粤教版高中物理必修2第四章章末整合课件ppt

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Fscos α
在力的方向上发生一段位移
Fv
12mv2 路径
合外力对物体所做的功
重力做功 保持不变
专题一 功的判断与计算
1.判断力 F 做功的正负: (1)看力 F 与位移 s 的夹角α的大小.若α=90°,则F不做 功;若α<90°,则F做正功;若α>90°,则F做负功(或物体克服 力 F 做功).此法常用于判断恒力做功的情况. (2)看力 F 与物体速度 v 方向的夹角α的大小.若α=90°, 则 F 不做功;若α<90°,则 F 做正功;若α>90°,则F做负功. 此法常用于曲线运动的情况.
2.变力做功的计算方法: 对于功的定义式 W=Fscos α,其中的 F 是恒力,适用于求 恒力做功,其中的 s 是力 F 的作用点发生的位移,α是力 F 与位 移 s 的夹角.求变力做功的方法很多,比如用动能定理、功率 的表达式 W=Pt、功能关系、平均值、F-s 图象等来求变力做 功. (1)运用功的公式求变力做功: 求某个过程中的变力做功,可以通过等效法把求该变力做 功转换成求与该变力做功相同的恒力的功,此时可用功的定义 式 W=Fscos α求恒力的功,从而求得该变力的功.等效转换的 关键是分析清楚该变力做功到底与哪个恒力的功是相同的.
【例 5】一个圆柱形的竖直井里存有一定量的水,井的侧 面和底部是密闭的.在井中固定地插着一根两端开口的薄壁圆 管,管和井共轴,管下端未触及井底.在圆管 内有一不漏气的活塞,它可沿圆管上下滑动.
如图 4-4 所示,现用卷扬机通过绳子对活塞施 加一个向上的力 F,使活塞缓慢向上移动.已 知圆管半径 r=0.10 m,井的半径 R=2r,水的 图 4-4 密度ρ=1.00×103 kg/m3,大气压 p0=1.00×105 Pa,求活塞上升 H=9.00 m 的过程中拉力所做的功(井和管在水面上及水面下的 部分都足够长,不计活塞质量,不计摩擦,重力加速度 g= 10 m/s2).
轨道回到 A 点,到达 A 点时对轨道的压力为
4mg.求初速度 vA 和小球由 B 经 F 回到 A 的过 程中克服摩擦力所做的功.
图 4-8
解:小球在 B 点满足:mg=mvR2B① A→E→B 由动能定理得:-2mgR=12mv2B-12mv2A 联立以上两式可得 vA= 5gR. 小球从 B→F→A,在 A 点满足:FN-mg=mv′R 2A 将 FN=4mg 代入解之得:v′A= 3gR② 设小球从 B→F→A 的过程中克服摩擦力抽做的功为 Wf,由 动能定理可得 2mgR-Wf=12mv′2A-12mv2B③ 联立①~③可得 Wf=mgR.
解:铁锤每次做的功都是用来克服铁钉阻力做的功,但摩
擦阻力不是恒力,其大小与深度成正比,F=kx,以 F 为纵坐标,
F 方向上的位移 x 为横坐标,作出 F-x 图象,如图4-5,函数
图线与 x 轴所夹阴影部分面积的值等于 F 对铁钉做的功.由于
两次做功相等,故有 S1=S2(面积),即
12kx21=12k(x2+x1)(x2-x1)
【例 3】如图 4-3 所示,原来质量为 m 的小球用长为 L 的 细线悬挂而静止在竖直位置.用水平拉力 F 将小球缓慢地拉到 细线与竖直方向成θ角的位置的过程中,拉力 F 做功为( )
A.FLcos θ B.FLsin θ C.FL(1-cos θ) D.mgL(1-cos θ)
图 4-3
解析:很多同学会错选 B,原因是没有分析运动过程,对 W=Fscos θ的适用范围搞错,恒力做功可以直接用这种方法求, 但变力做功则不能直接用此方法求.小球的运动过程是缓慢的, 因而任一时刻都可看做是平衡状态,因此 F 的大小不断变大, F 做的功是变力功.小球上升过程中只有重力和拉力做功,而 整个过程的动能变化为零,可用动能定理求解,有 WF+WG= Ek′-Ek=0,所以 WF=-WG=mgL(1-cos θ),故 D 正确.
