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- 2021-05-22 发布
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五 功 功率 动能定理
知识方法例析
知识网络
考情分析
1.主要题型:选择题、计算题
2.命题特点
(1)功和功率的理解与计算,主要考查摩擦力做功正负的判断与计算,弹簧弹力的做功情况,弹性绳的做功情况以及瞬时功率的计算问题等.
(2)结合牛顿第二定律、动能定理考查机车的启动问题.
(3)应用动能定理考查单个物体、多个过程中动能的变化以及力的做功情况.
3.思想方法
常用方法:微元法、图象法、转换法、整体法与分段法.
考点一 功和功率
核心知识
1.恒力做功
W=FLcosα,α为力与位移的夹角
2.功率
平均功率P==Fcosα,
瞬时功率P=Fvcosα.
3.变力做功
变力做功可由动能定理、能量守恒定律及F-x图象面积求解.
规律方法
计算功和功率时应注意的问题
(1)计算功时,要注意分析受力情况和能量转化情况,分清是恒力做功,还是变力做功,恒力做功一般用功的公式或动能定理求解,变力做功用动能定理或图象法求解.
(2)用图象法求外力做功时应注意横轴和纵轴分别表示的物理意义,若横轴表示位移,纵轴表示力,则可用图线与横轴围成的面积表示功,例如图甲、乙、丙所示(丙图中图线为圆弧),力做的功分别为W1=F1x1,W2=F2x2、W3=F或W3=x.
(3)计算功率时,要明确是求瞬时功率,还是平均功率,若求瞬时功率应明确是哪一时刻或位置的瞬时功率,若求平均功率应明确是哪段时间内的平均功率;应注意区分公式P=和公式P=Fvcosθ的适用范围,P=侧重于平均功率的计算,P=Fvcosθ侧重于瞬时功率的计算.
典例分析
【例1】 (2017年湖北六校联考)如图所示,半径为R的光滑圆弧轨道左端有一质量为m的小球,在大小恒为F、方向始终与轨道相切的外力作用下,小球在竖直平面内由静止开始运动,轨道左端切线水平,当小球运动到轨道的末端时立即撤去外力,此时小球的速率为v,已知重力加速度为g,则( )
A.此过程外力做功为FR
B.此过程外力做功为FR
C.小球离开轨道的末端时,拉力的功率为Fv
D.小球离开轨道后运动到达的最高点距离圆弧轨道左端的高度为
【答案】 C
高度为h,根据动能定理有W-mgh=mv>0,代入W的值可得h<,所以选项D错误.
【例2】 物体受到水平推力F的作用在粗糙水平面上做直线运动.通过力和速度传感器监测到推力F、物体速度v随时间t变化的规律分别如图甲、乙所示.取g=10 m/s2,则下列说法错误的是( )
A.物体的质量m=0.5 g
B.物体与水平面间的动摩擦因数μ=0.40
C.第2 s内物体克服摩擦力做的功W=2 J
D.前2 s内推力F做功的平均功率=3 W
【答案】 D
【解析】 综合甲、乙两个图象信息,在1-2 s,推力F2=3 N,物体做匀加速运动,其加速度a=2 m/s2,由牛顿运动定律可得,F2-μmg=ma;在2-3 s,推力F3=2 N,物体做匀速运动,由平衡条件可知,μmg=F3;联立解得物体的质量m=0.5 g,物体与水平面间的动摩擦因数μ=0.40,选项A、B正确.由速度—时间图象所围的面积表示位移可得,第2 s内物体位移x=1 m,克服摩擦力做的功Wf =μmgx=2 J,选项C正确.第1 s内,由于物体静止,推力不做功;第2 s内,推力做功W=F2x=3 J,前2 s内推力F做功为W′=3 J,前2 s内推力F做功的平均功率== W=1.5 W,选项D错误.
【例3】.质量为m的小球沿倾角为θ的足够长的光滑斜面由静止开始滚下,途中依次经过A、B、C三点,已知AB=BC=L,由A到B和B到C经历的时间分别为t1=4 s,t2=2 s,则下列说法正确的是( )
A.小球的加速度大小为
B.小球经过B点重力的瞬时功率为
C.A点与出发点的距离为
D.小球由静止到C点过程中重力的平均功率为
【答案】:C
功率P2==mgLsinθ,故D错误. 4
【例4】.质量为2.5 g的物体放在水平支持面上,在水平拉力F作用下由静止开始运动,拉力F做的功W和物体发生的位移x之间的关系图象如图所示.物体与水平支持面之间的动摩擦因数为0.1,重力加速度g取10 m/s2.则( )
A.x=0至x=3 m的过程中,物体的加速度是5 m/s2
B.x=3 m至x=9 m过程中,物体的加速度是0.8 m/s2
C.x=3 m至x=9 m过程中,物体做匀减速直线运动
D.x=0至x=9 m过程中,合力对物体做的功是27 J
【答案】: C
【解析】:x=0到x=3 m的过程中,由W-x图象的斜率知F1=5 N,由牛顿第二定律F1-μmg=ma1,得a1=1 m/s2,故A错误.x=3 m到x=9 m的过程中,由W-x图象的斜率知F2=2 N,由牛顿第二定律F2-μmg=ma2得a2=-0.2 m/s2,知物体做匀减速直线运动,故B错误,C正确.x=0到x=9 m过程中合外力做功为W-μmgx=(27-2.5×9)J=4.5 J,故D错误.
