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- 2021-05-22 发布
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精锐教育1vs3辅导教案
学员姓名: 学科教师:
年 级: 高一 辅导科目: 物理
授课日期
××年××月××日
时 间
A / B / C / D / E / F段
主 题
动能定理基础
教学内容
1、掌握动能定理
2、知道动能定理的适用条件
3、理解动能定理的推导
4、能运用动能定理进行相关的分析和计算
教法指导:由老师仔细讲解动能、重力势能的概念,并推导出做功与能量变化之间的关系。让学生能够理解功与能量含义及动能定理的使用范围。
一、动能
1.动能:物体由于运动而具有的能,叫动能。其表达式为:。
2.对动能的理解
(1)动能是一个状态量,它与物体的运动状态对应.动能是标量.它只有大小,没有方向,而且物体的动能总是大于等于零,不会出现负值.
(2)动能是相对的,它与参照物的选取密切相关.如行驶中的汽车上的物品,对汽车上的乘客,物品动能是零;但对路边的行人,物品的动能就不为零。
二、重力势能
1.重力势能:物体和地球由相对位置决定的能叫重力势能,是物体和地球共有的。表达式:,与零势能面的选取有关。
2.对重力势能的理解
(1)重力势能是物体和地球这一系统共同所有,单独一个物体谈不上具有势能.即:如果没有地球,物体谈不上有重力势能.平时说物体具有多少重力势能,是一种习惯上的简称.
重力势能是相对的,它随参考点的选择不同而不同,要说明物体具有多少重力势能,首先要指明参考点(即零点).
(2)重力势能是标量,它没有方向.但是重力势能有正、负.此处正、负不是表示方向,而是表示比零点的能量状态高还是低.势能大于零表示比零点的能量状态高,势能小于零表示比零点的能量状态低.零点的选择不同虽对势能值表述不同,但对物理过程没有影响.即势能是相对的,势能的变化是绝对的,势能的变化与零点的选择无关.
(3)重力做功与重力势能
重力做正功,物体高度下降,重力势能降低;重力做负功,物体高度上升,重力势能升高.可以证明,重力做功与路径无关,由物体所受的重力和物体初、末位置所在水平面的高度差决定,即:WG=mg△h.所以重力做的功等于重力势能增量的负值,即WG= -△Ep= -(mgh2-mgh1).
三、动能定理
1.动能定理的表述
合外力做的功等于物体动能的变化。(这里的合外力指物体受到的所有外力的合力,包括重力)。表达式为W=ΔEK
动能定理也可以表述为:外力对物体做的总功等于物体动能的变化。实际应用时,后一种表述比较好操作。不必求合力,特别是在全过程的各个阶段受力有变化的情况下,只要把各个力在各个阶段所做的功都按照代数和加起来,就可以得到总功。
2.对外力做功与动能变化关系的理解:
外力对物体做正功,物体的动能增加,这一外力有助于物体的运动,是动力;外力对物体做负功,物体的动能减少,这一外力是阻碍物体的运动,是阻力,外力对物体做负功往往又称物体克服阻力做功. 功是能量转化的量度,外力对物体做了多少功;就有多少动能与其它形式的能发生了转化.所以外力对物体所做的功就等于物体动能的变化量.即 .
