2020版新教材高中物理 1.1 机械功课件 鲁教版必修2

第1章功和机械能第1节机械功一、机械功的含义1.含义:如果作用于某物体的恒力大小为F,该物体沿_________运动的位移为s,则___________称为机械功,简称功。2.做功的两个因素:力的方向F与s的乘积3.公式:W=________。(1)如图,α是力与_____方向之间的夹角,s为物体对___的位移。(2)适用范围:该公式只适用于_____做功。(3)标矢性:功是___(选填“标”或“矢”)量。Fscosα位移地恒力标(4)功是一个_____(选填“状态”或“过程”)量,描述了力的作用效果在空间上的累积,总与一个具体过程相联系。过程4.单位:国际单位制中,功的单位是_____,简称___,符号是__。1J=1_____。焦耳焦JN·m二、机械功的计算1.正功和负功:α的取值W的取值含义α=W=0力F_______0≤αW0力F对物体做_____α≤πW0力F对物体做_____(或说成物体克服力F做功)222不做功正功负功2.几个力的总功的求法:(1)先由W=Fscosα计算各个力对物体所做的功W1、W2、W3…然后求所有力做功的_______,即W总=W1+W2+W3+…(2)先由力的合成或根据牛顿第二定律求出合力F合,然后由W总=_________计算总功,此时α为F合的方向与s的方向间的夹角。代数和F合scosα3.下列关于功的说法正确的是_______。①物体只要受力的作用,力对物体一定做功。②功是标量,只有大小,没有方向。③力促使物体运动做正功,阻碍物体运动做负功。④合力做的总功可以比各个分力做的功大。②③④一机械功的公式及功的正负1.公式W=Fscosα的应用:(1)相关性:由公式W=Fscosα可以看出力对物体做功,只与F、s、α有关,与物体的运动状态及物体是否还受其他作用力等因素均无关。(2)同时性:计算时应注意F与s必须具有同时性,即s必须是力F作用过程中物体发生的位移。(3)同一性:同一个客观运动,相对于不同的参考系,位移s是不同的,在中学物理中约定,计算功都以地面为参考系,即s应理解为“受力质点的对地位移”。(4)适用性:明确公式W=Fscosα适用于计算恒力做功。若是变力做功,此公式不再适用。2.正功与负功:(1)功是标量,只有正、负,没有方向,功的正负不表示大小。(2)正功、负功的物理意义。动力学角度能量角度正功表示这个力对物体来说是动力力对物体做正功,使物体获得能量负功表示这个力是阻力,对物体的运动起阻碍作用物体克服外力做功,使物体失去能量(3)一个力对物体做负功,往往说成物体克服这个力做功。【思考·讨论】情境:如图所示,某运动员向上举起杠铃后,并沿水平方向匀速移动一段距离。讨论:(1)两个过程中该运动员对杠铃做功了吗?(2)试总结力对物体做功的条件是什么?(物理观念)提示:(1)该运动员向上举起杠铃的过程对杠铃做功,水平匀速移动过程中对杠铃不做功。(2)做功的条件是有力并在力的方向上有位移。【典例示范】如图所示,B放在光滑水平面上,A放在B上并用细绳和右端墙壁相连。B物体在拉力F的作用下向左运动,在运动过程中,A、B之间有相互作用的摩擦力,则对摩擦力做功的情况,下列说法中正确的是()世纪金榜导学号A.A、B都克服摩擦力做功B.摩擦力对A做负功C.摩擦力对B做负功D.摩擦力对A、B都不做功【解题探究】(1)B物体向左运动过程中,A、B两物体分别受哪些力?提示:A物体受重力、B物体的支持力、B物体对A的摩擦力和绳子的拉力,共四个力作用;B物体受重力、A对B的压力、地面的支持力、A对B的摩擦力、外力F,共五个力作用。(2)A、B两物体受到的各力做功情况怎样?提示:重力、支持力、绳子的拉力、A对B的压力及B对A的摩擦力均不做功。A对B的摩擦力对B做负功,拉力F对B做正功。【解析】选C。以A为研究对象,分析B对A的摩擦力及其做功情况。对A受力分析如图。以B为研究对象,分析A对B的摩擦力及其做功情况。