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- 2021-05-13 发布
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功能关系及其应用
一、重要地位:
3、对守恒思想理解不够深刻
在高中物理学习过程中,既要学习到普遍适用的守恒定律——能量守恒定律,又要学习到条件限制下的守恒定律——机械能守恒定律。学生掌握守恒定律的困难在于:对于能量守恒定律,分析不清楚哪些能量发生了相互转化,即哪几种能量之和守恒;而对于机械能守恒定律,又不能正确的分析何时守恒,何时不守恒。
4、对功和能混淆不清
在整个高中物理学习过程中,很多同学一直错误的认为功与能是一回事,甚至可以互相代换,其实功是功,能是能,功和能是两个不同的概念,对二者的关系应把握为:功是能量转化的量度。
二、突破策略:
(5)功是能量转化的量度,由此,对于大小、方向都随时变化的变力F所做的功,可以通过对物理过程的分析,从能量转化多少的角度来求解。
图5-2
例1:如图5-2所示,质量为m的小物体相对静止在楔形物体的倾角为θ的光滑斜面上,楔形物体在水平推力F作用下向左移动了距离s,在此过程中,楔形物体对小物体做的功等于( ).
A.0 B.mgscosθ C.Fs D.mgstanθ
【审题】在审查该题时,一定要注意到两点:一是小物体与楔形物体相对静止,二是接触面光滑。
C.mv2max+Fs-mv02 D.F··t
【审题】审题中要注意到,此过程中发动机始终以额定功率工作,这样牵引力大小是变化的,求牵引力的功就不能用公式,而要另想他法。
【解析】解法一:(平均力法)
图5-3
铁锤每次做功都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=f=kx,可用平均阻力来代替.
如图5-3所示,第一次击入深度为x1,平均阻力=kx1,做功为W1=x1=kx12.
第二次击入深度为x1到x2,平均阻力=k(x2+x1),位移为x2-x1,做功为W2=(x2-x1)= k(x22-x12).
两次做功相等:W1=W2.
图5-4
解后有:x2=x1=1.41 cm,
Δx=x2-x1=0.41 cm.
解法二:(图象法)因为阻力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5-4所示),曲线上面积的值等于F对铁钉做的功。
由于两次做功相等,故有:
S1=S2(面积),即:
kx12=k(x2+x1)(x2-x1),
所以Δx=x2-x1=0.41 cm[m]
例4:一列火车由机车牵引沿水平轨道行使,经过时间t,其速度由0增大到v。已知列车总质量为M,机车功率P保持不变,列车所受阻力f为恒力。求:这段时间内列车通过的路程。
【审题】以列车为研究对象,水平方向受牵引力F和阻力f,但要注意机车功率保持不变,就说明牵引力大小是变化的,而在中学阶段用功的定义式求功要求F是恒力。
【解析】以列车为研究对象,列车水平方向受牵引力和阻力,设列车通过路程为s。根据动能定理:
图5-6
【总结】解决该类问题,要注意研究对象的选取,可以选择t时间内通过风力发电机的空气为研究对象,也可以选择单位时间内通过风力发电机的空气为研究对象,还可以选择单位长度的空气为研究对象。
例6:如图5-6所示,斜面倾角为θ,滑块质量为m,滑块与斜面的动摩擦因数为μ,从距挡板为s0的位置以v0
的速度沿斜面向上滑行.设重力沿斜面的分力大于滑动摩擦力,且每次与P碰撞前后的速度大小保持不变,斜面足够长.求滑块从开始运动到最后停止滑行的总路程s.
以上各式均为标量式,后两个表达式研究的是变化量,无需选择零势能面,有些问题利用它们解决显得非常方便,但一定要分清哪种能量增加,哪种能量减少,或哪个物体机械能增加,哪个物体机械能减少。
而对于能量守恒定律可从以下两个角度理解:
(1)某种形式的能量减少,一定存在其他形式的能量增加,且减少量和增加量一定相等。
O
图5-7
(2)某个物体的能量减少,一定存在其他物体的能量增加,且减少量和增加量一定相等。
7:如图5-7所示,一根长为l的轻绳,一端固定在O点,另一端拴一个质量为m的小球.用外力把小球提到图示位置,使绳伸直,并在过O点的水平面上方,与水平面成30°角.从静止释放小球,求小球通过O点正下方时绳的拉力大小。
则有:mvB/2+mgl(1-cos60°)= mvC2
在C点由牛顿第二定律得
T-mg=m
联立以上方程可解得: T=mg
【总结】在分析该题时一定要注意绳在绷紧瞬间,有机械能损失,也就是说整个过程机械能并不守恒,不能由全过程机械能守恒定律解决该问题,但是在该瞬间之前和之后的两个过程机械能都是守恒的,可分别由机械能守恒定律求解。
【总结】该题的关键之处在于,对每个小球来讲机械能并不守恒,但对两小球组成的系统来讲机械能是守恒的。
图5-10
例9:如图5-10所示,皮带的速度为3m/s,两圆心距离s=4.5m,现将m=1kg的小物体轻放在左轮正上方的皮带上,物体与皮带间的动摩擦因数为μ=0.15,电动机带动皮带将物体从左轮正上方运送到右轮正上方时,电动机消耗的电能是多少?
、理解功能关系,牢记“功是能量转化的量度”
能是物体做功的本领,功是能量转化的量度;能属于物体,功属于系统;功是过程量,能是状态量。做功的过程,是不同形式能量转化的过程:可以是不同形式的能量在一个物体转化,也可以是不同形式的能量在不同物体间转化。力学中,功和能量转化的关系主要有以下几种:
(1).重力对物体做功,物体的重力势能一定变化,重力势能的变化只跟重力做的功有关:,另外弹簧弹力对物体做功与弹簧弹性势能的变化也有类似关系:。
(2).合外力对物体做的功等于物体动能的变化量:——动能定理。
(3).除系统内的重力和弹簧弹力外,其他力做的总功等于系统机械能的变化量:——功能原理。
11:如图5-12所示,质量为m的小铁块A以水平速度v0冲上质量为M、长为、置于光滑水平面C上的木板B,正好不从木板上掉下,已知A、B间的动摩擦因数为μ,此时木板对地位移为s,求这一过程中:
图5-12
(1) 木板增加的动能;
(2) 小铁块减少的动能;
(3) 系统机械能的减少量;
(4) 系统产生的热量。
【审题】在此过程中摩擦力做功的情况是:A和B所受摩擦力分别为F1、F2,且F1=F2=μmg,A在F1的作用下匀减速,B在F2的作用下匀加速;当A滑动到B的右端时,A、B达到一样的速度v,就正好不掉下。
【总结】通过本题可以看出摩擦力做功可从以下两个方面理解:
(1)相互作用的一对静摩擦力,如果一个力做正功,另一个力一定做负功,并且量值相等,即一对静摩擦力做功不会产生热量。
(2)相互作用的一对滑动摩擦力做功的代数和一定为负值,即一对滑动摩擦力做功的结果总是使系统的机械能减少,减少的机械能转化为内能:,其中必须是滑动
两球之间的有粘性,当力F作用了2s时,两球发生最后一次碰撞,且不再分开,取g=10m/s2。求:
(1)最后一次碰撞后,小球的加速度;
(2)最后一次碰撞完成时,小球的速度;
(3)整个碰撞过程中,系统损失的机械能。
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