3.应用动能定理解题的步骤
(1)确定研究对象和研究过程。和动量定理不同,动能定理的研究对象只能是单个物体,如果是系统,那么系统内的物体间不能有相对运动。(原因是:系统内所有内力的总冲量一定是零,而系统内所有内力做的总功不一定是零)。
(2)对研究对象进行受力分析。(研究对象以外的物体施于研究对象的力都要分析,含重力)。
(3)写出该过程中合外力做的功,或分别写出各个力做的功(注意功的正负)。如果研究过程中物体受力情况有变化,要分别写出该力在各个阶段做的功。
(4)写出物体的初、末动能。
(5)按照动能定理列式求解。
一、动能、重力势能
教法指导:理解物体的动能是标量,与速度的方向无关;重力势能是一个相对物理量,它的大小与零势能面的选取有关,只有重力势能的该变量才与零势能面无关。
【例1】对于质量不变的同一物体,下述说法中正确的是( )
A.动能相等时,速度必然相等 B.动能不等时,速度必然不等
C.速度相等时,动能必然相等 D.速度不等时,动能必然不等
【解析】动能是标量,没有方向的,速度是矢量,有方向的,动能相等的时候,由于m相等,所以v相等,这里的v是指速率,不是速度。也就是说,速率相等,方向不同的话速度就不同了,因此A错。同样道理,速率相等,方向不同就有相同动能,因此D也是错的。
【答案】BC
【变式练习1】关于功和能的下列说法正确的是 ( )
A.功就是能 B.做功的过程就是能量转化的过程
C.功有正功、负功,所以功是矢量 D.功是能量转化的量度
【答案】BD
【变式练习2】一个质量为m的物体,分别做下列运动,其动能在运动过程中一定发生变化的是: ( )
A.匀速直线运动 B.匀变速直线运动
C.平抛运动 D.匀速圆周运动
【答案】BC
【例2】如图,桌面离地高为h,质量为m的小球从离桌面高为H处自由下落,不计空气阻力,设桌面为零势能面,则小球开始下落处的重力势能( )
A.mgh B.mgH C.mg(H+h) D.mg(H-h)
【解析】解物体的重力势能,首先要选择零势能面。若以地面为零势能面,则小球开始下落处在零势能面上面高(H+h)处,故该处的重力势能为mg(H+h)。
【答案】B
【变式练习1】打桩机的重锤质量是250kg,把它提升到离地面15m高处,然后让它自由下落,当重锤刚要接触地面时其动能为(取g=10m/s2): ( )
A.1.25×104J B.2.5×104J C.3.75×104J D.4.0×104J
【答案】C
二、重力势能、重力势能的改变量及重力做功
教法指导:功是实线能量转化的量度,不同性质的力做功时与其对应能量发生转化。重力对物体做了功,一定会使物体的重力势能发生变化,重力做正功,则物体的重力势能减少,重力势能转化为其他形式的能量。重力做功与物体移动的路径无关,只跟它的起点位置和终点位置的竖直高度差有关。
【例3】在离地面80m高处由静止开始释放一质量为0.2kg的小球,不计空气阻力,g取10m/s2,以最高点所在水平面为零势能面。求:
(1)第2s末小球的重力势能; (2)第2s内重力势能变化了多少?
【解析】(1)2s末小球下落了h=gt2/2=20m,故重力做功WG=mgh=40J。
由WG= -ΔEP得:40= -(EP2 –EP1)= -EP2,故2s末小球的重力势能为EP2= -40J。
(2)第2s内物体下落的高度为Δh=15m,故重力做功为WG=mgΔh=30J。
因此,重力势能变化了ΔEP= -30J,即减少了30J。
【答案】(1)-40J;(2)减少了30J。
【变式练习1】一根长为2m,重为200N的均匀木板放在水平地面上,现将它的一端从地面提高0.5m,另一端仍搁在地面上,则外力所做的功为 ( )
A.400J B.200J C.100J D.50J
【答案】D
【变式练习2】在水平地面上平铺着n块相同的砖,每块砖的质量都为m,厚度为d。若将这n块砖一块一块地叠放起来,至少需要做多少功?
【答案】n块砖平铺在水平地面上时,系统重心离地的高度为。当将它们叠放起来时,系统重心离地高度为。所以,至少需要做功
。
【变式练习3】一质量分布均匀的不可伸长的绳索重为G,A、B两端固定在水平天花板上,如图所示,今在绳的最低点C施加一竖直向下的力将绳绷直,在此过程中,绳索AB的重心位置 ( )
A.逐渐升高 B.逐渐降低
C.先降低后升高 D.始终不变
【答案】A
三、动能定理分析恒力做功
教法指导:直接根据动能定理解题,分析物体受力情况及对初末状态的动能。
【例4】如图所示,质量为m的物块,在恒力F的作用下,沿光滑水平面运动,物块通过A点和B点的速度分别是vA和vB,物块由A运动到B点的过程中,力F对物块做的功W为( )[来源:学科网www.shulihua.net]
A.W>mv-mv
B.W=mv-mv
C.W=mv-mv
D.由于F的方向未知,W无法求出
【解析】对物块由动能定理得:W=mv-mv,故选项B正确.
