2019-2020学年高中物理 第4章 机械能和能源 第1节 功课件 粤教版必修2

2016年8月8日，里约奥运会举重项目在里约会展中心2号馆继续展开第二比赛日争夺．在男子56公斤级比赛中，中国名将龙清泉完成漂亮绝杀，以抓举137公斤平抓举奥运会纪录，挺举170公斤，总成绩307公斤破尘封16年的总成绩世界纪录夺得了中国举重队在里约的首枚金牌，龙清泉继2008年北京奥运会后时隔8年再次登上奥运最高颁奖台．龙清泉在抓举过程中，杠铃的能量是如何转化的？第一节功1．(多选)人们离开大气层，进行航天飞行所需的运载工具可以是()A．喷气式飞机B．火箭C．直升机D．航天飞机【答案】BD【解析】喷气式飞机和直升机必须依靠空气进行飞行，不能离开大气层，故不选A、C；火箭和航天飞机依靠自身携带的燃料，可以飞出大气层，故选B、D.2．“嫦娥二号”月球探测器在环绕月球运行过程中，设探测器运行的轨道半径为r，运行速率为v，当探测器在飞越月球上一些环形山中的质量密集区上空时()A．r、v都将略为减小B．r、v都将保持不变C．r将略为减小，v将略为增大D．r将略为增大，v将略为减小【答案】C3．(2017南京质检)2016年10月17日，我国自主研发的“神舟十一号”载人飞船在酒泉卫星发射中心由“长征二号”运载火箭发射升空，“神舟十一号”发射后首先进入椭圆形轨道绕地球运行，理论上其发射速度为()A．7.9km/sB．11.2km/sC．16.7km/sD．大于7.9km/s且小于11.2km/s【答案】D【解析】7.9km/s即第一宇宙速度是卫星发射的最小速度，11.2km/s即第二宇宙速度是卫星脱离地球束缚的发射速度．“神舟十一号”发射后直接进入椭圆形轨道，由此可知“神舟十一号”从地面发射的速度介于7.9km/s和11.2km/s之间，故A、B、C错误，D正确．故选D．一、怎样才算做了功1．功的概念一个物体受到______的作用，并使物体在________上发生了一段________，就说这个力对物体做了机械功，简称功．2．做功的两个不可缺少的因素______和物体_________________________是做功的两个不可缺少的因素．力力的方向位移力在力的方向上发生的位移甲、乙、丙三位同学分别提着同样的一桶水，甲静止不动；乙在水平面上匀速走动；丙提水上楼，三位同学对水桶的拉力都做功了吗？【答案】只有丙同学对桶的拉力做功．若物体只受力但没有沿力的方向发生位移，则该力对物体不做功．二、如何计算功1．功的计算公式(1)当恒力F的方向与位移s的方向一致时，力对物体所做的功W为：W＝______.(2)当恒力F的方向与位移s的方向成某一角度α时，力F对物体所做的功W为：W＝__________.即力对物体所做的功，等于___________、___________________________________的乘积．功是一个______，只有______，没有______．FsFscosα力的大小位移的大小以及力和位移夹角的余弦标量大小方向2．功的计算公式适用条件公式W＝Fscosα只适用于求______所做的功．3．功的单位在国际单位制中，功的单位是焦耳，符号是J.焦耳的定义：1J等于______的力使物体在力的方向上发生______的位移时所做的功．即1J＝_____________________.恒力1N1m1N×1m＝1N·m三、正功与负功由功的公式W＝Fscosα可知α范围cosα范围W正负物理意义0≤α＜π20＜cosα≤1______力是______α＝π200力不是动力也不是阻力π2＜α≤π－1≤cosα＜0______力是______注：功是标量，虽有正负之分，但无方向；功的计算遵循代数运算法则．正动力负阻力功是标量，故正功一定大于负功，这种说法对吗？【答案】这种说法是错误的．功的正负只表示力是促进物体运动还是阻碍物体运动，即功的正负表示力的作用效果，既不表示大小，也不表示方向，如－10J的功值大于5J的功值．