一、动能与探究影响动能大小的因素
物体由于运动而具有的能叫动能,影响动能的因素是物体的质量和速度。质量相同时,速度越大的物体具有的动能越大;速度相同时,质量越大的物体具有的动能越大。
探究决定动能大小的因素:
实验题眼突破:
①实验探究对象是小球。
②转换法的应用:物体的动能大小是通过木块移动距离大小来反映的。
③选择同一小球进行实验的目的是便于控制小球的质量相同。
④让不同的小球从斜面的同一高度释放,目的是让小球到达斜面底部的初速度相同。
⑤控制变量法的应用:
a.控制速度一定,探究动能与质量的关系;
b.控制质量一定,探究动能与速度的关系。
⑥如本实验中水平面绝对光滑,本实验将不能达到实验目的,原因是小车将一直匀速直线运动下去。
⑦注意:实验中要保持小球的运动路线与木块的中心在同一条直线上。
⑧实验结论:动能的大小与物体的质量与运动速度有关,质量越大,运动速度越大,动能越大。
【注意】
1.物体具有能,但不一定要做功。
2.动能和重力势能的大小及其影响因素可分别用公式E动=mv2/2和E势=Gh=mgh来帮助理解,但这两个公式不要求计算。
二、重力势能与探究影响重力势能大小的因素
物体由于被举高而具有的能叫重力势能,影响重力势能的因素是物体的质量和高度。质量相同时,高度越大的物体重力势能越大;高度相同时,质量越大的物体重力势能越大。
探究决定重力势能大小的因素:
实验题眼突破:
①实验探究对象是小球。
②转换法的应用:物体的重力势能大小是通过铅球下落陷入沙坑的深度来反映的。
③选择同一小球进行实验的目的是便于控制小球的质量相同。
④让不同的小球从同一高度释放。
⑤控制变量法的应用:
a.控制高度一定,探究重力势能与质量的关系;
b.控制质量一定,探究重力势能与高度的关系。
⑥实验结论:重力势能的大小与物体的质量与高度有关,质量越大,高度越大,重力势能越大。
三、动能和重力势能、弹性势能的相互转化
当物体只受重力和弹力时(不受阻力时),机械能总量不变。即动能减少多少,势能就增加多少;势能减少多少,动能就增加多少。物体受到摩擦力作用,那么在动能和势能相互转化过程中,机械能总量减少。
动能转化为重力势能时,物体的速度不断减小,高度不断增大;重力势能转化为动能时,高度不断减小,速度不断增大。
动能转化为弹性势能时,速度不断减小,弹性形变不断增大;弹性势能转化为动能时,弹性形变不断减小,速度不断增大。
机械能守恒:人造地球卫星绕地球作椭圆轨道运动时,位置不断在远地点和近地点之间变化,几乎没有摩擦,也就没有能量损失。一个物体在动能和势能转化过程中,若不考虑因摩擦等因素引起的能量损失,则机械能守恒。
【注意】
1.如果没有摩擦阻力,动能和势能在相互转化的过程中,机械能总量守恒。
2.如果存在摩擦阻力,动能和势能在相互转化的过程中,机械能的总量会减少。减少的机械能转化为摩擦产生的内能。
四、功的概念及做功的两个条件(做功和不做功)
力学中的功:如果物体受到了力的作用,并且在这个力的方向上通过了一段距离,我们就说这个力对物体做了功。
功的两个因素:
一是作用在物体上的力
二是物体在力的方向上通过一段距离。
不做功的三种情况:
①劳而无功。
②不劳无功。
③力的方向和物体运动方向垂直。
五、功和功的计算
物理学中,功等于力与力的方向上移动的距离的乘积。即:W=Fs。功的单位:焦耳。做功的实质就是能量转化的过程,因此可以用功来度量能量转化的多少。
计算功时注意:
①明确什么力做的功;
②力的方向与距离方向要一致;
③距离的单位一定为“米”。
物体能够做功是因为物体具有能量,做功的过程实际上就是能量的转化。
【计算公式】
W=Fs………定义式
=Gh………克服重力做功
=fs………克服摩擦力做功
=Pt………已知功率和做功时间求功
将2个鸡蛋举高1m约做1J的功。
