正确的是( )
[解析] 只要弄清物体的受力情况,明确每个力与位移的夹角,就可根 据功的定义求解. (1)拉力 F 做功: WF=F·x·cos 37°=10×2×0.8 J=16 J. (2)重力 G 做功:WG=mg·x·cos 90°=0. (3)弹力 N 做功:WN=N·x·cos 90°=0. (4)摩擦力 f 做功: Wf=f·x·cos 180°=-μNx=-μ(mg-Fsin 37°)·x=-5.6J.
知识点 2 变力做功的计算 1.平均值法 当力 F 的大小发生变化,且 F 成线性变化时,F 的 平均值 F′=F1+2 F2,用 F′计算 F 做的功. 2.图像法 变力的功 W 可用 F-x 图线与 x 轴所包围的面积表 示.x 轴上方的面积表示力对物体做正功的多少,x 轴下方的面积表示力对物体做负功的多少.
4.总功的计算 由合力与分力的等效替代关系知,合力与分力做功也是可以 等效替代的,因此计算总功的方法有两种: (1)先求物体所受的合外力,再根据公式 W 合=F 合 xcos α 求合 外力的功. (2)先根据 W=Fxcos α,求每个分力做的功 W1、W2、…、Wn, 再根据 W 合=W1+W2+…+Wn,求合力的功.
[解析] 绳对物体的拉力虽然大小不变,但方向不断变化,所以不能直接根据 W=Fxcos α 求绳的拉力对物体做的功.由于不计绳与滑轮的质量及摩擦,所 以恒力 F 做的功和绳对物体的拉力做的功相等.本题可以通过求恒力 F 所做 的功求出绳对物体的拉力所做的功.由于恒力 F 作用在绳的端点,故需先求 出绳的端点的位移 x,再求恒力 F 的功. 由几何关系知,绳的端点的位移为 x=sin h30°-sin h37°=13h=0.5 m 在物体从 A 移到 B 的过程中,恒力 F 做的功为 W=Fx=100×0.5 J=50 J. 故绳的拉力对物体所做的功为 50 J. [答案] 50 J
2.正功、负功的物理意义(如图所示)
(1)力 F 是动力,对物体做_正__功. (2)力 f 是阻力,对物体做_负__功,或说物体克服 f 做_正__功. (3)力 N 和 G 既不是动力,也不是阻力,不做功. 3.合力的功 当物体同时受到几个力的作用时,所有这些力对物体所做的功的 _代__数__和___等于这些力的__合__力____对物体所做的功.
特别提醒: (1)一对静摩擦力的功一定是相等的,且一正一负. (2)一对滑动摩擦力的功不相等,且负功大于正功.
(5)法一:合外力做的总功等于各力做功的代数和. W 总=WF+WG+WN+Wf=16 J+0+0-5.6 J=10.4 J. 法二:可先求出合力,再求合力做的总功.用正交分解法求 合力. F 合=Fcos 37°-μ(mg-Fsin 37°)=5.2 N, W 总=F 合·x·cos 0°=5.2×2×1 J=10.4 J. [答案] (1)16 J (2)0 (3)0 (4)-5.6 J (5)10.4 J
答案:12kx2
知识点 3 关于摩擦力的功和相互作用力的功 1.摩擦力做功的特点 (1)滑动摩擦力和静摩擦力都可以对物体不做功. ①如图甲所示,物块 A 从斜槽上滑下,最后停在固定的平板 车 B 上.在物块 A 与平板车 B 相对滑动的过程中,平板车 B 所受的滑动摩擦力不做功.
②手握瓶子使其水平运动,此时瓶子所受静摩擦力与移动位 移垂直,故静摩擦力对瓶子不做功.
三、功的正负 1.正功、负功的条件
α 范围 0≤α<90°
α=90° 90°<α≤180°
cos α 范围 cos α>0 cos α=0 cos α<0
W 正负 W>0 W=0 W<0
讨论交流
如图所示,滑块在弹簧的作用下沿水平气垫导轨做往复运动。 1.滑块受到几个力的作用?请判断各个力对滑块做功的正负。 2.你认为功的正负有什么物理意义?
讨论交流
1.在下图所示的过程中,力对货物、握力器、汽车以及水桶的做 功情况是怎样的? 2.你认为力对物体做功的必要因素是什么?
二、功的计算 1.力 F 与位移 x 同向时:W=__F_x___. 2.力 F 与位移 x 有夹角 α 时:W=_F_x_c_o_s_α___,其中 F、x、 cos α 分别表示力的大小、位移的大小、力和位移夹角的余弦. 3.各物理量的单位:F 的单位是_牛__顿___,x 的单位是_米__,W 的单位是__牛__·_米___,即焦耳.
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