对B受力分析如图。【规律方法】求解摩擦力做功的方法和步骤(1)对物体受力分析,确定物体所受的摩擦力。(2)对物体进行运动状态的分析,确定物体在摩擦力方向上对地的位移。(3)根据公式W=Fscosα计算摩擦力做的功,判定摩擦力是否做功。【素养训练】1.(多选)下列说法中正确的是()A.功是矢量,正、负表示方向B.功是标量,正号表示外力对物体做功,负号表示物体克服外力做功C.力对物体做正功还是做负功,取决于力和位移的方向关系D.力做功总是在某过程中完成的,所以功是一个过程量【解析】选B、C、D。功是标量,只有大小,没有方向,故A错;功有正负,正功表示外力对物体做功,负功表示物体克服外力做功,功的正负取决于力和位移的夹角,即力和位移的方向关系,故B、C正确;功总与一段位移相对应,因此是过程量,故D正确。2.如图所示,小李乘电梯从1楼到20楼,在此过程中经历了先加速、后匀速、再减速的运动过程,则电梯支持力对小李的做功情况是世纪金榜导学号()A.加速时做正功,匀速时不做功,减速时做负功B.加速时做正功,匀速和减速时做负功C.加速和匀速时做正功,减速时做负功D.始终做正功【解析】选D。要判断功的正负,可根据公式W=Fscosα中力和位移的夹角α来判断。在加速、匀速、减速的过程中,支持力与小李的位移方向始终相同,所以支持力始终对小李做正功,则D正确,A、B、C错误。【补偿训练】1.大力士比赛在国外比较盛行,首次世界大力士比赛始于1977年,如图所示为某选手将20多吨的汽车在水平路面上拖行了20m,下列说法正确的是()A.汽车受到的重力做了正功B.汽车受到的地面的摩擦力做了负功C.汽车受到的拉力不做功D.汽车受到地面的支持力做了正功【解析】选B。汽车所受重力的方向竖直向下,而位移的方向为水平方向,重力与位移方向垂直,故重力不做功,A项错误;汽车受到的地面的摩擦力与位移方向夹角为180°,W=Fscos180°=-Fs,故地面对汽车的摩擦力做负功,B项正确;汽车受到的拉力与位移方向夹角为锐角,拉力做正功,故C项错误;汽车受到地面的支持力与位移方向垂直,不做功,D项错误。2.(多选)在加速运动的车厢中,一个人用力向前推车厢,如图所示,人相对车厢未移动,则下列说法中正确的是()A.人对车不做功B.人对车做负功C.推力对车做正功D.车对人做正功【解析】选B、C、D。如图所示,对人在水平方向上受力分析,人所受静摩擦力f与水平弹力F方向相反,由于人也做加速运动,故有fF。据题意知,Wf0,WF0,两个力作用的位移相同,故车对人做的功W0,D选项正确。对车在水平方向上受力分析,人对车有两个方向相反的力,分别为f′和F′,据功的公式W=Fscosα知Wf′0,WF′0,而F′f′,故人对车做负功,推力对车做正功,A错误,B、C选项正确。二求恒力做功的方法1.先确定物体所受的合力,再根据公式W合=F合scosα求解合力做的功。该方法适用于物体的合力不变的情况,常见的是发生位移s过程中,物体所受的各力均没有发生变化。求解流程:2.先根据W=Fscosα,求出每个分力做的功W1、W2…Wn,再根据W总=W1+W2+…+Wn,求解合力做的功,即合力做的功等于各个分力做功的代数和。该方法的适用范围更广,求解流程:【思考·讨论】如图所示,小朋友在滑滑梯,请分析在小孩加速下滑的过程中重力做什么功?支持力和摩擦力做什么功?合力做什么功?(科学思维)提示:重力做正功,支持力不做功,摩擦力做负功,合力做正功。【典例示范】如图所示,质量为m的物体静止①在倾角为θ的斜面上,物体与斜面间的动摩擦因数为μ。现使斜面水平向左匀速移动②距离L。试求:世纪金榜导学号(1)摩擦力对物体做的功(物体与斜面相对静止)。(2)斜面对物体的弹力对物体做的功。(3)重力对物体做的功。(4)斜面对物体做的功是多少?各力对物体所做的总功③是多少?