2018_2019学年高考物理主题二机械能及其守恒定律第四章机械能及其守恒定律2.4.1功课件教科版
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上,当斜面体受力F作用后,物体随斜面一起沿水平面匀速 移动距离x。 (1)求物体所受各力对物体做的功分别是多少? 图6Βιβλιοθήκη (2)斜面对物体做的功是多少?
(3)合外力对物体做的功是多少?
解析
(1)物体做匀速直线运动,在重力G、支持力N
和摩擦力 f 这三个力的作用下处于平衡状态,各力均 为恒力,由物体受力分析图可得各力的大小分别为 G=mg,N=mgcos α,f=mgsin α
负功
①不能把负功的负号理解为力与位移方向相反,更不能错误地认为功是矢量,一个 力对物体做了负功,常常说成物体克服这个力做了正功,即力F做负功等效于物体克 说明 服力F做了正功。做功的过程就是能量转化的过程 ②比较做功多少时,只比较功的绝对值,不看功的正、负,例如-8 J的功要比5 J的 功多
[试题案例]
[试题案例]
[例2] (2018· 洛阳高一检测)一个质量m=2 kg的物体,受到与水平方向成37°角斜向上方 的力F=10 N作用,在水平地面上移动的距离x=2 m,物体与地面间的动摩擦因数为 0.3,g取10 m/s2,求外力对物体所做的总功。(cos 37°=0.8,sin 37°=0.6)
方三角形“面积”所表示的负功的代数和。 1 W1= ×(3+4)×2 J=7 J 2 1 W2=- ×(5-4)×2 J=-1 J 2 所以力 F 对物体做的功为 W=7 J-1 J=6 J。 故选项 B 正确。
答案
B
π 物体的位移方向水平向右,与重力 G 的夹角为 ;与支持 2 π 力 N 的夹角为 +α;与摩擦力 f 的夹角为 α。 2 根据公式 W=Fxcos α 可得 π WG=G· xcos =0 2
π mgxsin 2α WN=N· xcos( +α)=- 2 2 mgxsin 2α Wf=f· xcos α=mgsin α· xcos α= 。 2 (2)斜面对物体的作用力 N 与 f 的合力与 G 等大反向, 所以斜面对物体做的功为 0。
摩擦力f对物体所做的功为
W2=fxcos 180°=-4.2×2 J=-8.4 J 由于重力、支持力对物体不做功,故外力对物体所做的总功W等于W1和W2的代数和 所以W=W1+W2=7.6 J。 答案 7.6 J
求合力功的两种方法选择 (1)如果物体处于平衡状态或某一方向受力平衡 (合力等于零),或者物体在某一
图5
解析
物体受到的摩擦力为
f=μN=μ(mg-Fsin 37°)=0.3×(2×10-10×0.6) N=4.2 N
法一:先求合力,再求总功
物体受到的合力为
F合=Fcos 37°-f=10×0.8 N-4.2 N=3.8 N
所以W=F合x=3.8×2 J=7.6 J。
法二:先求各力做的功,再求总功 拉力F对物体所做的功为 W1=Fxcos 37°=10×2×0.8 J=16 J
第四章 机械能及其守恒定律 2.4.1 功
学习目标 1.理解做功与能量变化的关系。 2.理解功的概念和做功的两个要素。 3.会利用公式W=Fxcos α进行有关运算。
核心凝炼
2个要素——做功的两个要素: 力和在力的方向上发生的位移 1个表达式——W=Fxcos α
4.理解正功、负功的含义,能根据公式计算多个力
功。( × )
(2)力F1做功10 J,F2做功-15 J,力F1比F2做功少。( √ ) (3)功有正负之分,所以功是矢量。( × ) (4)一个力对物体做了负功,则说明这个力一定阻碍物体的运动。( √ )
对功的理解
[观察探究]
如图1所示,马拉着小车(包括人)沿水平面匀速前进了一段距离。
图1
(1)小车(包括人)受到几个力作用?每个力对小车做功吗?是正功还是负功? (2)马对小车做的功是否等于马的拉力F(设F与水平方向的夹角为α)和小车的位移x的乘 积? (3)拉力F一般分解为哪两个分力?F做的功与哪个分力做的功相同?