1．功是过程量功是力在空间上的积累，所以功是一个过程量，在计算功时，一定要明确是哪一个力在哪一段位移上对物体做了功．2．决定做功多少的因素力对物体所做的功等于力与物体在力的方向上发生的位移的乘积，与物体是否受到其他力的作用及物体的运动状态无关．正确理解功及正、负功的含义3．功的正负(1)功是标量，功的正负既不表示方向，也不表示大小，而是表示力对物体做功的效果，即是动力做功还是阻力做功．(2)正功：表示动力做功，做功的效果会促进物体的运动．(3)负功：表示阻力做功，做功的效果会阻碍物体的运动．4．摩擦力做功(1)摩擦力(包括滑动摩擦力和静摩擦力)总是阻碍物体间的相对运动或相对运动趋势，但不一定和物体的运动方向相反．(2)摩擦力做功的正负只由摩擦力的方向和位移的方向决定，摩擦力的方向与物体的运动方向之间有三种可能，即相同、相反、垂直．因此摩擦力对物体既可以做正功，也可以做负功，也有可能不做功．(3)一对静摩擦力，其大小相等、方向相反，对同一系统而言位移大小相等，所以一对静摩擦力对系统做功一定为零．特别提醒：当物体受多个力作用时，每一个力都可能对物体做功，其中的某一个力对物体做功的正负由该力的方向与物体的位移方向之间的夹角决定，与其他力的大小及做功情况无关．例1如图所示，质量m＝2kg的物体静止在水平地面上，受到与水平面成θ＝37°，大小F＝10N的拉力作用，物体移动了s＝2m，物体与地面间的动摩擦因数μ＝0.3，g取10m/s2，求：(1)拉力F所做的功W1；(2)摩擦力f所做的功W2；(3)重力G所做的功W3；(4)弹力N所做的功W4；(5)合力F合所做的功W.解析：(1)对物体进行受力分析，如图所示．W1＝Fscosθ＝10×2×0.8J＝16J.(2)N＝G－Fsinθ＝20N－10×0.6N＝14N，f＝μN＝0.3×14N＝4.2N，W2＝fscos180°＝－4.2×2J＝－8.4J.(3)W3＝Gscos90°＝0.(4)W4＝Nscos90°＝0.(5)W＝W1＋W2＋W3＋W4＝7.6J或由合力求总功．F合＝Fcosθ－f＝10×0.8N－4.2N＝3.8N，F合与s方向相同，则W＝F合s＝3.8×2J＝7.6J.答案：(1)16J(2)－8.4J(3)0(4)0(5)7.6J题后反思：1.计算力的功，首先明确是哪个力做的功．2．判断功的正负与力的性质无关，只看F与s的夹角α.若0≤α＜90°，则W＞0；α＝0，则W＝0；90°＜α≤180°，则W＜0.3．求总功有两种方法，可灵活选择．1．(2018陕西模拟)如图所示，物体在斜向上的拉力F作用下，沿粗糙水平面向右匀速运动．下列关于各力对物体做功的说法，正确的是()A．重力做正功B．摩擦力做负功C．支持力做正功D．拉力做负功【答案】B【解析】物体在重力和支持力方向上没有位移，所以重力和支持力不做功；拉力与位移方向的夹角为锐角，所以拉力做正功；摩擦力与位移的方向相反，所以摩擦力做负功；物体匀速运动，合外力为零，合外力做功为零．A、C、D错误，B正确．对于功的公式W＝Fscosα，应从以下几方面理解：1．scosα可以理解为物体沿力F方向上位移的大小，或Fcosα可以理解为F沿位移s方向的分力大小．2．α角的大小决定着功的正负．若α＜90°，功为正值，表明该力促进物体运动；若α＞90°，力做负功，说明该力阻碍物体运动；若α＝90°，则W＝0，表明该力不做功．功的公式理解与功的计算3．对位移s应从以下两点来理解(1)位移s一般指物体的位移，但当物体的位移与力的作用点的位移不一致时，位移s应指作用点的位移．(2)由于所选参考系的不同，位移s具有相对性，高中阶段研究做功问题时应以地面为参考系．4．总功的计算当多个外力作用于物体而做功时，需考虑各个外力共同做功而产生的效果，即计算合外力做的功——总功．这时计算总功的方法有两种：(1)先求外力的合力，然后计算合力做的功，即W总＝F合scosα(式中α是合力与位移的夹角)．