解:大气压 p0 能够支撑的水柱高度为 h0=ρpg0=10 m 从开始提升到活塞至管内外水面高度差为 10 m 的过程中, 活塞始终与水面接触,设活塞上升 h1,管外液面下降 h2,则有 h0=h1+h2 因水的体积不变,有 h1πr2=h2(πR2-πr2) 可得 h1=3h2,h1=34h0=7.5 m<H 此过程拉力为变力,根据功能关系,对于水和活塞这个整 体,其机械能的增加量等于除重力以外其他力做的功.根据题
【触类旁通】
1.如图 4-7 所示,木板可绕固定水平轴 O 转动.木板从 水平位置 OA 缓慢转到 OB 位置,木板上的物块始终相对于木
板静止.在这一过程中,物块的重力势能增加了 2 J.用 FN 表 示物块受到的支持力,用 Ff 表示物块受到的摩擦力.在此过程
中,以下判断正确的是( B )
A.FN 和 Ff 对物块都不做功 B.FN 对物块做功为 2 J,Ff 对物块不做功 C.FN 对物块不做功,Ff 对物块做功为 2 J
A.绳的拉力对小球不做功
B.绳的拉力对小球做正功
C.小球所受的合力不做功 D.绳的拉力对小球做负功
图 4-1
解析:在小球向下摆动的过程中,小车向右运动,绳对小 车做正功,小车的动能增加;因为小球和小车组成的系统机械 能守恒,且小车的机械能增加,则小球的机械能一定减少,所 以绳对小球的拉力做负功.
答案:D
解:牵引力是变力,该过程中保持功率 P 恒定,牵引力的 功可以通过 W=Pt 来求.设汽车加速运动的时间为 t1,由动能 定理得 Pt1-fs=0
汽车达到最大速度时,牵引力和阻力大小相等,则 P=Fvm=fvm,即 f=vPm
可求得汽车加速运动的时间为
t1=fPs=vsm=1
200 24
s=50 s
答案:D
(3)运用 W=Pt 求变力做功: 涉及机车的启动、吊车吊物体等问题,如果在某个过程中 保持功率 P 恒定,随着机车或物体速度的改变,牵引力也改变, 要求该过程中牵引力的功,可以通过 W=Pt 求变力做功. 【例 4】质量为 5 000 kg 的汽车,在平直公路上以 60 kW 的恒定功率从静止开始启动,速度达到 24 m/s 的最大速度后, 立即关闭发动机,汽车从启动到最后停下通过的总位移为 1 200 m.运动过程中汽车所受的阻力不变,求汽车运动的时间.
【例 2】人在 A 点拉着绳通过一定滑轮吊起质量 m=50 kg 的物体 G,如图 4-2 所示.开始绳与水平方向夹角为 60°,人 匀速提起重物由 A 点沿水平方向运动 s=2 m 而到达 B 点,此时 绳与水平方向成 30°角.求人对绳的拉力做了多少功?(取 g= 10 m/s2)
图 4-2
解:人对绳的拉力大小虽然始终等于物体的重力,但方向 却时刻在变,而已知的位移 s 方向一直水平,所以无法利用 W=Fscos α直接求拉力的功.若转换一下研究对象则不难发现, 人对绳的拉力的功与绳对物体的拉力的功是相同的,而绳对物 体的拉力则是恒力,可利用 W=Fscos α求了!
图 4-7
D.FN 和 Ff 对物块所做功的代数和为 0
2.有一个竖直放置的圆形轨道,半径为 R,由左右两部分
组成.如图 4-8 所示,右半部分 AEB 是光滑的,左半部分 BFA
是粗糙的.现在轨道最低点 A 放一个质量为 m 的小球,并给小
球一个水平向右的初速度 vA,使小球沿轨道 恰好运动到最高点 B,小球在 B 点又能沿 BFA
专题二 动能定理的综合应用 1.动能定理的研究对象可以是单一物体,也可以是能够看 做单一物体的系统.动能定理适用于直线运动,也适用于曲线 运动,而且在分析过程中不用研究物体运动过程中变化的细节, 只需考虑整个过程做的功及过程的初末动能.因此,动能定理 比牛顿第二定律的应用范围更广泛. 2.应用动能定理可以把物体经历的物理过程分为几段处 理,也可以把全过程看做整体来处理.在应用动能定理解题时, 要注意以下几个问题:
解得 x2= 2 cm 所以击第二次时能击入木板的深度为
Δx=x2-x1=( 2-1) cm.