所做的总功。
一、做功与能量的变化
[观图助学]
甲
乙
(1)如图甲所示,射箭运动员正在参加射箭比赛。箭射出过程中什么力对箭做功?能量
是怎样转化的? (2)如图乙所示,①举重运动员把杠铃举高的过程中,运动员对杠铃做功吗?重力对杠 铃做功吗?做什么功? ②举重运动员举着杠铃不动(保持3秒即成功)的过程中,运动员对杠铃做功吗?重力对
选项A、B错误;人随车厢一起向右减速,人运动的加速度方向向左,根据牛顿第二 定律知车厢对人的水平作用力的方向向左,与车的位移方向相反,车厢对人的作用力
做负功,选项D正确,C错误。
答案 D
总功的求解思路 [观察探究]
如图4所示,坐在雪橇上的人与雪橇的总质量为m,在与水平面成
θ角的恒定拉力F作用下,沿水平地面向右移动了一段距离x。 雪橇做匀加速运动,合力做什么功?雪橇做匀减速运动,合力做 什么功?怎样求合力的功?
答案
见解析
正、负功的两种判断方法 (1)根据力 F 与位移 x 的夹角 α 进行判断 π π π 0≤α< 时,力对物体做正功;α= 时,力对物体不做功; <α≤π 时,力对物 2 2 2 体做负功。此方法一般用于研究物体做直线运动的情况。
(2)根据力 F 与速度 v 的夹角 α 进行判断 π π π 0≤α< 时,力对物体做正功;α= 时,力对物体不做功; <α≤π 时,力对 2 2 2 物体做负功。此方法一般用于研究物体做曲线运动的情况。
[针对训练1] (2018· 烟台高一检测 )如图3所示,在向右做匀减 速运动的车厢内,一人用力向前推车厢,该人与车厢始终
保持相对静止。则下列说法中正确的是(
A.人对车厢的推力不做功 B.人对车厢的推力做负功 C.车厢对人的作用力做正功 D.车厢对人的作用力做负功
)
图3
解析
人对车厢的推力方向向右,与车厢的位移方向相同,人对车厢的推力做正功,
杠铃做功吗?做什么功?
1.概念 :如果物体受到力的作用,并在力的_________ 方向上 发生了一段位移,这个力就对
物体做了功。
2.做功的两个因素 力
位移
[理解概念]
判断下列说法是否正确。
(1)力越大,位移越大,做功就越多。( × ) (2)力很大,位移也很大,这个力做的功可能为零。( √ ) (3)有力作用在物体上,并且物体也发生了位移时,力对物体一定做了功。( × ) (4)力对物体不做功,说明物体的位移一定为零。( × )
答案
(1)小车(包括人)受4个力作用:重力、支持力、拉力、摩擦力,其中拉力做正
功,摩擦力做负功,重力和支持力不做功。 (2)不等于。因为W=Fxcos α。 (3)拉力可以分解为沿水平方向和竖直方向的两个分力。F做的功与水平方向分力做的 功相同。
[探究归纳]
1.对功的理解
(1)两个决定因素 ①作用在物体上的外力; ②物体在力的方向上的位移。 (2)功是力在空间上的积累效应,它总是与一个过程相联系。因此,功是一个过程
量。计算功时,一定要明确是哪个力在哪一过程中对物体做的功。
2.对公式W=Fxcos α的理解
(1)W=F· xcos α可理解为功等于力F与沿力F方向的位移xcos α的乘积。 (2)W=Fcos α· x,也可理解为功等于沿位移方向的分力Fcos α 与位移x的乘积。 (3)适用条件:公式W=Fxcos α只适用于计算恒力做功,若是变力做功,此公式不再 适用。 3.正功和负功的物理意义 功是标量,只有大小没有方向,功的正、负既不表示功有方向,也不表示功的数值
二、功的计算公式 [观图助学] 小华沿水平方向推木箱,推力F=10 N,木箱沿水平方向前进了2 m,此过程中小华
对木箱做了多少功?
