物理必修2（配粤教）4.3《探究外力做功与物体动能变化的关系》课件

(共44张PPT)
第三节　探究外力做功与物体动能变化的关系
核心要点突破
课堂互动讲练
知能优化训练
课前自主学案
第三节　探究外力做功与物体动能变化的关系
课标定位
课标定位
学习目标：1.会用实验的方法来探究外力做功与物体动能变化的关系，并能用牛顿第二定律和运动学公式推导动能定理．
2．理解动能定理的内容，并能用动能定理分析、计算有关问题．
重点难点：1.动能定理的应用．
2．探究外力做功与动能变化之间的关系．
课前自主学案
一、实验与探究
1．实验目的：探究外力做功与物体动能变化的关系．
2．实验方法：让物体自由下落，下落过程经过A、B两点，测出A、B两点的高度差hAB和A、B两点的速度vA、vB，则重力做的功为WG＝________.
mghAB
动能变化为ΔEk＝_________________
验证WG与ΔEk的关系．
3．实验器材：铁架台(带铁夹)、
__________________、________、重物、纸带、电源等．
4．实验步骤
(1)按图4－3－1把打点计时器安装在铁架台上，用导线把打点计时器与电源连接好．
电火花打点计时器
刻度尺
图4－3－1
(2)把纸带的一端在重物上用夹子固定好，另一端穿过计时器限位孔，用手捏住纸带上端提起纸带使重物停靠在打点计时器附近．
(3)先____________，后__________，让重物自由下落．
(4)重复几次，得到3～5条打好点的纸带．
(5)在打好点的纸带中挑选点迹清晰的一条纸带，在起始点标上0，以后依次标上1,2,3……用刻度尺测出对应下落高度h1、h2、h3…….
接通电源
释放纸带
(6)应用公式vn＝____________计算各点对应的即时速度v1、v2、v3…….
(7)计算各点对应的重力做的功_______和动能的增加量________，进行比较．(请自行设计表格进行分析)
mgh
5．结论：合力对物体所做的功等于物体动能的变化．
6．实验误差及注意事项
(1)误差产生原因分析及减小方法
重物和纸带在下落过程中受到打点计时器和空气的阻力，比较W与ΔEk关系时，W只计算重力做功，未考虑阻力做功，给实验带来误差．
竖直固定打点计时器，适当增加重物的质量来减小相对误差．
(2)注意事项
①打点计时器要竖直架稳，使两限位孔在同一竖直线上．
②释放纸带时，应使重物靠近打点计时器．
③保持提起的纸带竖直，先接通电源再松开纸带．
④测量下落高度时，应从起点量起，选取的计数点要离起始点远些，纸带不宜过长．
思考感悟
利用物体自由下落来探究外力做功与物体动能变化的关系时，物体的质量需不需要测量？为什么？
2．结论：合力对物体所做的功等于物体动能的变化．
三、动能定理
动能定理的内容：合力对物体所做的功等于物体动能的变化．
表达式：___________________.
式中Ek2表示物体的末态的动能，Ek1表示物体的初态的动能，W表示合外力所做的功．当外力对物体做正功时，物体的动能________；当外力对物体做负功时，物体的动能_________
W＝Ek2－Ek1
增加
减少．
核心要点突破
一、对动能定理的理解
1．动能定理反映了一种因果关系，即合力做功是物体动能变化的原因．当合力对物体做正功时W>0，Ek2－Ek1>0，Ek2>Ek1，动能增加．
特别提醒：动能只有正值，没有负值，但动能的变化却有正负．“变化”是指末状态的物理量减去初状态的物理量，而不一定是大的减小的．动能的变化量为正值，表示物体的动能增加了，对应于合力对物体做正功；物体的变化量为负值，表示物体的动能减小了，对应于合力对物体做负功，或者说物体克服合力做功．
2．动能定理的研究对象是单一物体，或者是可以看成单一物体的物体系．
3．动能定理适用于物体的直线运动，也适用于物体的曲线运动；适用于恒力做功，也适用于变力做功，力可以是各种性质的力，既可以同时作用，也可以分段作用．只要求出在作用过程中各力做功的多少和正负即可．用动能定理解题一般比用牛顿第二定律和运动学公式求解简便．
4．动能定理的计算式为标量式，v为相对同一参考系的速度，一般以地面为参考系．
5．外力对物体所做的功是指物体所受的一切外力对它做的总功．
特别提醒：(1)动能定理只强调初末状态动能的变化，在一段过程中初末位置的动能变化量为零，并不意味着在此过程中的各个时刻动能不变化．
(2)物体所受合力不为零时，其动能不一定变化，比如合力方向始终与速度垂直时，动能就不会变化．
即时应用(即时突破，小试牛刀)
1．(单选)一质量为1 kg的物体被人用手由静止开始向上提升1 m，这时物体的速度是2 m/s，则下列结论中错误的是(　　)
A．手对物体做功12 J　　
B．合力对物体做功12 J
C．合力对物体做功2 J
D．物体克服重力做功10 J
二、动能定理的适用条件及解题的优越性
1．适用条件：动能定理虽然是在物体受恒力作用、沿直线做匀加速直线运动的情况下推导出来的，但是对于外力是变力或物体做曲线运动，动能定理都成立．
