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- 2021-06-01 发布
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第一讲 功、功率和动能定理
知识内容
考试要求
备考指津
1.追寻守恒量——能量
b
1.对功和功率等基本概念的考查往往涉及对概念的理解,一般以选择题的形式出现.
2.动能定理是高考考查的重点,考查形式有选择题,也有计算题.计算题中单纯考查动能定理的题目较少,往往与其他知识综合在一起考查.
2.功
c
3.功率
c
4.重力势能
c
5.弹性势能
b
6.动能和动能定理
d
功的理解与计算
【题组过关】
1.(2019·浙江省名校联考)“激流勇进”是一种常见的水上机动游乐设备,常见于主题游乐园中.游客们在一定安全装置的束缚下,沿着设计好的水道漂行.其间通常会有至少一次大幅度的机械提升和瞬时跌落.图中所示为游客们正坐在皮筏艇上从高处沿斜坡水道向下加速滑行,在此过程中下列说法正确的是( )
A.合力对游客做负功
B.皮筏艇对游客不做功
C.重力对游客做正功
D.游客的机械能增加
解析:选C.加速下滑,合力沿斜坡向下,合力做正功,选项A错误,重力做正功,选项C正确;皮筏艇对游客的摩擦力做负功,机械能减少,选项B、D错误.
2.一物体静止在粗糙水平地面上.现用一大小为F1的水平拉力拉动物体,经过一段时间后其速度变为v.若将水平拉力的大小改为F2,物体从静止开始经过同样的时间后速度变为2v.对于上述两个过程,用WF1、WF2分别表示拉力F1、F2所做的功,Wf1、Wf2分别表示前后两次克服摩擦力所做的功,则( )
A.WF2>4WF1,Wf2>2Wf1
B.WF2>4WF1,Wf2=2Wf1
C.WF2<4WF1,Wf2=2Wf1
D.WF2<4WF1,Wf2<2Wf1
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解析:选C.物体两次的加速度之比a2∶a1=∶=2∶1,位移之比l2∶l1=t∶t=2∶1,摩擦力之比f2∶f1=1∶1,由牛顿第二定律得F-f=ma,则拉力之比F2∶F1=(ma2+f)∶(ma1+f)<2,做功之比WF2∶WF1=(F2·l2)∶(F1·l1)<4,Wf2∶Wf1=(-f2·l2)∶(-f1·l1)=2∶1,故C正确.
3.(多选)(2019·宁波模拟)如图所示,摆球质量为m,悬线长为L,把悬线拉到水平位置后放手.设在摆球运动过程中空气阻力F阻的大小不变,则下列说法正确的是( )
A.重力做功为mgL
B.悬线的拉力做功为零
C.空气阻力F阻做功为-mgL
D.空气阻力F阻做功为-F阻πL
解析:选ABD.由重力做功特点得重力做功为:WG=mgL,A正确;悬线的拉力始终与v垂直,不做功,B正确;由微元法可求得空气阻力做功为:WF阻=-F阻πL,D正确.
1.功的正、负的判断方法
(1)恒力做功的判断:依据力与位移的夹角来判断.
(2)曲线运动中做功的判断:依据F与v的方向夹角α来判断,0≤α<90°,力对物体做正功;90°<α≤180°,力对物体做负功;α=90°,力对物体不做功.
(3)依据能量变化来判断:功是能量转化的量度,若有能量转化,则必有力对物体做功.此法常用于判断两个相互联系的物体之间的相互作用力做功的情况.
2.求解变力做功的几种思路
(1)利用动能定理W=ΔEk或功能关系W=ΔE计算能量变化量ΔE或ΔEk,即等量替换的物理思想.
(2)当变力的功率P一定时,可用W=Pt求功,如机车以恒定功率启动.
(3)当变力方向不变,大小与位移成正比时,可用力对位移的平均值F=(F初+F末)来计算.
(4)当变力大小不变,方向在变化且力的方向始终与速度方向相同或相反时,功可用力与路程的乘积计算.
(5)用变力F随位移x的变化图象与x轴所围的“面积”计算功.注意x
- 17 -
轴上、下两侧分别表示正、负功.
对功率的理解与计算
【重难提炼】
1.平均功率的计算
(1)利用P=.
(2)利用P=F·vcos α,其中v为物体运动的平均速度,F为恒力.
2.瞬时功率的计算
(1)利用公式P=F·vcos α,其中v为t时刻的瞬时速度.
(2)P=F·vF,其中vF为物体的速度v在力F方向上的分速度.