【答案】B
【变式练习1】在足球赛中,红队球员在白队禁区附近主罚定位球,并将球从球门右上角擦着横梁踢进球门,如图所示.球门高度为h,足球飞入球门的速度为v,足球的质量为m,则红队球员将足球踢出时对足球做功W为(不计空气阻力)( )
A.等于mgh+mv2
B.大于mgh+mv2
C.小于mgh+mv2
D.因为球被踢入球门过程中的运动曲线的形状不确定,所以做功的大小无法确定
【答案】红队球员将足球踢出时对足球做功W等于足球刚离开脚时的动能Ek0,球在空中运动的过程中,根据动能定理有-mgh=mv2-Ek0,由此可知红队球员将足球踢出时对足球做功W等于mgh+mv2.
四、动能定理分析变力做功
教法指导:如果我们所研究的问题中有多个力做功,其中只有一个力是变力,其余的都是恒力,而且这些恒力所做的功比较容易计算,研究对象本身的动能增量也比较容易计算时,用动能定理就可以求出这个变力所做的功。
【例5】如图所示,一半径为R的半圆形轨道BC与一水平面相连,C为轨道的最高点,一质量为m的小球以初速度v0从圆形轨道B点进入,沿着圆形轨道运动并恰好通过最高点C,然后做平抛运动.求:
[来源:www.shulihua.net]
(1)小球平抛后落回水平面D点的位置距B点的距离;
(2)小球由B点沿着半圆轨道到达C点的过程中,克服轨道摩擦阻力做的功.
【解析】(1)小球刚好通过C点,由牛顿第二定律mg=m
小球做平抛运动,有2R=gt2,s=vCt
解得小球平抛后落回水平面D点的位置距B点的距离
s=2R.
(2)小球由B点沿着半圆轨道到达C点,由动能定理
-mg·2R-Wf=mv-mv
解得小球克服摩擦阻力做功
Wf=mv-mgR.
【答案】(1)2R (2)mv-mgR
【变式练习1】如图所示,质量为1 kg的物体沿一曲面从A点无初速度滑下,滑至曲面的最低点B时,下滑的高度为5 m,速度为6 m/s,则在下滑过程中,物体克服阻力所做的功为多少?(g取10 m/s2)
【答案】设物体克服阻力所做的功为Wf,由动能定理得:
mgh-Wf=mv2-0
解得:Wf=32 J
【变式练习2】如图所示,质量为 m的小车在水平恒力F推动下,从山坡底部A处由静止起运动至高为h的坡顶B,获得的速度为v,AB的水平距离为s.下列说法中正确的是( )
A.小车克服重力所做的功是mgh
B.合力对小车做的功是mv2
C.推力对小车做的功是Fs-mgh
D.阻力对小车做的功是mv2-Fs
【答案】AB
五、动能定理求动摩擦因素
【例6】一个物体从斜面上高h处由静止滑下并紧接着在水平面上滑行一段距离后停止,量得停止处对开始运动处的水平距离为S,如图8-27,不考虑物体滑至斜面底端的碰撞作用,并设斜面与水平面对物体的摩擦因数相同.求摩擦因数μ.
【解析】设该面倾角为α,斜坡长为l,则物体沿斜面下滑时,
物体在平面上滑行时仅有摩擦力做功,设平面上滑行距离为S2,则
对物体在全过程中应用动能定理:ΣW=ΔEk.
mgl·sinα-μmgl·cosα-μmgS2=0
得 h-μS1-μS2=0.
式中S1为斜面底端与物体初位置间的水平距离.故
【答案】
【变式练习1】如图所示是一固定在竖直平面内的光滑半圆形轨道ABC,其半径R=0.1 m,轨道在C处与水平地面相切.在水平地面的D处放一小物块,给它一个水平向左的初速度v0=4 m/s,物块经轨道CBA后,最后又直接落到D点,已知CD的距离为x=0.6 m,求物块与地面的动摩擦因数μ.(g取10 m/s2)
【答案】0.25
六、动能定理与汽车启动
【例7】质量为500t的机车以恒定的功率由静止出发,经5min行驶2.25km,速度达到最大值54km/h,设阻力恒定且取g=10m/s2.求:(1)机车的功率P=?(2)机车的速度为36km/h时机车的加速度a=?