2．优越性：(1)对于变力作用或曲线运动，动能定理提供了一种计算变力做功的简便方法．功的计算公式W＝Fscos α只能求恒力做的功，不能求变力的功，而由于动能定理提供了一个物体的动能变化ΔEk与合外力对物体所做功具有等量代换关系，因此已知(或求出)物体的动能变化ΔEk＝Ek2－Ek1，就可以间接求得变力做功．
(2)与用牛顿定律解题的比较
牛顿定律 动能定理
相
同点 确定研究对象，对物体进行受力分析和运动过程分析
适用条件 只能研究在恒力作用下物体做直线运动 对于在恒力或变力作用下，物体做直线或曲线运动均适用
应用
方法 要考虑运动过程的每一个细节，结合运动学公式解题 只考虑各力的做功情况及初、末状态的动能
运算方法 矢量运算 代数运算
两种思路对比可以看出应用动能定理解题不涉及加速度、时间，不涉及矢量运算，运算简单不易出错．
特别提醒：有些问题，用牛顿第二定律和运动学知识可以求解，用动能定理也可以求解，但由于应用动能定理时不需要考虑运动过程中的一些细节，所以用动能定理求解更简洁一些．
即时应用(即时突破，小试牛刀)
2．(单选)如图4－3－3所示，光滑水平桌面上开一个光滑小孔，从孔中穿一根细绳，绳一端系一个小球，另一端用力F1向下拉，以维持小球在光滑水平面上做半径为R1的匀速圆周运动．今改变拉力，当大小变为F2时，小球仍在水平桌面上做匀速圆周运动，但半径变为R2.则小球运动半径由R1变为R2过程中，拉力对小球做的功是(　　)
图4－3－3
课堂互动讲练
探究外力做功与物体动能的变化
在“探究外力做功与物体动能的变化”的实验中，已知打点计时器所用的电源的频率为50 Hz，查得当地的重力加速度g＝9.80 m/s2，测得所用的重物的质量为1.00 kg.实验中得到一条点迹清晰的纸带，如图4－3－4，把第一个点记作O，另选连续的四个点A、B、C、D作为测量的点，经测量知道A、B、C、D各点到O点的距离分别
例1
是62.99 cm、70.18 cm、77.76 cm、85.73 cm.根据以上数据，可知重物由O点运动到C点，重力做的功为________J，动能的增加量等于________J(取三位有效数字)．结论是在误差允许的范围内________．
图4－3－4
【答案】　7.62　7.57　重力做的功等于物体增加的动能
【方法总结】　根据匀变速直线运动某段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度，因此，纸带上某点的瞬时速度就等于该点前后相邻两点间的平均速度．
如图4－3－5所示，将质量m＝2 kg的一块石头从离地面H＝2 m高处由静止开始释放，落入泥潭并陷入泥中h＝5 cm深处，
不计空气阻力．求泥对石头
的平均阻力．(g取10 m/s2)
动能定理的应用
例2
图4－3－5
【答案】　820 N
【方法总结】　应用动能定理解决问题的五个步骤
(1)明确研究对象和研究过程．
(2)明确题设条件和已知量、未知量、待求量．
(3)分析研究对象在对应的研究过程中的受力情况及各力对物体做功情况，写出各力做功的表达式并求其代数和．
(4)明确研究对象在对应研究过程中的初、末状态．
(5)由动能定理的W合＝Ek2－Ek1列式求解未知量．
如图4－3－6所示，质量为m的物体置于光滑的水平面上，用一根绳子一端固定在物体上，另一端通过定滑轮，以恒定速
率v0拉绳子，物体由静止开始
运动，当绳子与水平方向夹
角α＝45°时，绳中张力对物
体做的功是多少？
应用动能定理求变力做功
例3
图4－3－6
【答案】　mv
【方法总结】　对变力做功直接应用功的公式无法求解，而应用动能定理非常方便，动能定理可以求解变力做功的问题．
如图4－3－7所示，轨道的两端翘起，中间平直，平直部分长s＝0.2 m，动摩擦因数μ＝0.10，两端翘起的部分是光滑的，设一物体从距平直部分高h＝1.0 m处由静止沿轨道滑下，则物体在平直轨道上运动所通过的总路程是多少？
全程法应用动能定理
例4
图4－3－7
【思路点拨】　对于一些复杂的物理过程，尤其是涉及非匀变速直线运动的过程，应用牛顿运动定律很难解决，而动能定理由于不涉及中间过程，所以在全过程中应用动能定理更简捷．
【自主解答】　物体从左侧弯曲轨道滑下，通过平直轨道后滑上右侧弯曲轨道，再从右侧轨道下来，滑上左侧轨道，这样往复数次后，因平直轨道的摩擦作用，物体将停止在平直轨道上，选取
物体刚开始下滑至停止这一运动过程来研究，物体的初动能Ek1＝0，末动能Ek2＝0，设物体的质量为m，在平直轨道上运动的总路程为s′.则摩擦力做的功Wf＝－μmgs′，重力做的功WG＝mgh，轨道的支持力不做功．
【答案】　10 m
图4－3－8
解析：选D.物体从A到B所受弹力要发生变化，摩擦力大小也要随之发生变化，所以求克服摩擦力做的功，不能直接用功的公式求得．而在BC段克服摩擦力所做的功，可直接求得．对从A到C全过程应用动能定理即可求出在AB段克服摩擦力所做的功．
设物体在AB段克服摩擦力所做的功为WAB，物体从A到C的全过程，根据动能定理有mgR－WAB－μmgR＝0
所以有WAB＝mgR－μmgR＝(1－μ)mgR.
知能优化训练
本部分内容讲解结束
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