8.3动能和动能定理
一、动能
1.定义:物体由于运动而具有的能量。
2.公式:Ek=mv2,v为瞬时速度,动能是状态量。
3.单位:焦耳,1 J=1 N·m=1 kg·m2/s2。
4.标矢性:动能是标量,只有正值。
5.动能的变化量:ΔEk=Ek2-Ek1=mv-mv。
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量。
2.表达式:W=ΔEk=mv-mv。
3.物理意义:合外力对物体做的功是物体动能变化的量度。
4.适用条件
(1)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。
1.对动能定理中“力”的两点理解
(1)“力”指的是合力,包括重力、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)力既可以是恒力,也可以是变力。应用动能定理可求变力做的功。
2.动能定理公式中体现的“三个关系”
(1)数量关系:即合力所做的功与物体动能的变化具有等量替代关系。可以通过计算物体动能的变化,求合力做的功,进而求得某一力做的功。
(2)单位关系:等式两边物理量的国际单位都是焦耳。
(3)因果关系:合力做功是引起物体动能变化的原因。
3.标量性
动能定理的表达式是一个标量式,不存在方向的选取问题。在某方向上应用动能定理是无依据的。
一、单选题
1.关于动能的理解,下列说法错误的是( )
A.动能是机械能的一种表现形式,凡是运动的物体都具有动能
B.物体的动能不能为负值
C.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
D.动能不变的物体,一定处于平衡状态
2.韩晓鹏是我国首位在冬奥会雪上项目夺冠的运动员.他在一次自由式滑雪空中技巧比赛中沿“助滑区”保持同一姿态下滑了一段距离,重力对他做功1900J,他克服阻力做功100J.韩晓鹏在此过程中( )
A.动能增加了1900J
B.动能增加了2000 J
C.重力势能减小了1900J
D.重力势能减小了2000J
3.如图所示,一质量为m的小球固定于轻质弹簧的一端,弹簧的另一端固定于O点.将小球拉至A点,弹簧恰好无形变,由静止释放小球,当小球运动到O点正下方与A点的竖直高度差为h的B点时,速度大小为v.已知重力加速度为g,下列说法正确的是
A.小球运动到B点时的动能等于mgh
B.小球由A点到B点重力势能减少mv2
C.小球由A点到B点克服弹力做功为mgh
D.小球到达B点时弹簧的弹性势能为mgh-mv2
4.如图(a),在竖直平面内固定一光滑半圆形轨道ABC,B为轨道的中点,质量为m的小球以一定的初动能Ek0从最低点A冲上轨道。图(b)是小球沿轨道从A运动到C的过程中,动能Ek与其对应高度h的关系图像。已知小球在最高点C受到轨道的作用力大小为25N,空气阻力不计,重力加速度g取10m/s2.由此可知( )
A.小球的质量m=0.2kg
B.初动能Ek0=16 J
C.小球在C点时重力的功率为60W
D.小球在B点受到轨道的作用力大小为85N
5.如图所示,粗糙程度处处相同的水平桌面上有一长为L的轻质细杆,一端可绕竖直光滑轴O转动,另一端与质量为m的小木块相连。木块以水平初速度v0出发,恰好能完成一个完整的圆周运动。在运动过程中,木块所受摩擦力的大小为( )
A. B. C. D.
6.如图(a)所示,一物块以一定初速度沿倾角为30°的固定斜面上滑,运动过程中摩擦力大小f恒定,物块动能Ek与运动路程s的关系如图(b)所示。重力加速度大小取10 m/s2,物块质量m和所受摩擦力大小f分别为( )
A.m=0.7 kg,f=0.5 N B.m=0.7 kg,f=1.0N
C.m=0.8kg,f=0.5 N D.m=0.8 kg,f=1.0N
7.如图,在摩托车越野赛途中的水平路段前方有一个坑,该坑沿摩托车前进方向的水平宽度为3h,其左边缘a点比右边缘b点高0.5h。若摩托车经过a点时的动能为E1,它会落到坑内c点。c与a的水平距离和高度差均为h;若经过a点时的动能为E2,该摩托车恰能越过坑到达b点。等于( )
A.20 B.18 C.9.0 D.3.0
8.从地面竖直向上抛出一物体,物体在运动过程中除受到重力外,还受到一大小不变、方向始终与运动方向相反的外力作用.距地面高度h在3m以内时,物体上升、下落过程中动能Ek随h的变化如图所示.重力加速度取10m/s2.该物体的质量为
A.2kg B.1.5kg C.1kg D.0.5kg
9.如图所示,一小物块由静止开始沿斜面向下滑动,最后停在水平地面上。斜面和地面平滑连接,且物块与斜面、物块与地面间的动摩擦因数均为常数。该过程中,物块的动能与水平位移x关系的图象是( )