【例5】.如图5-1-5所示,细线的一端固定于O
点,另一端系一小球.在水平拉力作用下,小球以恒定速率在竖直平面内由A点运动到B点.在此过程中拉力的瞬时功率变化情况是( )
A.逐渐增大
B.逐渐减小
C.先增大,后减小
D.先减小,后增大
【答案】:A
【解析】:
mgvsinθ,随θ增大,P增大.综上所述,本题正确
【答案】为A.
【例6】.一质量为m的物体在沿斜面向上的恒力F作用下,由静止从底端向上做匀加速直线运动,斜面足够长,表面光滑,倾角为θ.经一段时间恒力F做功8 J,此后撤去恒力F,物体又经相同时间回到出发点,则在撤去该恒力前瞬间,该恒力的功率是( )
。 。
A.gsinθ B.gsinθ
C.gsinθ D.gsinθ
【答案】:D
【解析】:设F作用下的加速度为a,运动时间为t,x=at2,末速度v=at,撤去F后的加速度为gsinθ,物体做类上抛运动,故以沿斜面向上为正方向,-x=vt-gsinθ·t2,解得a=,F-mgsinθ=ma,解得F=,因为F做的功为8 J,W=Fx,所以x=,故v==,所以F的功率P=Fv=.
规律总结
1.功的计算
(1)恒力做功的计算公式:W=Flcosα.
(2)当F为变力时,用动能定理W=ΔE 或功能关系求功.所求得的功是该过程中外力对物体(或系统)做的总功(或者说是合力对物体做的功).
(3)利用F—l图象曲线下的面积求功.
(4)利用W=Pt计算.
2.功率
(1)功率定义式:P=.所求功率是时间t内的平均功率.
(2)功率计算式:P=Fvcosα.其中α是力与速度间的夹角.若v为瞬时速度,则P为F在该时刻的瞬时功率;若v为平均速度,则P为F在该段位移内的平均功率.
考点二 机车启动问题
核心知识
1.输出功率
输出功率P=Fv,其中F为牵引力.
2.机车有两种启动方式
(1)以额定功率启动,机车做加速度减小的加速运动,当牵引力减小到和摩擦力相等时,匀速运动,最大速度时有P=f·vm,所以vm=.
(2)以恒定牵引力(加速度)启动,机车先做匀加速直线运动,再做加速度减小的加速运动,最终匀速.
匀加速末速度v1=,最大速度vm=.
规律方法
解决机车启动问题时的四点注意
(1)明确启动方式:分清是匀加速启动还是恒定功率启动.
(2)匀加速启动过程:机车功率是不断改变的,但该过程中的最大功率是额定功率,匀加速运动阶段的最大速度小于机车所能达到的最大速度,达到额定功率后做加速度减小的加速运动.
(3)额定功率启动的过程:机车做加速度减小的加速运动,匀变速直线运动的规律不能用,速度最大值等于,牵引力是变力,牵引力做的功可用W=Pt,但不能用W=Flcosθ.
(4)无论哪种启动方式,最后达到最大速度时,均满足P=Ffvm,P为机车的额定功率.
典例分析
【例1】 如图所示为汽车在水平路面上启动过程中的速度图象,Oa为过原点的倾斜直线,ab段表示以额定功率行驶时的加速阶段,bc段是与ab段相切的水平直线,则下述说法正确的是( )
A.0-t1时间内汽车做匀加速运动且功率恒定
B.t1-t2时间内汽车牵引力做功为mv-mv
C.t1-t2时间内的平均速度为(v1+v2)
D.在全过程中t1时刻的牵引力及其功率都是最大值,t2-t3时间内牵引力变小
【答案】 D
【解析】 汽车在0-t1时间内,牵引力恒定,速度均匀增加,由P=Fv知其功率也增加,A错误;t1-t2时间内根据动能定理知W-Wf=mv-mv,B错误;因t1-t2时间内不是匀变速直线运动,故v≠(v1+v2),C错误;全过程中,t1时刻牵引力最大,功率达到额定功率,也最大,之后,功率不变,牵引力减小,直至F=f,此后汽车匀速运动,D正确.
【点评】 用图象法描述机车启动问题,关键在于分清机车的运动阶段,找准变量和不变量.此类问题常用动能定理解决.