(3)P=Fv·v,其中Fv为物体受的外力F在速度v方向上的分力.
对于α变化的不能用公式P=Fvcos α计算平均功率.
3.两种启动方式的比较
两种方式
以恒定功率启动
以恒定加速度启动
P-t图和v-t图
OA段过程分析
v↑⇒F=↓⇒a=↓
a=不变⇒ F不变,v↑⇒P=Fv↑直到P额=Fv1
OA段运动性质
加速度减小的加速直线运动
匀加速直线运动,维持时间t0=
AB段过程分析
F=F阻⇒a=0⇒F阻=
v↑⇒F=↓⇒a=↓
运动性质
以vm做匀速直线运动
加速度减小的加速运动
BC段
无
F=F阻⇒a=0⇒以vm=做匀速直线运动
某汽车发动机的额定功率为60 kW,汽车质量为5 t,汽车在运动中所受阻力的大小恒为车重的0.1.(g取10 m/s2)
(1)若汽车以额定功率启动,则汽车所能达到的最大速度是多少?当汽车速度达到5 m/s时,其加速度是多少?
(2)若汽车以恒定加速度0.5 m/s2启动,则其匀加速过程能维持多长时间?
[审题突破] (1)达到最大速度时,汽车处于什么状态?
- 17 -
(2)v=5 m/s时,牵引力多大?
(3)以加速度0.5 m/s2启动时,牵引力多大?此阶段能达到的最大速度为多少?
[解析] (1)当汽车的加速度为零时,汽车的速度v达到最大值vm,此时牵引力与阻力相等,故最大速度为
vm=== m/s=12 m/s
v=5 m/s时的牵引力
F1== N=1.2×104 N,
由F1-Ff=ma得:a=
= m/s2=1.4 m/s2.
(2)当汽车以a′=0.5 m/s2的加速度启动时的牵引力
F2=ma′+Ff=(5 000×0.5+0.1×5×103×10) N
=7 500 N
匀加速运动能达到的最大速度为
v′m== m/s=8 m/s
由于此过程中汽车做匀加速直线运动,满足v′m=a′t
故匀加速过程能维持的时间t== s=16 s.
[答案] (1)12 m/s 1.4 m/s2 (2)16 s
【题组过关】
考向一 平均功率与瞬时功率
1.(2019·杭州二模)质量为m的物体静止在光滑水平面上,从t=0时刻开始受到水平力的作用.力的大小F与时间t的关系如图所示,力的方向保持不变,则( )
A.3t0时刻的瞬时功率为
B.3t0时刻的瞬时功率为
C.在0~3t0这段时间内,水平力的平均功率为
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D.在0~3t0这段时间内,水平力的平均功率为
解析:选B.2t0时刻的速度大小v2=a1·2t0=t0,3t0时刻的速度大小为v3=v2+a2t0=·2t0+t0=,3t0时刻力F=3F0,所以瞬时功率P=3F0·v3=,选项A错误,B正确;0~3t0时间段内,水平力对物体做功W=F0x1+3F0x2=F0×·(2t0)2+3F0·t0=,平均功率P==,选项C、D均错误.
考向二 以恒定功率启动方式的求解
2.某车以相同的功率在两种不同的水平路面上行驶,受到的阻力分别为车重的k1和k2倍,最大速率分别为v1和v2,则( )
A.v2=k1v1 B.v2=v1
C.v2=v1 D.v2=k2v1
解析:选B.车以最大速率行驶时,牵引力F等于阻力Ff,即F=Ff=kmg.由P=k1mgv1及P=k2mgv2,得v2=v1,故B正确.
考向三 以恒定牵引力启动方式的求解
3.(多选)(2019·宁波月考)下列各图是反映汽车(额定功率P额)从静止开始匀加速启动,最后做匀速直线运动的过程中,其速度随时间以及加速度、牵引力和功率随速度变化的图象,其中正确的是( )
解析:选ACD.从静止开始匀加速启动,由公式P=Fv及题意知,当力恒定时,随着速度的增加功率P增大,当P=P额时,功率不再增加,此时,牵引力F大于阻力f,速度继续增加,牵引力减小,此后汽车做加速度逐渐减小的加速运动,当F=f时,速度达最大,做匀速直线运动.由以上分析知,B错误,A、C、D正确.
4.某汽车集团公司研制了一辆燃油与电动混合动力赛车,
- 17 -
燃油发动机单独工作时的额定功率为P,蓄电池供电的电力发动机单独工作时的额定功率为,已知赛车运动过程中受到的阻力恒定.