1.功的公式 Fx 。 (1)力F与位移x同向时,W=______ 力的大小 、 (2)力F与位移x夹角为 α时,W=________ Fxcos α 。其中F、x、α分别为__________
力与位移 方向的夹角。 ____________ 位移的大小 和__________
焦耳 ,符号是____ 2.功的单位:国际单位制中,功的单位是_______ J 。
三、功的正负
合力的功
[观图助学]
如图所示,一阵风水平吹过,将熟透的苹果从2 m高的 枝头吹落。若苹果重2 N,风力恒为1 N,下落的水平 位移为1 m。苹果下落过程中: (1)重力和风力各做多少功? (2)重力和风力对苹果做的总功能不能用平行四边形定则来求?若不能应该怎
大小。正功和负功只表示两种相反的做功效果,功的正、负有如下含义:
意义 正功
动力学角度
能量角度
力对物体做正功,这个力对物体来说是动 力是对物体做正功,向物体提供能量,即 力 力对物体做负功,这个力对物体来说是阻 力,对物体的运动起阻碍作用 受力物体获得了能量 物体克服外力做功,向外输出能量(以消耗 自身能量为代价),即负功表示物体失去了 能量
(3)因为物体受力平衡,F 合=0,故 W 总=0 mgxsin 2α mgxsin 2α 或 W 总=WG+WN+Wf=0+(- )+ =0, 2 2 即合外力对物体做功为 0。
答案
(1)见解析 (2)0
(3)0
变力做功的计算方法
方法 以例说法
微元法
质量为m的木块在水平面内做圆周运动,运动一周克服摩擦力做功Wf=f·Δx1+f·Δx2+ f·Δx3+…=f(Δx1+Δx2+Δx3+…)=f·2πR
图像法 一水平拉力F0拉着一物体在水平面上运动的位移为x0,图线与横轴所围面积表示拉力
所做的功,W=F0x0
【针对练习】
一物体所受的力F随位移x变化的图像如图7所示,求在这一过程中, )
力F对物体做的功为(
图7 A.3 J C.7 J B.6 J D.8 J
解析
力 F 对物体做的功等于 x 轴上方梯形“面积”所表示的正功与 x 轴下
么求?
1.力对物体做正功和负功的条件
α 的取值 π α= 2 π 0≤α< 2 π < α≤ π 2 W 的取值 W= 0 W> 0 W< 0 含义 力 F _______ 不做功 力 F 对物体做_______ 正功
负功 力 F 对物体做_______
(或说成物体克服力 F 做功)
2.总功的计算 代数和 。 (1)各个分力分别对物体所做功的_________ (2)几个力的_______ 合力 对物体所做的功。 [理解概念] 判断下列说法是否正确。 (1)用力推汽车,虽然汽车没动,但推车者累得满头大汗,所以说推车者对汽车做了
[例1] 如图2所示,物体在力的作用下在水平面上发生一段位移 x,试分别计算这四种情 况下力F对物体所做的功。设在这四种情况下力F和位移x的大小都相同:F=10 N,x =1 m,角θ的大小如图所示,分别说明每种情况下力F做功的正负,并求出功。
图2
解析
甲图中力 F 做正功,
W=Fxcos (180° -θ)=Fxcos 30° = 5 3 J。 乙图中力 F 做负功, W=Fxcos (180° -θ)=Fxcos 150° =-5 3 J。 丙图中力 F 做正功, W=Fxcos 30° =5 3 J。 丁图中力 F 做正功, W=Fx=10 J。
图4
答案
雪橇做匀加速运动,合力做正功。雪橇做匀减速运动,合力做负功。合
力的功等于拉力F做的功与摩擦力做的功的代数和,或者等于拉力和摩擦力的合 力做的功。
[探究归纳]
求合力做功的两种方法
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,因此计算合 力的功有两种方法: (1)先求物体所受的合力,再根据公式W合=F合xcos α求合力的功。(此法适用于合力恒 定的情况。) (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,即合力做的功等于各个力做功的代数和。(此法适用于任何情况。)
方向上做匀变速直线运动 (合力等于ma),先求合力再求功的方法更简捷。此法
仅适用于几个力同时作用于物体上,且合力恒定的情况。 (2)如果物体所受的力中有的不做功,有的做功且方便求得该力的功时,选择W
合=W1+W2+…+Wn简单方便。此法既适用于几个力同时作用,还适用于几个
力作用时间有先后的情况。
[针对训练2] 如图6所示,质量为m的物体静止于倾角为α的斜面
(3)合外力对物体做的功是多少?
