【物理】2018届一轮复习人教版动能定理及其应用教案 12页

第 2 节 动能定理及其应用 一、动能 1．公式：Ek＝1 2mv2，式中 v 为瞬时速度，动能是状态量． 2．矢标性：动能是标量，只有正值，动能与速度的方向无关． 3．动能的变化量：ΔEk＝1 2mv22－1 2mv21. 4．动能的相对性 由于速度具有相对性，则动能也具有相对性，一般以地面为参考系． 二、动能定理 1．内容：合外力对物体所做的功等于物体动能的变化． 2．表达式：W＝ΔEk＝1 2mv22－1 2mv21. 3．功与动能的关系 (1)W>0，物体的动能增加． (2)W<0，物体的动能减少． (3)W＝0，物体的动能不变． 4．适用条件 (1)动能定理既适用于直线运动，也适用于曲线运动． (2)既适用于恒力做功，也适用于变力做功． (3)力可以是各种性质的力，既可以同时作用，也可以不同时作用． [自我诊断] 1．判断正误 (1)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．(√) (2)动能不变的物体一定处于平衡状态．(×) (3)如果物体所受的合外力为零，那么合外力对物体做功一定为零．(√) (4)物体在合外力作用下做变速运动时，动能一定变化．(×) (5)物体的动能不变，所受的合外力必定为零．(×) (6)做自由落体运动的物体，动能与时间的二次方成正比．(√) 2．一个质量为 0.3 kg 的弹性小球，在光滑水平面上以 6 m/s 的速度垂直撞 到墙上，碰撞后小球沿相反方向运动，反弹后的速度大小与碰撞前相同，则碰撞 前后小球速度变化量的大小Δv 和碰撞过程中小球的动能变化量ΔEk 为( ) A．Δv＝0 B．Δv＝12 m/s C．ΔEk＝1.8 J D．ΔEk＝10.8 J 解析：选 B.取初速度方向为正方向，则Δv＝(－6－6)m/s＝－12 m/s，由于 速度大小没变，动能不变，故动能变化量为 0，故只有选项 B 正确． 3．A、B 两物体在光滑水平面上，分别在相同的水平恒力 F 作用下，由静止 开始通过相同的位移 l.若 A 的质量大于 B 的质量，则在这一过程中( ) A．A 获得动能较大 B．B 获得动能较大 C．A、B 获得动能一样大 D．无法比较 A、B 获得动能大小 解析：选 C.由动能定理可知恒力 F 做功 W＝Fl＝1 2mv2－0，因为 F、l 相同， 所以 A、B 的动能变化相同，C 正确． 4．质量 m＝2 kg 的物体在光滑水平面上以 v1＝6 m/s 的速度匀速向西运动， 若有一个 F＝8 N、方向向北的恒力作用于物体，在 t＝2 s 内物体的动能增加了 ( ) A．28 J B．64 J C．32 J D．36 J 解析：选 B.由于力 F 与速度 v1 垂直，物体做曲线运动，其两个分运动为向 西的匀速运动和向北的匀加速直线运动，对匀加速运动有 a＝F m ＝4 m/s2，v2＝at ＝8 m/s.2 s 末物体的速度 v＝ v21＋v22＝10 m/s, 2 s 内物体的动能增加了ΔEk＝ 1 2mv2－1 2mv21＝64 J，故选项 B 正确. 考点一 动能定理的理解和应用 1．定理中“外力”的两点理解 (1)重力、弹力、摩擦力、电场力、磁场力或其他力，它们可以同时作用， 也可以不同时作用． (2)既可以是恒力，也可以是变力． 2．公式中“＝”体现的三个关系 3．应用动能定理的注意事项 (1)动能定理中的位移和速度必须是相对于同一个参考系的，一般以地面或 相对地面静止的物体为参考系． (2)应用动能定理时，必须明确各力做功的正、负． (3)应用动能定理解题，关键是对研究对象进行准确的受力分析及运动过程 分析，并画出物体运动过程的草图，借助草图理解物理过程和各量关系． 1. 光滑斜面上有一个小球自高为 h 的 A 处由静止开始滚下，抵达光滑水平 面上的 B 点时速度大小为 v0.光滑水平面上每隔相等的距离设置了一个与小球运 动方向垂直的活动阻挡条，如图所示，小球越过 n 条活动阻挡条后停下来．