(1)若燃油发动机单独工作时的最大速度为120 km/h,则两台发动机同时工作时的最大速度为多少?
(2)若赛车先单独启动电力发动机从静止开始做匀加速直线运动,经过t1时间达到额定功率,然后以燃油发动机的额定功率单独启动继续加速,又经过t2时间达到最大速度v0,赛车总质量为m,求赛车的整个加速距离.
解析:(1)燃油发动机单独工作,P=F1v1=fv1
两台发动机同时工作,P+=F2v2=fv2
最大速度v2==210 km/h.
(2)燃油发动机的额定功率为P,最大速度为v0,
阻力f=
匀加速过程功率随时间均匀增加,发动机的平均功率为,设总路程为s,由动能定理有
t1+Pt2-fs=mv
解得s=.
答案:(1)210 km/h (2)
1.计算功率的基本思路
(1)首先要明确所求功率是平均功率还是瞬时功率,然后明确所用公式.
(2)判断变力的瞬时功率的变化情况时,若F大小不变,根据F与v的夹角的变化,由P=F·v cos θ判断,
若F的大小和F、v夹角均变化时,可先把F做功转换成其他恒力做功,然后再判断.
2.机车启动问题中的三个重要关系式
(1)无论哪种运动过程,机车的最大速度都等于其匀速运动时的速度,即vm==(式中Fmin为最小牵引力,其值等于阻力F阻).
(2)机车以恒定加速度启动的运动过程中,匀加速过程结束时,功率最大,速度不是最大,即v=<vm=.
(3)机车以恒定功率运动时,牵引力做的功W=Pt.由动能定理:Pt-F阻x=ΔEk.
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此式经常用于求解机车以恒定功率启动过程的位移大小.
动能定理的应用
【重难提炼】
(多选)如图,小球套在光滑的竖直杆上,轻弹簧一端固定于O点,另一端与小球相连.现将小球从M点由静止释放,它在下降的过程中经过了N点.已知在M、N两点处,弹簧对小球的弹力大小相等,且∠ONM<∠OMN<.在小球从M点运动到N点的过程中,( )
A.弹力对小球先做正功后做负功
B.有两个时刻小球的加速度等于重力加速度
C.弹簧长度最短时,弹力对小球做功的功率为零
D.小球到达N点时的动能等于其在M、N两点的重力势能差
[解析] 小球在从M点运动到N点的过程中,弹簧的压缩量先增大,后减小,到某一位置时,弹簧处于原长,再继续向下运动到N点的过程中,弹簧又伸长.弹簧的弹力方向与小球速度的方向的夹角先大于90°,再小于90°,最后又大于90°,因此弹力先做负功,再做正功,最后又做负功,A项错误;弹簧与杆垂直时,小球的加速度等于重力加速度,当弹簧的弹力为零时,小球的加速度也等于重力加速度,B项正确;弹簧长度最短时,弹力与小球的速度方向垂直,这时弹力对小球做功的功率为零,C项正确;由于在M、N两点处,弹簧的弹力大小相等,即弹簧的形变量相等,根据动能定理可知,小球从M点到N点的过程中,弹簧的弹力做功为零,重力做功等于动能的增量,即小球到达N点时的动能等于其在M、N两点的重力势能差,D项正确.
[答案] BCD
【题组过关】
考向一 运用动能定理求变力做功
1.如图所示, 在外力作用下某质点运动的v-t图象为正弦曲线.从图中可以判断( )
A.在0~t1时间内,外力做负功
B.在0~t1时间内,外力的功率逐渐增大
C.在t2时刻,外力的功率最大
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D.在t1~t3时间内,外力做的总功为零
解析:选D.由动能定理可知,在0~t1时间内质点速度越来越大,动能越来越大,外力一定做正功,故A项错误;在t1~t3时间内,动能变化量为零,可以判定外力做的总功为零,故D项正确;由P=F·v知0、t1、t2、t3四个时刻功率为零,故B、C都错误.
2.如图,一半径为R、粗糙程度处处相同的半圆形轨道竖直固定放置,直径POQ水平.一质量为m的质点自P点上方高度R处由静止开始下落,恰好从P点进入轨道.质点滑到轨道最低点N时,对轨道的压力为4mg,g为重力加速度的大小.用W表示质点从P点运动到N点的过程中克服摩擦力所做的功.则( )
A.W=mgR,质点恰好可以到达Q点
B.W>mgR,质点不能到达Q点
C.W=mgR,质点到达Q点后,继续上升一段距离
D.W
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