解析
(1)物体做匀速直线运动,在重力G、支持力N
和摩擦力 f 这三个力的作用下处于平衡状态,各力均 为恒力,由物体受力分析图可得各力的大小分别为 G=mg,N=mgcos α,f=mgsin α
负功
①不能把负功的负号理解为力与位移方向相反,更不能错误地认为功是矢量,一个 力对物体做了负功,常常说成物体克服这个力做了正功,即力F做负功等效于物体克 说明 服力F做了正功。做功的过程就是能量转化的过程 ②比较做功多少时,只比较功的绝对值,不看功的正、负,例如-8 J的功要比5 J的 功多
[试题案例]
[试题案例]
[例2] (2018· 洛阳高一检测)一个质量m=2 kg的物体,受到与水平方向成37°角斜向上方 的力F=10 N作用,在水平地面上移动的距离x=2 m,物体与地面间的动摩擦因数为 0.3,g取10 m/s2,求外力对物体所做的总功。(cos 37°=0.8,sin 37°=0.6)
方三角形“面积”所表示的负功的代数和。 1 W1= ×(3+4)×2 J=7 J 2 1 W2=- ×(5-4)×2 J=-1 J 2 所以力 F 对物体做的功为 W=7 J-1 J=6 J。 故选项 B 正确。
答案
B
π 物体的位移方向水平向右,与重力 G 的夹角为 ;与支持 2 π 力 N 的夹角为 +α;与摩擦力 f 的夹角为 α。 2 根据公式 W=Fxcos α 可得 π WG=G· xcos =0 2
π mgxsin 2α WN=N· xcos( +α)=- 2 2 mgxsin 2α Wf=f· xcos α=mgsin α· xcos α= 。 2 (2)斜面对物体的作用力 N 与 f 的合力与 G 等大反向, 所以斜面对物体做的功为 0。
摩擦力f对物体所做的功为
W2=fxcos 180°=-4.2×2 J=-8.4 J 由于重力、支持力对物体不做功,故外力对物体所做的总功W等于W1和W2的代数和 所以W=W1+W2=7.6 J。 答案 7.6 J
求合力功的两种方法选择 (1)如果物体处于平衡状态或某一方向受力平衡 (合力等于零),或者物体在某一
图5
解析
物体受到的摩擦力为
f=μN=μ(mg-Fsin 37°)=0.3×(2×10-10×0.6) N=4.2 N
法一:先求合力,再求总功
物体受到的合力为
F合=Fcos 37°-f=10×0.8 N-4.2 N=3.8 N
所以W=F合x=3.8×2 J=7.6 J。
法二:先求各力做的功,再求总功 拉力F对物体所做的功为 W1=Fxcos 37°=10×2×0.8 J=16 J
第四章 机械能及其守恒定律 2.4.1 功
学习目标 1.理解做功与能量变化的关系。 2.理解功的概念和做功的两个要素。 3.会利用公式W=Fxcos α进行有关运算。
核心凝炼
2个要素——做功的两个要素: 力和在力的方向上发生的位移 1个表达式——W=Fxcos α
4.理解正功、负功的含义,能根据公式计算多个力
功。( × )
(2)力F1做功10 J,F2做功-15 J,力F1比F2做功少。( √ ) (3)功有正负之分,所以功是矢量。( × ) (4)一个力对物体做了负功,则说明这个力一定阻碍物体的运动。( √ )
对功的理解
[观察探究]
如图1所示,马拉着小车(包括人)沿水平面匀速前进了一段距离。
图1
(1)小车(包括人)受到几个力作用?每个力对小车做功吗?是正功还是负功? (2)马对小车做的功是否等于马的拉力F(设F与水平方向的夹角为α)和小车的位移x的乘 积? (3)拉力F一般分解为哪两个分力?F做的功与哪个分力做的功相同?