若让 小球从 h 高处以初速度 v0 滚下，则小球能越过的活动阻挡条的条数是(设小球每 次越过活动阻挡条时损失的动能相等)( ) A．n B．2n C．3n D．4n 解析：选 B.设每条阻挡条对小球做的功为 W，当小球在水平面上滚动时， 由动能定理得 nW＝0－1 2mv20，对第二次有 NW＝0－1 2mv22＝0－ 1 2mv20＋mgh ，又 因为 1 2mv20＝mgh，联立解得 N＝2n，选项 B 正确． 2. (多选)质量不等，但有相同动能的两个物体，在动摩擦因数相同的水平地 面上滑行，直至停止，则( ) A．质量大的物体滑行的距离大 B．质量小的物体滑行的距离大 C．它们滑行的距离一样大 D．它们克服摩擦力所做的功一样多 解析：选 BD.由动能定理可知，摩擦力对物体所做的功等于物体动能的增量， 因两物体具有相同的动能，故两物体滑行过程中克服摩擦力所做的功也相同，又 Wf＝μmg·x 可知，质量越大的物体，滑行的距离 x 越小，故 B、D 选项正确． 3．如图所示，质量为 m 的小球用长为 L 的轻质细线悬于 O 点，与 O 点处 于同一水平线上的 P 点处有一个光滑的细钉，已知 OP＝L 2 ，在 A 点给小球一个 水平向左的初速度 v0，发现小球恰能到达跟 P 点在同一竖直线上的最高点 B.求： (1)小球到达 B 点时的速率； (2)若不计空气阻力，则初速度 v0 为多少； (3)若初速度 v0＝3 gL，则小球在从 A 到 B 的过程中克服空气阻力做了多少 功？ 解析：(1)小球恰能到达最高点 B，由牛顿第二定律得 mg＝m v2B L 2 解得 vB＝ gL 2 (2)若不计空气阻力，从 A→B 由动能定理得 －mg L＋L 2 ＝1 2mv2B－1 2mv20 解得 v0＝ 7gL 2 (3)当 v0＝3 gL 时，由动能定理得 －mg L＋L 2 －WFf＝1 2mv2B－1 2mv20 解得 WFf＝11 4 mgL 答案：(1) gL 2 (2) 7gL 2 (3)11 4 mgL (1)优先应用动能定理的问题 ①不涉及加速度、时间的问题． ②有多个物理过程且不需要研究整个过程中的中间状态的问题． ③变力做功的问题． ④含有 F、l、m、v、W、Ek 等物理量的力学问题． (2)应用动能定理的解题步骤 考点二 动能定理与图象的综合问题 1．力学中图象所围“面积”的意义 (1)vt 图：由公式 x＝vt 可知，vt 图线与坐标轴围成的面积表示物体的位移． (2)at 图：由公式Δv＝at 可知，at 图线与坐标轴围成的面积表示物体速度的 变化量． (3)Fx 图：由公式 W＝Fx 可知，Fx 图线与坐标轴围成的面积表示力所做的 功． (4)Pt 图：由公式 W＝Pt 可知，Pt 图线与坐标轴围成的面积表示力所做的 功． 2．解决物理图象问题的基本步骤 (1)观察题目给出的图象，弄清纵坐标、横坐标所对应的物理量及图线所表 示的物理意义． (2)根据物理规律推导出纵坐标与横坐标所对应的物理量间的函数关系式． (3)将推导出的物理规律与数学上与之相对应的标准函数关系式相对比，找 出图线的斜率、截距、图线的交点，图线下的面积所对应的物理意义，分析解答 问题．或者利用函数图线上的特定值代入函数关系式求物理量． [典例 1] 如图甲所示，一半径 R＝1 m、圆心角等于 143°的竖直圆弧形光滑 轨道，与斜面相切于 B 处，圆弧轨道的最高点为 M，斜面倾角θ＝37°，t＝0 时 刻有一物块沿斜面上滑，其在斜面上运动的速度变化规律如图乙所示，若物块恰 能到达 M 点，取 g＝10 m/s2，sin 37°＝0.6，cos 37°＝0.8，求： (1)物块经过 M 点的速度大小； (2)物块经过 B 点的速度大小； (3)物块与斜面间的动摩擦因数． 