【解析】(1)以机车为研究对象,机车从静止出发至达速度最大值过程,根据ΣW=ΔEk,有
当机车达到最大速度时,F=f.所以
当机车速度v=36km/h时机车的牵引力
根据ΣF=ma可得机车v=36km/h时的加速度
【答案】(1)P=3.75×105W;(2)a=2.5×10-2m/s2
【变式练习1】一总质量m=30×103 kg 的列车以恒定功率P=60×103 W从车站由静止出发行驶300 s,位移达到4 000 m,速度达到最大为20 m/s,则列车所受的平均阻力为多大?
【答案】3×103 N
(时间30分钟,满分100分,附加题20分)
一、不定项选择题(每小题至少有一个选项)
1.下列关于运动物体所受合外力做功和动能变化的关系,下列说法中正确的是( )
A.如果物体所受合外力为零,则合外力对物体所的功一定为零;
B.如果合外力对物体所做的功为零,则合外力一定为零;
C.物体在合外力作用下做变速运动,动能一定发生变化;
D.物体的动能不变,所受合力一定为零。
2.下列说法正确的是( )
A.某过程中外力的总功等于各力做功的代数之和;
B.外力对物体做的总功等于物体动能的变化;
C.在物体动能不变的过程中,动能定理不适用;
D.动能定理只适用于物体受恒力作用而做加速运动的过程。
3.在光滑的地板上,用水平拉力分别使两个物体由静止获得相同的动能,则( )
A.水平拉力相等 B.两物块质量相等
C.两物块速度变化相等 D.水平拉力对两物块做功相等
4.质点在恒力作用下从静止开始做直线运动,则此质点任一时刻的动能( )
A.与它通过的位移s成正比 B.与它通过的位移s的平方成正比
C.与它运动的时间t成正比 D.与它运动的时间的平方成正比
5.一子弹以水平速度v射入一树干中,射入深度为s,设子弹在树中运动所受的摩擦阻力是恒定的,那么子弹以v/2的速度射入此树干中,射入深度为( )
A.s B.s/2 C. D.s/4
6.两个物体A、B的质量之比mA∶mB=2∶1,二者动能相同,它们和水平桌面的动摩擦因数相同,则二者在桌面上滑行到停止所经过的距离之比为( )
A.sA∶sB=2∶1 B.sA∶sB=1∶2 C.sA∶sB=4∶1 D.sA∶sB=1∶4
7.质量为m的金属块,当初速度为v0时,在水平桌面上滑行的最大距离为L,如果将金属块的质量增加到2m,初速度增大到2v0,在同一水平面上该金属块最多能滑行的距离为( )
A.L B.2L C.4L D.0.5L
8.一个人站在阳台上,从阳台边缘以相同的速率v0,分别把三个质量相同的球竖直上抛、竖直下抛、水平抛出,不计空气阻力,则比较三球落地时的动能( )
A.上抛球最大 B.下抛球最大 C.平抛球最大 D.三球一样大
9.在离地面高为h处竖直上抛一质量为m的物块,抛出时的速度为v0,当它落到地面时速度为v,用g表示重力加速度,则此过程中物块克服空气阻力所做的功等于( )