【审题关键】序号信息提取①物体处于静态平衡②物体处于动态平衡③总功等于各力做功的代数和【解析】物体的受力情况如图所示,物体相对斜面静止,相对地面水平向左匀速移动L,物体受到重力mg、摩擦力f和支持力N的作用,这些力均是恒力,故可用公式W=Fscosα计算各力做的功。根据物体的平衡条件,可得:f=mgsinθ,N=mgcosθ。(1)Wf=fLcos(180°-θ)=-mgLsinθcosθ。(2)WN=NLcos(90°-θ)=mgLsinθcosθ。(3)WG=mgLcos90°=0。(4)斜面对物体做的功为斜面对物体施加的力做功的代数和:W斜=Wf+WN=0。各力对物体所做的总功等于各力做功的代数和,即W总=Wf+WN+WG=0。答案:(1)-mgLsinθcosθ(2)mgLsinθcosθ(3)0(4)00【规律方法】计算总功的一般步骤和方法(1)对物体进行受力分析,明确物体受到哪几个力作用,以及每个力的大小和方向。(2)分析每一个力作用过程中所对应的位移,根据功的定义式W=Fscosα,求出每一个力所做的功。(3)将各个力所做的功进行代数求和,即可计算出总功。(4)若各个力是同时作用在物体上,也可先求出各个力的合力,再根据功的定义式求出合力所做的总功。【素养训练】1.一物体置于光滑水平面上,受互相垂直的水平力F1、F2作用,如图所示,经一段位移后,F1做功为6J,物体克服F2做功为8J,则F1、F2的合力做功为世纪金榜导学号()A.14JB.10JC.-2JD.2J【解析】选C。当有多个力对物体做功的时候,总功的大小等于各个力做功的代数和,由于力F1做功为6J,力F2做功为-8J,所以F1与F2的合力做功为6J-8J=-2J,则C正确,A、B、D错误。2.质量为m的木箱放在倾角为α的粗糙斜面上,水平力F作用在木箱上,使它沿斜面匀速向上移动了s,如图所示,试分析作用在木箱上有几个力,各力对木箱做功为多少?合力所做的功为多少?世纪金榜导学号【解析】对木箱受力分析如图所示,受重力mg、支持力N、水平推力F、摩擦力f,共四个力作用。WN=Nscos90°=0WF=FscosαWG=-mgssinαWf=-fs=(mgsinα-Fcosα)sW总=WN+WF+WG+Wf=0答案:见解析【补偿训练】1.物体沿直线运动的v-t关系如图所示,已知在第1s内合外力对物体做的功为W,则()A.从第1s末到第3s末合外力做功为4WB.从第3s末到第5s末合外力做功为-2WC.从第5s末到第7s末合外力做功为WD.从第3s末到第4s末合外力做功为0.75W【解析】选C。设物体的质量为m,在第1s内的加速度为a1==v,位移为s1=vt1=,根据牛顿第二定律可知,物体在第1s内的合外力为F1=ma1=mv,根据题意及功的定义式可知W=F1s1=mv×=。从第1s末到第3s末,物体匀速运动,合外力等于零,合外力做功为零,选项A错误;从第3s末到第5s末物体位移等于s2=vt2=v,合外力为F2=m×()=-,则从第3s末到1vt12v2v22mv2120v2mv2第5s末合外力做的功为W1=F2s2=-×v=-=-W,选项B错误;从第5s末到第7s末物体的位移s3=(-v)t3=-v,合外力为F3=m×()=-,则从第5s末到第7s末合外力做功为W2=F3s3==W,选项C正确;从第3s末到第4s末物体的位移为s4=t4=,合外力为F2=-,则从第3s末到第4s末合外力做功为W3=F2s4=-×=-=-0.375W,选项D错误。mv22mv212v02mv22mv2v(v)223v4mv2mv23v423mv82.一个人从深4m的水井中将50N的水桶匀速提至地面,在水平道路上又匀速行走了12m,再匀速走下6m深的地下室。则整个过程中此人用来提水桶的力所做的功为多少?【解析】人从4m深的水井中匀速向上提水桶做的功为W1=Fh1=50×4J=200J,人在水平道路上行走12m的过程中,由于竖直向上的拉力与水平位移垂直,故人对水桶不做功,即W2=0。人匀速走下6m深的地下室的过程中,对水桶做的功为W3=-Fh2