所做的总功。
一、做功与能量的变化
[观图助学]
甲
乙
(1)如图甲所示,射箭运动员正在参加射箭比赛。箭射出过程中什么力对箭做功?能量
是怎样转化的? (2)如图乙所示,①举重运动员把杠铃举高的过程中,运动员对杠铃做功吗?重力对杠 铃做功吗?做什么功? ②举重运动员举着杠铃不动(保持3秒即成功)的过程中,运动员对杠铃做功吗?重力对
选项A、B错误;人随车厢一起向右减速,人运动的加速度方向向左,根据牛顿第二 定律知车厢对人的水平作用力的方向向左,与车的位移方向相反,车厢对人的作用力
做负功,选项D正确,C错误。
答案 D
总功的求解思路 [观察探究]
如图4所示,坐在雪橇上的人与雪橇的总质量为m,在与水平面成
θ角的恒定拉力F作用下,沿水平地面向右移动了一段距离x。 雪橇做匀加速运动,合力做什么功?雪橇做匀减速运动,合力做 什么功?怎样求合力的功?
答案
见解析
正、负功的两种判断方法 (1)根据力 F 与位移 x 的夹角 α 进行判断 π π π 0≤α< 时,力对物体做正功;α= 时,力对物体不做功; <α≤π 时,力对物 2 2 2 体做负功。此方法一般用于研究物体做直线运动的情况。
(2)根据力 F 与速度 v 的夹角 α 进行判断 π π π 0≤α< 时,力对物体做正功;α= 时,力对物体不做功; <α≤π 时,力对 2 2 2 物体做负功。此方法一般用于研究物体做曲线运动的情况。
[针对训练1] (2018· 烟台高一检测 )如图3所示,在向右做匀减 速运动的车厢内,一人用力向前推车厢,该人与车厢始终
保持相对静止。则下列说法中正确的是(
A.人对车厢的推力不做功 B.人对车厢的推力做负功 C.车厢对人的作用力做正功 D.车厢对人的作用力做负功
)
图3
解析
人对车厢的推力方向向右,与车厢的位移方向相同,人对车厢的推力做正功,
杠铃做功吗?做什么功?
1.概念 :如果物体受到力的作用,并在力的_________ 方向上 发生了一段位移,这个力就对
物体做了功。
2.做功的两个因素 力
位移
[理解概念]
判断下列说法是否正确。
(1)力越大,位移越大,做功就越多。( × ) (2)力很大,位移也很大,这个力做的功可能为零。( √ ) (3)有力作用在物体上,并且物体也发生了位移时,力对物体一定做了功。( × ) (4)力对物体不做功,说明物体的位移一定为零。( × )
答案
(1)小车(包括人)受4个力作用:重力、支持力、拉力、摩擦力,其中拉力做正
功,摩擦力做负功,重力和支持力不做功。 (2)不等于。因为W=Fxcos α。 (3)拉力可以分解为沿水平方向和竖直方向的两个分力。F做的功与水平方向分力做的 功相同。
[探究归纳]
1.对功的理解
(1)两个决定因素 ①作用在物体上的外力; ②物体在力的方向上的位移。 (2)功是力在空间上的积累效应,它总是与一个过程相联系。因此,功是一个过程
量。计算功时,一定要明确是哪个力在哪一过程中对物体做的功。
2.对公式W=Fxcos α的理解
(1)W=F· xcos α可理解为功等于力F与沿力F方向的位移xcos α的乘积。 (2)W=Fcos α· x,也可理解为功等于沿位移方向的分力Fcos α 与位移x的乘积。 (3)适用条件:公式W=Fxcos α只适用于计算恒力做功,若是变力做功,此公式不再 适用。 3.正功和负功的物理意义 功是标量,只有大小没有方向,功的正、负既不表示功有方向,也不表示功的数值
二、功的计算公式 [观图助学] 小华沿水平方向推木箱,推力F=10 N,木箱沿水平方向前进了2 m,此过程中小华
对木箱做了多少功?