A. B.
C. D.
10.水平抛出一物体,物体落地时速度的方向与水平面的夹角为θ,取地面为参考平面,则物体刚被抛出时,其重力势能与动能之比为( )
A.sin2θ B.cos2θ C.tan2θ D.cot2θ
11.将质量为1kg的物体以20m/s的速度竖直向上抛出。当物体落回原处的速率为16m/s。在此过程中物体克服阻力所做的功大小为( )
A.200J B.128J C.72J D.0J
12.一质量为1kg的物体被人用手由静止向上提升1m,这时物体的速度为2m/s,则下列说法中正确的是( )
A.手对物体做功12J B.合外力对物体做功12J
图1
C.合外力对物体做功2J D.物体克服重力做功10J
13.物体A和B叠放在光滑水平面上mA =1kg,mB =2kg,B上作用一个3N
的水平拉力后,A和B一起前进了4m,如图1所示。在这个过程中B对A做
的功等于( )
A.4J B.12J C.0 D.-4J
14.一个学生用100N的力,将静止在操场上的质量为0.6kg的足球,以15 m/s的速度踢出20m远。则整个过程中学生对足球做的功为( )
A.67.5J B.2000J C.1000J D.0J
15.一个质量为m的小球,用长为L的轻绳悬挂在O点,小球在水平拉力F作用下,
从平衡位置P点很缓慢地拉到Q点,如图2所示,则拉力F做的功为( )
A.mgLcosθ B.mgL(1-cosθ) C.FLsinθ D.FLcosθ
二、填空题
16.如图3所示,地面水平光滑,质量为m的物体在 水平恒力F的作用下,由静止从A处移动到了B处;此过程中力F对物体做正功,使得物体的速度 (增大、减少、不变)。如果其它条件不变,只将物体的质量增大为2m,在物体仍由静止从A运动到B的过程中,恒力F对物体做的功 (增大、减少、不变);物体到达B点时的速度比原来要 (大、少、不变)。如果让一个具有初速度的物体在粗糙水平地面上滑行时,物体的速度会不断减少,这个过程中伴随有 力做 功(正、负、零)。可见做功能使物体的速度发生改变。
17.一高炮竖直将一质量为M的炮弹以速度V射出,炮弹上升的最大高度为H,则炮弹上升的过程中克服空气阻力所做的功为 ,发射时火药对炮弹做功为 。(忽略炮筒的长度)
h
H
18.质量为m的物体静止在水平桌面上,物体与桌面间的动摩擦因数为μ,今用一水平力推物体,使物体加速运动一段时间,撤去此力,物体再滑行一段时间后静止,已知物体运动的总路程为s,则此推力对物体做功 。
三、计算题
19.一个质量为m=2kg的铅球从离地面H=2m高处自由落下,落入沙坑中h=5cm深处,如图所示,求沙子对铅球的平均阻力。(g取10m/s2)
20.质量为m的物体由半圆形轨道顶端从静止开始释放,如图4所示,A为轨道最低点,A与圆心0在同一竖直线上,已知圆弧轨道半径为R,运动到A点时,物体对轨道的压力大小为2.5mg,求此过程中物体克服摩擦力做的功。
【附加题】
1.汽车在拱形桥上由A匀速率地运动到B,如图1所示,下列说法中正确的是( )
A.牵引力与摩擦力做的功相等;
B.牵引力和重力做的功大于摩擦力做的功;
C.合外力对汽车不做功;
D.合外力为零。
2.如图2所示,质量为m的物体,由高为h处无初速滑下,至平面上A点静止,不考虑B点处能量转化,若施加平行于路径的外力使物体由A点沿原路径返回C点,则外力至少做功为( )
A.mgh B.2mgh C.3mgh D.条件不足,无法计算
P
θ
Q
O
F
图2
3.质量为m的小球被系在轻绳的一端,在竖直平面内做半径为R的圆周运动,运动过程中小球受到空气阻力的作用。设某一时刻小球通过轨道的最低点,此时绳子的张力为7mg,此后小球继续做圆周运动,经过半个圆周恰能通过最高点,则在此过程中小球克服空气阻力所做的功为( )
A.; B.; C.; D.。
【答案】一、选择题
1.A 2.AB 3.D 4.AD 5.D 6.B 7.C 8.D 9.C 10.C 11.C 12.ACD
13.A 14.A 15.B
二、填空题
16.增大;不变;小;滑动摩擦;负; 17.; 18.μmgs
三、计算题
19.∵全过程中有重力做功,进入沙中阻力做负功
∴W总=mg(H+h)—fh
由动能定理得:mg(H+h)—fh=0—0
得 带入数据得f=820N
20.物体在B点:
∴mvB2=(N-mg)R=1.5mgR
∴
由动能定理得:
即物体克服摩擦力做功为
【附加题】1.C 2.B 3.C
由学生自己总结,并相互讨论所学知识点及各种题型的解法。老师主要负责补充和完善。
(时间30分钟)
1.在同一高度处,将三个质量相同的球a、b、c分别以大小相等的速率竖直上抛、竖直下抛和平抛,落在同一水平面上的过程中,重力做的功及重力功的平均功率的关系是:…………( )