解析 (1)物块恰能到达 M 点则有 mg＝mv2M R 解得 vM＝ gR＝ 10 m/s (2)物块从 B 点运动到 M 点的过程中，由动能定理得 －mgR(1＋cos 37°)＝1 2mv2M－1 2mv2B 解得 vB＝ 46 m/s (3)由题图乙可知，物块在斜面上运动时，加速度大小为 a＝Δv Δt ＝10 m/s2，方 向沿斜面向下，有 mgsin 37°＋μmgcos 37°＝ma 解得μ＝0.5 答案 (1) 10 m/s (2) 46 m/s (3)0.5 1. (2017·安徽合肥一模)A、B 两物体分别在水平恒力 F1 和 F2 的作用下沿水 平面运动，先后撤去 F1、F2 后，两物体最终停下，它们的 vt 图象如图所示．已 知两物体与水平面间的滑动摩擦力大小相等．则下列说法正确的是( ) A．F1、F2 大小之比为 1∶2 B．F1、F2 对 A、B 做功之比为 1∶2 C．A、B 质量之比为 2∶1 D．全过程中 A、B 克服摩擦力做功之比为 2∶1 解析：选 C.由速度与时间图象可知，两个匀减速运动的加速度之比为 1∶2， 由牛顿第二定律可知：A、B 受摩擦力大小相等，所以 A、B 的质量关系是 2∶1， 由速度与时间图象可知，A、B 两物体加速与减速的位移相等，且匀加速运动位 移之比 1∶2，匀减速运动的位移之比 2∶1，由动能定理可得：A 物体的拉力与 摩擦力的关系，F1·x－f1·3x＝0－0；B 物体的拉力与摩擦力的关系，F2·2x－f2·3x ＝0－0，因此可得：F1＝3f1，F2＝3 2f2，f1＝f2，所以 F1＝2F2.全过程中摩擦力对 A、 B 做功相等，F1、F2 对 A、B 做功大小相等．故 A、B、D 错误，C 正确． 2. (2017·江西九江质检)打桩机是利用冲击力将桩贯入地层的桩工机械．某同 学对打桩机的工作原理产生了兴趣．他构建了一个打桩机的简易模型，如图甲所 示．他设想，用恒定大小的拉力 F 拉动绳端 B，使物体从 A 点(与钉子接触处)由 静止开始运动，上升一段高度后撤去 F，物体运动到最高点后自由下落并撞击钉 子，将钉子打入一定深度．按此模型分析，若物体质量 m＝1 kg，上升了 1 m 高 度时撤去拉力，撤去拉力前物体的动能 Ek 与上升高度 h 的关系图象如图乙所 示．(g 取 10 m/s2，不计空气阻力) (1)求物体上升到 0.4 m 高度处 F 的瞬时功率； (2)若物体撞击钉子后瞬间弹起，且使其不再落下，钉子获得 20 J 的动能向 下运动．钉子总长为 10 cm.撞击前插入部分可以忽略，不计钉子重力．已知钉子 在插入过程中所受阻力 Ff 与深度 x 的关系图象如图丙所示，求钉子能够插入的 最大深度． 解析：(1)撤去 F 前，根据动能定理，有 (F－mg)h＝Ek－0 由题图乙得，斜率为 k＝F－mg＝20 N 得 F＝30 N 又由题图乙得，h＝0.4 m 时，Ek＝8 J，则 v＝4 m/s P＝Fv＝120 W (2)碰撞后，对钉子有－Ffx′＝0－Ek′ 已知 Ek′＝20 J F f＝k′x′ 2 又由题图丙得 k′＝105 N/m 解得 x′＝0.02 m 答案：(1)120 W (2)0.02 m 动能定理与图象结合问题的分析方法 (1)首先看清楚所给图象的种类(如 vt 图象、Ft 图象、Ekx 图象等)． (2)挖掘图象的隐含条件——求出所需要的物理量，如由 vt 图象所包围的 “面积”求位移，由 Fx 图象所包围的“面积”求功等． (3)分析有哪些力做功，根据动能定理列方程，求出相应的物理量． 考点三 用动能定理解决多过程问题 1．运用动能定理解决问题时，选择合适的研究过程能使问题得以简化．当 物体的运动过程包含几个运动性质不同的子过程时，可以选择一个、几个或全部 子过程作为研究过程． 2．当选择全部子过程作为研究过程，涉及重力、大小恒定的阻力或摩擦力 做功时，要注意运用它们的功能特点： (1)重力的功取决于物体的初、末位置，与路径无关． (2)大小恒定的阻力或摩擦力做的功等于力的大小与路程的乘积． [典例 2] 如图所示，用一块长 L1＝1.0 m 的木板在墙和桌面间架设斜面， 桌子高 H＝0.8 m，长 L2＝1.5 m．