A. B.
C. D.
10.如图,质量为的滑雪运动员(含滑雪板)从斜面上距离水平面高为的位置静止滑下,停在水平面上的处;若从同一位置以初速度滑下,则停在同一水平面上的处,且与相等。已知重力加速度为,不计空气阻力与通过处的机械能损失,则该运动员(含滑雪板)在斜面上克服阻力做的功为( )
A. B. C. D.
11.将一质量为m的物体以初动能Ek0从地面竖直向上抛出,上升的最大高度为H,以地面为零势能面,在上升过程中动能与势能相等时物体的高度为h1,在下降的过程中动能与势能相等时物体的高度为h2,运动过程中物体所受的空气阻力大小恒定,重力加速度为g,则( )
A.h1>h2> B.h1<h2< C. D.
二、多选题
12.如图a,物体在水平恒力F作用下沿粗糙水平地面由静止开始运动,在时刻撤去恒力F,物体运动的图像如图b,重力加速度,则( )
A.物体在3s内的位移
B.恒力F与摩擦力f大小之比F:f=3:1
C.物体与地面的动摩擦因数为
D.3s内恒力做功与克服摩擦力做功之比WF:Wf=3:2
13.如图所示,质量为m的小车在水平恒力F推动下,从山坡底部A处由静止起运动至高为h的坡顶B,获得速度为v,AB的水平距离为s。下列说法正确的是( )
A.小车克服重力所做的功是mgh
B.合力对小车做的功是
C.推力对小车做的功是Fs-mgh
D.小车克服阻力做的功是+mgh-Fs
14.如图所示,一块长木板B放在光滑的水平面上,在B上放一物体A,现以恒定的外力拉B,以地面为参考系,A、B都向前发生相对滑动,A、B间有摩擦力的作用。在此过程中( )
A.外力F做的功等于A和B动能的增量
B.B对A的摩擦力所做的功等于A的动能的增量
C.A对B的摩擦力所做的功等于B对A的摩擦力所做的功
D.外力F对B做的功等于B的动能的增量与B克服摩擦力所做的功之和
参考答案:
1.D
【解析】
【分析】
【详解】
A.动能是普遍存在的机械能的一种基本形式,运动的物体都就有动能,A正确;
B.根据知,质量为正值,速度的平方为正值,则动能一定为正值,对于不同的参考系,速度不同,则物体的动能不同,B正确;
C.一定质量的物体,动能变化,则速度的大小一定变化,所以速度一定变化;但是速度变化,动能不一定变化,比如做匀速圆周运动,速度方向变化,大小不变,则动能不变,C正确;
D.动能不变的物体,速度方向可能变化,则不一定处于平衡状态,D错误。
本题选错误的,故选D。
2.C
【解析】
【详解】
AB、根据动能定理合外力做的功等于物体动能的增加量,重力对他做功1900J,他克服阻力做功100J,即阻力对他做功为 100J,则外力对他所做的总功为1900J 100J=1800J,是正功,他的动能增加了1800J,A、B错误;
CD、重力做的功等于重力势能的减少量,重力对物体做功为1900J,是正功,则重力势能减小了1900J,C正确、D错误,故选C
【点睛】
物体重力做功多少,物体的重力势能就减小多少;根据动能定理确定动能的变化.