图 4-5
(6)运用平均值求变力做功:
求变力做功可通过
W=
- Fs
求,但只有在变力
源自文库
F
与位移
s
成线性关系时,-F =F1+2 F2才成立.用平均值求变力做功的关
键是先判断变力 F 与位移 s 是否成线性关系,然后求出该过程 初状态的力 F1 和末状态的力 F2.
(3)看物体间是否有能量转化.“功是能量转化的量度”, 若有能量转化(增加或减少),则必有力做功.此法常用于两个 相联系的物体做曲线运动的情况.
【例 1】如图 4-1 所示,一辆玩具小车静止在光滑的水平 导轨上,一个小球用细绳悬挂在车上,由图中位置无初速度释
放,则小球在下摆过程中,下列说法正确的是( )
木块从开始到完全浸没在水中,设木块下降 x1,水面上升 x2 根据水的体积不变,有
h2x1=h2x2 得 x1=x2
所以当木块下降h4时,木块恰好完全浸没在水中,有
F=ΔF 浮=ρgh2(x1+x2)=2ρgh2x1∝x1 所以 W1= F ·h4=F1+2 F2·h4=0+ρ2gh2h2·h4=116ρgh4 木块恰好完全浸没在水中经 Δh=2h-34h=54h 到容器底部, 压力为恒力,大小为 F′=ρgh2h2 所以 W2=F′Δh=ρgh2h2·54h=58ρgh4 故压力所做的功为 W=W1+W2=1116ρgh4.
意,则拉力做的功等于水的重力势能的增加量,即
W1=ΔE=ρπr2h1gh22+h21=23ρπr2gh21=1.18×104 J 活塞从 h1 上升到 H 的过程中,液面不变,拉力 F 是恒力, F=πr2p0,则拉力 F 做的功为 W2=F(H-h1)=πr2p0(H-h1)=4.71×103 J 所求拉力做的总功为 W=W1+W2=1.65×104 J.
设滑轮距地面的高度为 h,则 htan130°-tan160°=s

h=
3 2s
人由 A 走到B 的过程中,重物上升的高度Δh 等于滑轮右侧
侧绳子增加的长度,即 Δh=sinh30°-sinh60°=( 3-1)s 人对绳做的功为 W=mg·Δh=mgs( 3-1)=732 J.
(2)运用动能定理求变力做功: 动能定理的表述:合外力对物体做功等于物体动能的变化, 或外力对物体做功的代数和等于物体动能的变化.对于一个物 体在某个过程中的初动能和末动能可求,该过程其他力做功就 可求,那么该过程中变力做功可求.运用动能定理求变力做功 的关键是了解哪些外力做功以及确定物体运动的初动能和末动 能.
(5)运用 F-s 图象中的面积求变力做功: 某些求变力做功的问题,如果能够画出变力 F 与位移 s 的 图象,则 F-s 图象中与 s 轴所围的面积表示该过程中变力 F 做 的功.运用 F-s 图象中的面积求变力做功的关键是先表示出变 力 F 与位移 s 的函数关系,再画出 F-s 图象. 【例 6】用铁锤将一铁钉击入木块,设阻力与钉子进入木 板的深度成正比,每次击钉时锤子对钉子做的功相同.在铁锤 击第一次时,能把铁钉击入木板内 1 cm,则击第二次时,能击 多深?
【例 7】如图 4-6 所示,在盛有水的圆柱形容器内竖直地 浮着一块立方体木块,木块的边长为 h,其密度为水的密度ρ的 一半,横截面积也为容器横截面积的一半,水面高为 2h.现用力 缓慢地把木块压到容器底上,设水不会溢出,求压力所做的功.
图 4-6
解:木块下降的同时水面上升,因缓慢地把木块压到容器 底,所以压力总等于增加的浮力,压力是变力.木块完全浸没 在水中的下降过程中,压力是恒力.
关闭油门后,汽车在阻力的作用下做匀减速直线运动至停 止,有
f=ma,vm=at2 解得 t2=mPv2m=48 s 总时间为 t=t1+t2=98 s
(4)运用功能关系求变力做功: 做功是能量转化的原因,功是能量转化的量度,我们可以 根据能量转化的情况来判断做功的情况,则给求变力做功提供 了一条简便的途径.运用功能关系求变力做功,关键是分清研 究过程中有多少种形式的能转化,即有什么能增加或减少,有 多少个力做了功,列出这些量之间的关系.
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