(2)先由功的公式W＝Fscosα计算各个外力对物体所做的功W1、W2、W3、…然后求各个外力所做功的代数和，即W总＝W1＋W2＋W3＋….特别提醒：(1)公式W＝Fscosα只适用于恒力做功．(2)由W总＝W1＋W2＋W3＋…的方法求总功时，各力须均为恒力，式中相加为代数和，不是矢量和．例2如图所示，一质量为m的木块，放在倾角为θ的斜面体上，且始终与斜面保持相对静止，在两者沿水平方向向右匀速移动距离s的过程中，作用在木块上的各个力对木块做的功各为多少？合力做的功是多少？题眼直击：功是标量，满足代数运算法则．解题流程：方法一：方法二：答案：WG＝0WN＝－mgssinθcosθWf＝mgssinθcosθW合＝0题后反思：判断作用在物体上的力做不做功，应抓住两点：一是这个物体是否发生了位移；二是位移是不是沿力的方向或在力的方向上有没有分量．判断力对物体做正功还是做负功，常用的有两种方法：一是看力和位移间的夹角；二是看力和速度方向的夹角．2．如图所示，水平地面上的物体质量为2kg，在与水平方向成37°角、大小为10N的拉力作用下沿水平面向右移动2m，已知物体与水平地面间的动摩擦因数为0.2.问在这一过程中，物体受的各力做功多少？合力做功多少？(g取10m/s2)【答案】WG＝WN＝0，WF＝16J，Wf＝－5.6J，W合＝10.4J.变力做功的计算功的公式W＝Fscosα，只适用于恒力做功的计算，对于变力做功时，可根据具体的情况而采取相对应的方法．1．平均力法：如果一个力方向不变，大小随位移均匀变化，如右图所示，可以取力的平均值将变力转化为恒力，由W＝Fscosα＝F1＋F22scosα来计算．2．图象法：若作用在物体上的力只是大小变化，而方向始终与位移在同一直线上，可将力随位移的变化的关系描绘在F－s图上，则图线与坐标轴所围成的图形的“面积”就表示力F对物体所做的功，如图所示，与运动学中由v－t图象求位移的道理相同．3．分段法(或微元法)：把物体的运动过程分为很多小段，这样每一小段可以看成直线，先求力在每一小段上的功，再求和即可．4．转换研究对象法：通过改变研究对象化变力为恒力求功．5．由功能关系求变力做功．(后面学习)特别提醒：计算功时，首先要明确计算的是某个力的功还是合力的功，其次要搞清是恒力还是变力，最后依据力的特点选择相应的计算方法进行计算．例3如右图所示，一质量为m＝2.0kg的物体从半径为R＝5.0m的圆弧的A端，在拉力作用下沿圆弧缓慢运动到B端(圆弧AB在竖直平面内)．拉力F大小不变始终为15N，方向始终与物体在该点的切线成37°角．圆弧所对应的圆心角为60°，BO边为竖直方向，g取10m/s2.求这一过程中：(1)拉力F做的功．(2)重力mg做的功．(3)圆弧面对物体的支持力N做的功．(4)圆弧面对物体的摩擦力f做的功．解析：(1)将圆弧AB︵分成很多小段s1，s2，…，sn，拉力在每小段上做的功为W1，W2，…，Wn，因拉力F大小不变，方向始终与物体在该点的切线成37°角，所以：W1＝Fs1cos37°，W2＝Fs2cos37°，…，Wn＝Fsncos37°，所以WF＝W1＋W2＋…＋Wn＝Fcos37°(s1＋s2＋…＋sn)＝Fcos37°·π3R＝20πJ＝62.8J.(2)重力mg做的功WG＝－mgR(1－cos60°)＝－50J.(3)物体受的支持力N始终与物体的运动方向垂直，所以WN＝0.(4)因物体在拉力F作用下缓慢移动，合外力做功为零，所以WF＋WG＋Wf＝0.所以Wf＝－WF－WG＝(－62.8＋50)J＝－12.8J.答案：(1)62.8J(2)－50J(3)0(4)－12.8J题后反思：将变力的功转化为恒力的功的常用方法：1．当力的大小不变，而方向始终与运动方向相同或相反时，这类力的功等于力和路程(不是位移)的乘积，如滑动摩擦力、空气阻力做功等．2．当力的方向不变，大小随位移线性变化时，可先求出力对位移的平均值F＝F1＋F22，再由W＝Fs·cosα计算，如弹簧弹力做功．3．做出变力F随位