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- 2021-05-31 发布
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第2讲 动能 动能定理
考点一 对动能、动能定理的理解
1.动能
(1)定义:物体由于运动而具有的能。
(2)公式:Ek=mv2。
(3)单位:焦耳,1 J=1 N·m=1 kg·m2/s2。
(4)矢标性:动能是标量,只有正值。
(5)动能的相对性:由于速度具有相对性,所以动能也具有相对性。
(6)动能的变化量:物体末动能与初动能之差,即ΔEk=mv-mv。
2.动能定理
(1)内容:在一个过程中合外力对物体所做的功,等于物体在这个过程中动能的变化量。
(2)表达式:W=mv-mv。
(3)物理意义:合外力的功是物体动能变化的量度。
(4)动能定理公式中“=”的意义
等号表明合力做功与物体动能变化的三个关系
(5)动能定理的特点
[思维诊断]
(1)运动的物体具有的能量就是动能。( )
(2)一定质量的物体动能变化时,速度一定变化,但速度变化时,动能不一定变化。( )
(3)处于平衡状态的物体动能一定保持不变。( )
(4)做自由落体运动的物体,动能与下落时间的二次方成正比。( )
(5)如果合外力对物体做功为零,那么物体所受的合外力一定为零。( )
(6)物体在合外力作用下做变速运动,动能一定变化。( )
答案: (1)× (2)√ (3)√ (4)√ (5)× (6)×
[题组训练]
1.[对动能的理解]下列有关动能的说法中正确的是( )
A.物体只有做匀速运动时,动能才不变
B.物体的动能变化时,速度不一定变化
C.物体做平抛运动时,水平速度不变,动能不变
D.物体做自由落体运动时,物体的动能增加
解析: 物体只要速率不变,动能就不变,A错误;物体的动能变化时,速度的大小一定变化,B错误;物体做平抛运动时,速率增大,动能就会增大,C错误;物体做自由落体运动时,其速率增大,物体的动能增加,D正确。
答案: D
2.[对动能定理表达式的理解](多选)关于动能定理的表达式W=Ek2-Ek1,下列说法正确的是( )
A.公式中的W为不包含重力的其他力做的总功
B.公式中的W为包含重力在内的所有力做的功,也可通过以下两种方式计算:先求每个力的功再求功的代数和或先求合外力再求合外力的功
C.公式中的Ek2-Ek1为动能的增量,当W>0时动能增加,当W<0时,动能减少
D.动能定理适用于直线运动,但不适用于曲线运动,适用于恒力做功,但不适用于变力做功
解析: 公式W=Ek2-Ek1中的“W”为所有力所做的总功,A错误,B正确;若W>0,则Ek2>Ek1,若W<0,则Ek2mgsin α;若α>θ,则雪橇不能停在E点,所以C、D错误。
答案: B
7.
用起重机提升货物,货物上升过程中的v t图象如图所示,在t=3 s到t=5 s内,重力对货物做的功为W1,绳索拉力对货物做的功为W2,货物所受合力做的功为W3,则( )
A.W1>0 B.W2<0
C.W2>0 D.W3<0
解析: 分析题图可知,货物一直向上运动,根据功的定义式可得:重力做负功,拉力做正功,即W1<0,W2>0,A、B错误,C正确;根据动能定理得合力做的功W3=0-mv2,v=2 m/s,即W3<0,D正确。
答案: CD
8.
光滑水平面上静止的物体,受到一个水平拉力作用开始运动,拉力F随时间t变化的图象如图所示,用Ek、v、x、P分别表示物体的动能、速度、位移和拉力F的功率,下列四个图象分别定性描述了这些物理量随时间变化的情况,其中正确的是( )
解析: 由于拉力F恒定,所以物体有恒定的加速度a,则v=at,即v与t成正比,选项B正确;由P=Fv=Fat可知,P与t成正比,选项D正确;由x=at2可知x与t2
成正比,选项C错误;由动能定理可知Ek=Fx=Fat2,Ek与t2成正比,选项A错误。
答案: BD
9.甲、乙两个质量相同的物体,用大小相等的力F分别拉它们在水平面上从静止开始运动相同的距离x。如图所示,甲在光滑面上,乙在粗糙面上,则下列关于力F对甲、乙做的功和甲、乙两物体获得的动能的说法中正确的是( )
A.力F对甲做功多
B.力F对甲、乙两个物体做的功一样多
C.甲物体获得的动能比乙大
D.甲、乙两个物体获得的动能相同
解析: 由功的公式W=Fxcos α可知,两种情况下力F对甲、乙两个物体做的功一样多,A错误,B正确;根据动能定理,对甲有Fx=Ek1-0,对乙有Fx-Ffx=Ek2-0,可知Ek1>Ek2,即甲物体获得的动能比乙大,C正确,D错误。
答案: BC
10.