A. B.
C. D.
2.a、b、c三个物体质量分别为m、2m、3m,它们在水平路面上某时刻运动的动能相等。当每个物体受到大小相同的制动力时,它们制动距离之比是:…………………………………( )
A.1∶2∶3 B.12∶22∶32
C.1∶1∶1 D.3∶2∶1
3.一个物体自由下落,落下一半时间的动能与落地时动能之比为:………………………( )
A.1∶1 B.1∶2 C.1∶3 D.1∶4
4.汽车的额定功率为90KW,路面的阻力为f,汽车行驶的最大速度为。则:…………( )
A.如果阻力为,汽车最大速度为。
B.如果汽车牵引力为原来的二倍,汽车的最大速度为2。
C.如果汽车的牵引力变为原来的,汽车的额定功率就变为45KW。
D.如果汽车做匀速直线运动,汽车发动机的输出功率就是90KW。
5.质量为m,速度为υ的子弹,能射入固定的木板L深。设阻力不变,要使子弹射入木板3L深,子弹的速度应变为原来的……………………………………………………………………( )
A.3倍 B.6倍 C.倍 D.倍
6.原来静止在水平面上的物体,受到恒力F作用,开始运动,通过的位移为S,则……( )
A.当有摩擦时,力F对物体做功多
B.当无摩擦时,力F对物体做功多
C.当有摩擦时,物体获得的动能大
D.当无摩擦时,物体获得的动能大
7.质量为m的汽车以恒定功率P的平直公路上行驶,若汽车匀速行驶的速度为υ1,当汽车的速度为υ2时(υ2<υ1)汽车的加速度大小为…………………………………………………( )
A. B. C. D.
8.火车质量是飞机质量的110倍,火车的速度只有飞机速度的1/12,火车和飞机的动能分别为Ek1和Ek2,那么二者动能大小相比较,有………………………………………………………( )
A.Ek1<Ek2 B.Ek1>Kk2 C.Ek1=Kk2 D.无法判断
9.质量为1kg的小球,从距地面80m高处由静止开始下落,不计空气阻力,落地时小球的速度大小为_________,小球落地时的动能为_________J,下落过程中重力对小球做的功为_____J。
10.物体从静止开始自由下落,下落ls和下落4s时,物体的动能之比是_____;下落1m和4m时,物体的动能之比是________。
11.质量为m的物体在水平力F的作用下,由静止开始光滑地面运动,前进一段距离之后速度大小为v。再前进一段距离使物体的速度增大为2v,则( )
A、第二过程的动能增量是第一过程的动能增量的4倍
B、第二过程的动能增量是第一过程的动能增量的3倍
C、第二过程的动能增量是第一过程的动能增量的2倍
D、第二过程的动能增量等于第一过程的动能增量
12.质量为m的物体以初速度v0开始沿水平地面滑行,最后停下来。在这个过程中,物体的动能增量多大?
13.一个小孩把6.0kg的物体沿高0.50m,长2.0m的光滑斜面,由底部匀速推到顶端,小孩做功为 ,若有5.0N阻力的存在,小孩匀速把物体推上去应做 功,物体克服阻力做的功为 ,重力做的功为 。()
14.把质量为3.0kg的石块,从高30m的某处,以的速度向斜上方抛出,,不计空气阻力,石块落地时的速率是 ;若石块在运动过程中克服空气阻力做了73.5J的功,石块落地时的速率又为 。
15.竖直上抛一个质量为m的物体,物体上升的最大高度 h,若不计空气阻力,则抛出时的初动能为 。
16.一个人站在高出地面点h处,抛出一个质量为m的物体,物体落地时速率为v,人对物体做的功等于_______(不计空气阻力)
17.木块在粗糙水平面上以大小为υ的初速度开始运动,滑行s后静止,则要使木块在此平面上滑行3s后静止,其开始运动的初速度应为 。
18.一个人站在15米高的台上,以的速度抛出一个0.4kg的物体。求:
(1)人对物体所做的功。
(2)物体落地时的速度。
19.质量1kg的小球从20m高处由静止落下,阻力恒定,落地时速度为16m/s,则阻力的大小是多少?
20.质量为m的铅球以速度υ竖直向下抛出,抛出点距离地面的高度为H,落地后,铅球下陷泥土中的距离为s,求泥土地对铅球的平均阻力?
答案:1.A 2.C 3.D 4.A 5.D 6.D 7.C 8.A 9.40m/s 800J 800J
10.1:16 1:4 11.B 12. 13.30J、40J、10J、-30J 14、25m/s、24m/s
15、mgh 16、 17、 18、20J、20m/s 19、3.6N
20、