3.D
【解析】
【详解】
AB.小球由A点到B点重力势能减少mgh,小球在下降过程中小球的重力势能转化为动能和弹性势能,所以小球运动到B点时的动能小于mgh,故AB错误;
C.根据动能定理得:
mgh+W弹=mv2,
所以由A至B小球克服弹力做功为mgh-mv2,故C错误;
D.弹簧弹力做功量度弹性势能的变化.所以小球到达位置B时弹簧的弹性势能为mgh-mv2,故D正确。
故选D。
【点睛】
本题要注意我们研究的系统是小球而不是小球与弹簧,若说明是小球与弹簧系统则机械能守恒;而只对小球机械能是不定恒的;熟悉功能的对应关系。
4.D
【解析】
【详解】
A.由图乙可知,圆环的半径的0.4m,小球在C点的动能大小EkC=9J, 因小球所受重力与弹力的合力提供向心力,根据牛顿第二定律得:
解得小球的质量
m=2kg
故A错误;
B.由机械能守恒定律得,初动能
其中
C.小球在C点时重力与速度方向垂直,重力的功率为0,故C错误;
D.由机械能守恒定律得,B点的初动能
在B点轨道的作用力提供向心力,由牛顿第二定律得
故D正确;
故选D。
5.B
【解析】
【详解】
在木块运动过程中,只有摩擦力做功,而摩擦力做功与路径有关,根据动能定理有
可得木块所受摩擦力的大小
故B正确。
故选B。
6.A
【解析】
【分析】
本题结合图像考查动能定理。
【详解】
0~10m内物块上滑,由动能定理得
整理得
结合0~10m内的图像得,斜率的绝对值
10~20 m内物块下滑,由动能定理得
整理得
结合10~20 m内的图像得,斜率
联立解得
故选A。
7.B
【解析】
【详解】
有题意可知当在a点动能为E1时,有
根据平抛运动规律有
当在a点时动能为E2时,有
根据平抛运动规律有
联立以上各式可解得
故选B。
8.C
【解析】
【详解】
对上升过程,由动能定理,,得,即F+mg=12N;下落过程,,即N,联立两公式,得到m=1kg、F=2N.
9.A
【解析】
【详解】
由题意可知设斜面倾角为θ,动摩擦因数为μ,则物块在斜面上下滑距离在水平面投影距离为x,根据动能定理,有
整理可得
即在斜面上运动时动能与x成线性关系;
当小物块在水平面运动时,根据动能定理由
即
为物块刚下滑到平面上时的动能,则即在水平面运动时物块动能与x也成线性关系。
故选A。
10.C
【解析】
【分析】
【详解】
设运动员从静止开始滑下,停在水平面上处时,在斜面上克服阻力做的功为,在水平面上克服摩擦力做的功为,由动能定理得
当运动员以速度v从同一高度下滑时,停在同一水平面上的处,且与相等,由动能定理可得
联立两式求得
故选C。
11.C
【解析】
【详解】
设物体所受阻力大小为f,物体上升过程中,由题意并根据动能定理有
①
②
联立①②可得
③
物体下降过程中,同理有
④
联立②④可得
⑤
综上所述可知ABD错误,C正确。
故选C。
12.BC
【解析】
【详解】
A.根据v—t图像的物理意义,面积代表位移。可知
故A错误;
B.由图可知,0~1s时,物体的加速度为
a1=6m/s2
根据牛顿第二定律
1~3s时,物体的加速度为
a2=-3m/s2
根据牛顿第二定律
联立解得
故B正确;
C.根据
解得
故C正确;
D.根据动能定理
所以
故D错误。
故选BC。
13.AB
【解析】
【详解】
A.重力所做的功
所以小车克服重力所做的功是mgh,故A正确;
B.对小车从A运动到B的过程中运用动能定理得
故B正确;
C.由于推力为恒力,则推力对小车做的功
故C错误;
D.设克服阻力做的功为W,由动能定理可得
Fs-mgh-W=mv2-0
得
W=Fs-mgh-mv2
故D错误。
故选AB。
14.BD
【解析】
【详解】
A.外力F做的功等于A和B的动能增量及内能增量的和,故A错误;
B.对A分析,由动能定理知,B对A的摩擦力所做的功等于A的动能的增量,故B正确;
C.A对B的摩擦力与B对A的摩擦力是一对作用力与反作用力,大小相等,方向相反,但由于A在B上发生相对滑动,A、B对地的位移不等,故二者做功不等,故C错误;
D.对B分析,由动能定理知
B克服摩擦力所做的功,即
即外力F对B做的功等于B的动能的增量与B克服摩擦力所做功之和,故D正确。
故选BD。