【例2】 一辆汽车在平直的公路上以某一初速度运动,运动过程中保持恒定的牵引功率,其加速度a和速度的倒数图象如图所示.若已知汽车的质量,则根据图象所给的信息,不能求出的物理量是( )
A.汽车的功率
B.汽车行驶的最大速度
C.汽车所受到的阻力
D.汽车运动到最大速度所需的时间
【答案】 D
大速度的时间,故应选D. 2
【例3】 (多选)一辆小汽车在水平路面上由静止启动,前5 s内做匀加速直线运动,5 s末达到额定功率,之后保持额定功率运动,其v-t图象如图所示.已知汽车的质量为m=2.0×103 g,汽车受到地面的阻力为车重的0.1倍,g取10 m/s2,则( )
A.汽车在前5 s内的牵引力为4.0×103N
B.汽车在前5 s内的牵引力为6.0×103N
C.汽车的额定功率为40 W
D.汽车的最大速度为30 m/s
【答案】:BD
vm==m/s=30 m/s,D项正确.
【例4】(2015年高考·课标全国卷Ⅱ)一汽车在平直公路上行驶.从某时刻开始计时,发动机的功率P随时间t的变化如图所示.假定汽车所受阻力的大小f恒定不变.下列描述该汽车的速度v随时间t变化的图线中,可能正确的是( )
【答案】:A
【解析】:机车在公路上行驶受到牵引力F和阻力f的作用,常用公式有F-f=ma,P=Fv.在0 t1阶段,P一定,v增大,则F减小,f不变,则a减小,故汽车做加速度逐渐减小的加速运动.在t1 t2阶段,仍然如此,直到F减至等于f,汽车的加速度为零,汽车开始匀速行驶,B、D错;若汽车开始做匀速运动,功率增大后,汽车的速度不会突变,C错;A正确.
考点三 动能定理
核心知识
规律方法
应用动能定理解题的“四步三注意”
(1)应用动能定理解题的四个步骤
①确定研究对象及其运动过程;
②分析受力情况和各力的做功情况;
③明确物体初末状态的动能;
④由动能定理列方程求解.
(2)应用动能定理解题应注意的三个问题
①动能定理往往用于单个物体的运动过程,由于不牵扯加速度及时间,比动力 研究方法要简洁.
②动能定理表达式是一个标量式,在某个方向上应用动能定理是没有依据的.
③物体在某个运动过程中包含有几个运动性质不同的小过程(如加速、减速的过程),此时可以分段考虑,也可以对全过程考虑,但若能对整个过程利用动能定理列式则可使问题简化.
典例分析
【例1】 如图所示,质量m=1 g的木块静止在高h=1.2 m的平台上,木块与平台间的动摩擦因数μ=0. 2,用水平推力F=20 N,使木块产生位移l1=3 m时撤去,木块又滑行l2=1 m后飞出平台,求木块落地时速度的大小?
【答案】11.3 m/s
【解析】 解法1:取木块为研究对象,其运动分三个过程,先匀加速前进l1,后匀减速l2,再做平抛运动,对每一过程,分别列动能定理得:
代入数据解得v=11.3 m/s.
【例2】 如图所示,光滑水平面AB与半圆形轨道在B点相切,轨道位于竖直平面内,其半径为R.一个质量为m的物块将弹簧压缩至A点后由静止释放,在弹力作用下物块获得一向右速度,然后脱离弹簧,当它经过B点进入导轨瞬间对导轨的压力为其重力的7倍,之后向上运动恰能完成半个圆周运动到达C点.不计空气阻力,重力加速度为g.
(1)求弹簧弹力对物块做的功;
(2)求物块m从B点运动到C点克服阻力做的功;
(3)如果半圆形轨道也是光滑的,其他条件不变,当物体由A经B运动到C,然后落到水平面,落点为D(题中D点未标出,且水平面足够长),求D点与B点间的距离.
【分析】 本题可按以下思路进行分析:
→→ .X.X.
【答案】(1)3mgR(2)mgR.(3)2R
【解析】 (1)物块在B点时,由牛顿第二定律得
FN-mg=m
又FN=7mg
在物体从A点运动到B点的过程中,只有弹簧弹力做功,根据动能定理有
W=mv
解得W=3mgR
(3)若半圆形轨道光滑,则物块从B点运动到C的过程中只有重力做功,根据动能定理有
-mg×2R=mv-mv
解得vC=
从C点到D点,物块做平抛运动.有
水平方向:xBD=vCt
竖直方向:2R=gt2
解得xBD=2R. · 1
【例3】如图所示,ABCD是一个盆式容器,盆内侧壁与盆底BC的连接处都是一段与BC相切的圆弧,BC为水平的,其长度d=0.50 m.盆边缘的高度为h=0.30 m,在A处放一个质量为m的小物块并让其从静止开始下滑.已知盆内侧壁是光滑的,而盆底BC面与小物块间的动摩擦因数为μ=0.10.小物块在盆内来回滑动,最后停下来,则停的地点到B的距离为( )
A.0.50 m B.0.25 m
C.0.10 m D.0
【答案】:D
规律总结
若物体的运动过程可以分为若干阶段,可以选择分段或全程应用动能定理,题目不涉及中间量时,选择全程应用动能定理更简单、方便.应用全程法解题求功时,有些力不是全过程都作用的,必须根据不同的情况分别对待,弄清楚物体所受的力在哪段位移上做功,哪些力做功,做正功还是负功,正确写出总功.