(2016·浙江理综·18)如图所示为一滑草场。某条滑道由上下两段高均为h,与水平面倾角分别为45°和37°的滑道组成,滑草车与草地之间的动摩擦因数为μ。质量为m的载人滑草车从坡顶由静止开始自由下滑,经过上、下两段滑道后,最后恰好静止于滑道的底端(不计滑草车在两段滑道交接处的能量损失,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8)。则( )
A.动摩擦因数μ=
B.载人滑草车最大速度为
C.载人滑草车克服摩擦力做功为mgh
D.载人滑草车在下段滑道上的加速度大小为g
解析: 滑草车受力分析如图所示,在B点处有最大速度v,在上、下两段所受摩擦力大小分别为Ff1、Ff2
Ff1=μmgcos 45°
Ff2=μmgcos 37°
整个过程由动能定理列方程:
mg·2h-Ff1·-Ff2·=0①
解得:μ=,A项正确。
滑草车在上段滑道运动过程由动能定理列方程:
mgh-Ff1·=mv2②
解得:v= ,B项正确。
由①式知:Wf=2mgh,C项错误。
在下段滑道上,mgsin 37°-μmgcos 37°=ma2
解得:a2=-g,故D项错误。
答案: AB
二、非选择题
11.如图甲所示,长为4 m的水平轨道AB与半径为R=0.6 m的竖直半圆弧轨道BC在B处相连接,有一质量为1 kg的滑块(大小不计),从A处由静止开始受水平向右的力F作用,F的大小随位移变化的关系如图乙所示,滑块与AB间的动摩擦因数为μ=0.25,与BC间的动摩擦因数未知,g取10 m/s2,求:
(1)滑块到达B处时的速度大小;
(2)若到达B点时撤去力F,滑块沿半圆弧轨道内侧上滑,并恰好能到达最高点C,则滑块在半圆弧轨道上克服摩擦力所做的功是多少?
解析: (1)因为F x图象中图线与坐标轴围成的图形面积表示F做的功,
所以设0~2 m力F做功W1,3~4 m力F做功W2,则W1=×40×2=40 J,W2=-10×1=-10 J
对滑块从A到B的过程,由动能定理得
W1+W2-μmgx=mv
即:40-10-0.25×1×10×4=×1×v
解得vB=2 m/s。
(2)当滑块恰好能到达最高点C时,有mg=m
设摩擦力做功为W,对滑块从B到C的过程,由动能定理得:
W-mg×2R=mv-mv
代入数值得W=-5 J,
即克服摩擦力做的功为5 J。
答案: (1)2 m/s (2)5 J
12.
如图所示,在竖直平面内固定有两个很靠近的同心圆形轨道,外圆ABCD光滑,内圆的上半部分B′C′D′粗糙,下半部分B′A′D′光滑。一质量为m=0.2 kg的小球从外轨道的最低点A处以初速度v0向右运动,小球的直径略小于两圆的间距,小球运动的轨道半径R=0.2 m,g取10 m/s2。
(1)若要使小球始终紧贴着外圆做完整的圆周运动,初速度v0至少为多少?
(2)若v0=3 m/s,经过一段时间后小球到达最高点,内轨道对小球的支持力FC=2 N,则小球在这段时间内克服摩擦力做的功是多少?
(3)若v0=3.1 m/s,经过足够长的时间后,小球经过最低点A时受到的支持力为多少?
解析: (1)设此情形下小球到达外轨道的最高点的最小速度为vC,由牛顿第二定律得:
mg=
由动能定理得:
-2mgR=mv-mv
解得:v0= m/s
(2)设此时小球到达最高点的速度为vC′,克服摩擦力做的功为Wf,由牛顿第二定律得:
mg-FC=
由动能定理得:
-2mgR-Wf=mvC′2-mv
解得:Wf=0.1 J
(3)经足够长的时间后,小球在下半圆轨道内做往复运动。设小球经过最低点的速度为vA,受到的支持力为FNA,由动能定理得:mgR=mv
由牛顿第二定律得:FNA-mg=
解得:FNA=3mg=6 N
答案: (1) m/s (2)0.1 J (3)6 N