斜面与水平桌面的倾角θ可在 0～60°间调节后 固定．将质量 m＝0.2 kg 的小物块从斜面顶端静止释放，物块与斜面间的动摩擦 因数μ1＝0.05，物块与桌面间的动摩擦因数为μ2，忽略物块在斜面与桌面交接处 的能量损失．(重力加速度取 g＝10 m/s2；最大静摩擦力等于滑动摩擦力) (1)求θ角增大到多少时，物块能从斜面开始下滑；(用正切值表示) (2)当θ角增大到 37°时，物块恰能停在桌面边缘，求物块与桌面间的动摩擦 因数μ2；(已知 sin 37°＝0.6，cos 37°＝0.8) (3)继续增大θ角，发现θ＝53°时物块落地点与墙面的距离最大，求此最大距 离 xm. 解析 (1)为使小物块下滑，应有 mgsin θ≥μ1mgcos θ① θ满足的条件 tan θ≥0.05② 即当θ＝arctan 0.05 时物块恰好从斜面开始下滑． (2)克服摩擦力做功 Wf＝μ1mgL1cos θ＋μ2mg(L2－L1cos θ)③ 由动能定理得 mgL1sin θ－Wf＝0④ 代入数据得μ2＝0.8⑤ (3)由动能定理得 mgL1sin θ－Wf＝1 2mv2⑥ 结合③式并代入数据得 v＝1 m/s⑦ 由平抛运动规律得 H＝1 2gt2，x1＝vt 解得 t＝0.4 s⑧ x1＝0.4 m⑨ xm＝x1＋L2＝1.9 m 答案 (1)arctan 0.05 (2)0.8 (3)1.9 m 1. 如图所示，相同材料制成的滑道 ABC，其中 AB 段为曲面，BC 段为水平 面．现有质量为 m 的木块，从距离水平面 h 高处的 A 点由静止释放，滑到 B 点 过程中克服摩擦力做功为 1 3mgh；木块通过 B 点后继续滑行 2h 距离后，在 C 点 停下来，则木块与曲面间的动摩擦因数应为( ) A.1 3 B．2 3 C.1 6 D. 1 12 解析：选 A.物体从 A 点到 C 点根据动能定理，mgh－1 3mgh－μmg·2h＝0，解 得μ＝1 3 ，因为曲面和水平轨道是同种材料，所以木块与曲面间的动摩擦因数也为 1 3 ，选项 A 正确． 2．(2016·高考天津卷) 我国将于 2022 年举办冬奥会，跳台滑雪是其中最具 观赏性的项目之一．如图所示，质量 m＝60 kg 的运动员从长直助滑道 AB 的 A 处由静止开始以加速度 a＝3.6 m/s2 匀加速滑下，到达助滑道末端 B 时速度 vB＝ 24 m/s，A 与 B 的竖直高度差 H＝48 m．为了改变运动员的运动方向，在助滑道 与起跳台之间用一段弯曲滑道衔接，其中最低点 C 处附近是一段以 O 为圆心的 圆弧．助滑道末端 B 与滑道最低点 C 的高度差 h＝5 m，运动员在 B、C 间运动 时阻力做功 W＝－1 530 J，g 取 10 m/s2. (1)求运动员在 AB 段下滑时受到阻力 Ff 的大小； (2)若运动员能够承受的最大压力为其所受重力的 6 倍，则 C 点所在圆弧的 半径 R 至少应为多大？ 解析：(1)运动员在 AB 段做初速度为零的匀加速运动，设 AB 的长度为 x， 则有 v2B＝2ax① 由牛顿第二定律有 mgH x －Ff＝ma② 联立①②式，代入数据解得 Ff＝144 N③ (2)设运动员到达 C 点时的速度为 vC，在由 B 到达 C 的过程中，由动能定理 有 mgh＋W＝1 2mv2C－1 2mv2B④ 设运动员在 C 点所受的支持力为 FN，由牛顿第二定律有 FN－mg＝mv2C R ⑤ 由运动员能够承受的最大压力为其所受重力的 6 倍，联立④⑤式，代入数据 解得 R＝12.5 m 答案： (1)144 N (2)12.5 m 利用动能定理求解多过程问题的基本思路 (1)弄清物体的运动由哪些过程组成． (2)分析每个过程中物体的受力情况． (3)各个力做功有何特点，对动能的变化有无影响． (4)从总体上把握全过程，表达出总功，找出初、末状态的动能． (5)对所研究的全过程运用动能定理列方程．