1.功的公式 Fx 。 (1)力F与位移x同向时,W=______ 力的大小 、 (2)力F与位移x夹角为 α时,W=________ Fxcos α 。其中F、x、α分别为__________
力与位移 方向的夹角。 ____________ 位移的大小 和__________
焦耳 ,符号是____ 2.功的单位:国际单位制中,功的单位是_______ J 。
三、功的正负
合力的功
[观图助学]
如图所示,一阵风水平吹过,将熟透的苹果从2 m高的 枝头吹落。若苹果重2 N,风力恒为1 N,下落的水平 位移为1 m。苹果下落过程中: (1)重力和风力各做多少功? (2)重力和风力对苹果做的总功能不能用平行四边形定则来求?若不能应该怎
大小。正功和负功只表示两种相反的做功效果,功的正、负有如下含义:
意义 正功
动力学角度
能量角度
力对物体做正功,这个力对物体来说是动 力是对物体做正功,向物体提供能量,即 力 力对物体做负功,这个力对物体来说是阻 力,对物体的运动起阻碍作用 受力物体获得了能量 物体克服外力做功,向外输出能量(以消耗 自身能量为代价),即负功表示物体失去了 能量
(3)因为物体受力平衡,F 合=0,故 W 总=0 mgxsin 2α mgxsin 2α 或 W 总=WG+WN+Wf=0+(- )+ =0, 2 2 即合外力对物体做功为 0。
答案
(1)见解析 (2)0
(3)0
变力做功的计算方法
方法 以例说法
微元法
质量为m的木块在水平面内做圆周运动,运动一周克服摩擦力做功Wf=f·Δx1+f·Δx2+ f·Δx3+…=f(Δx1+Δx2+Δx3+…)=f·2πR
图像法 一水平拉力F0拉着一物体在水平面上运动的位移为x0,图线与横轴所围面积表示拉力
所做的功,W=F0x0
【针对练习】
一物体所受的力F随位移x变化的图像如图7所示,求在这一过程中, )
力F对物体做的功为(
图7 A.3 J C.7 J B.6 J D.8 J
解析
力 F 对物体做的功等于 x 轴上方梯形“面积”所表示的正功与 x 轴下
么求?
1.力对物体做正功和负功的条件
α 的取值 π α= 2 π 0≤α< 2 π < α≤ π 2 W 的取值 W= 0 W> 0 W< 0 含义 力 F _______ 不做功 力 F 对物体做_______ 正功
负功 力 F 对物体做_______
(或说成物体克服力 F 做功)
2.总功的计算 代数和 。 (1)各个分力分别对物体所做功的_________ (2)几个力的_______ 合力 对物体所做的功。 [理解概念] 判断下列说法是否正确。 (1)用力推汽车,虽然汽车没动,但推车者累得满头大汗,所以说推车者对汽车做了
[例1] 如图2所示,物体在力的作用下在水平面上发生一段位移 x,试分别计算这四种情 况下力F对物体所做的功。设在这四种情况下力F和位移x的大小都相同:F=10 N,x =1 m,角θ的大小如图所示,分别说明每种情况下力F做功的正负,并求出功。
图2
解析
甲图中力 F 做正功,
W=Fxcos (180° -θ)=Fxcos 30° = 5 3 J。 乙图中力 F 做负功, W=Fxcos (180° -θ)=Fxcos 150° =-5 3 J。 丙图中力 F 做正功, W=Fxcos 30° =5 3 J。 丁图中力 F 做正功, W=Fx=10 J。
图4
答案
雪橇做匀加速运动,合力做正功。雪橇做匀减速运动,合力做负功。合
力的功等于拉力F做的功与摩擦力做的功的代数和,或者等于拉力和摩擦力的合 力做的功。
[探究归纳]
求合力做功的两种方法
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,因此计算合 力的功有两种方法: (1)先求物体所受的合力,再根据公式W合=F合xcos α求合力的功。(此法适用于合力恒 定的情况。) (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,即合力做的功等于各个力做功的代数和。(此法适用于任何情况。)
方向上做匀变速直线运动 (合力等于ma),先求合力再求功的方法更简捷。此法
仅适用于几个力同时作用于物体上,且合力恒定的情况。 (2)如果物体所受的力中有的不做功,有的做功且方便求得该力的功时,选择W
合=W1+W2+…+Wn简单方便。此法既适用于几个力同时作用,还适用于几个
力作用时间有先后的情况。
[针对训练2] 如图6所示,质量为m的物体静止于倾角为α的斜面