计算功的大小时,一要注意是哪个力在做功,二要注意是在力的方向上的距离。若力的方向与距离的方向一致可直接代入计算;若移动的距离与力的方向不一致,可先通过计算求出在力的方向上的距离再代入计算。如求在斜面上滚动的物体重力所做的功,则需要先算出斜面的高度,再把重力和高度代入公式进行计算。
六、功率和功率的计算
比较做功的快慢有三种方法:
(1) 若做功相同,比较做功的时间,所用时间越少,做功越快,所用时间越多,做功越慢。
(2)若做功时间相同,比较做功的多少,做功越多,做功越快;做功越少,做功越慢。
(3)若做功的多少和所用时间都不相同的情况下,通过计算做功的多少与做功所用的时间的比值进行比较。
在物理学中,用功率来表示做功的快慢。功率越大,表明物体做功越快;功率越小,表明物体做功越慢。根据功率的定义,可以得出功率的计算公式为P=W/t
【计算公式】
P=W/t………定义式
=Fs/t
=Fv………可用于解释汽车爬坡时为什么要用低挡位
=Gh/t………可计算人爬高的功率
功率的单位是瓦特,简称瓦,符号是W。
常用单位:kW、马力(hp)等。
单位换算:1kW=103W
1hp=735W(目前,空调、发动机等仍用马力作单位)
例1、现有甲、乙、丙三个质量不同的物体(m甲>m乙>m丙),在相等的恒力F作用下,分别在水平方向、沿斜面向上、竖直方向通过了相等的距离s,如图所示。F在三种情况下做的功分别为W甲、W乙、W丙,三者大小判断正确的是( )
A.W甲>W乙>W丙 B.W甲<W乙<W丙
C.W甲=W乙=W丙 D.W甲=W乙<W丙
例2、如图所示,甲、乙两个质量不同的小球,从相同高度静止释放,小球下落过程中经过P、Q两点,忽略空气阻力,下列说法正确的是( )
A.着地瞬间两球的动能相等 B.甲球在P点和Q点的机械能相等
C.释放瞬间两球的重力势能相等D.从释放到着地,两球所受重力做的功相等
例3、在排球比赛中,小明把排球竖直向上抛出,排球在运动中动能E随时间t变化的图像最接近的是( )
例4、如图所示,为两个光滑的圆弧槽和一段粗糙的水平面相连接的装置。将质量为m的物体从左侧圆弧槽A点由静止释放,最高到达右侧圆弧槽B点处;然后再次滑下,最高到达左侧圆弧槽C点处。其中A、B两点距离水平面的高度分别为H、h(忽略空气阻力)。
(1)物体从A点滑到水平面时,重力所做的功为 。
(2)物体从A点滑到B点的过程中,损失的机械能转化为物体内能的效率为η,则物体到达B点时温度升高了 。(物体比热容用c表示)
(3)C点距离水平面的高度为 。
例5、步行是一种简易方便的健身运动,人正常步行时,步距(指步行一步的距离)变化不大,步距还可作为身体上的一把“尺子”。小东测出自己的步距为0.5m,他正常步行1min走了180步。小东根据自己的腿长和步距画出了如图所示的步行示意图,对步行时重心的变化进行了分析,当两脚一前一后着地时重心降低,而单脚着地迈步时重心升高,因此每走一步都要克服重力做功。(已知小东的腿长是65cm,质量是50kg,g取10N/kg)求:
(1)小东正常步行的速度是多少?
(2)小东每走一步克服重力所做的功是多少?
(3)小东正常步行克服重力做功的功率是多少?
1.学校运动会上举行“双摇跳绳”比赛,“双摇跳绳”是指每次在双脚跳起后,绳连续绕身体两周的跳绳方法,比赛中,初三某同学1min内摇轻绳240圈,则他在整个跳绳过程中的功率最接近于( )
A.120W B.400W C.600W D.1000W
2.如图所示,一轻质弹簧一端系在墙上的O点,自由伸长到B点,今将一小物块m连在弹簧上,并把弹簧压缩到A点,然后释放,小物体能运动到C点,物体与水平地面间的摩擦力恒定,试判断下列说法中正确的是( )
A.物体从A到B动能越来越大,从B到C动能越来越小
B.物体从A到B动能先增大后减小,从B到C动能一直减小
C.物体从A到C动能一直在减小
D.物体动能最大的位置在B和C之间
3.如图将一小球置于一弹簧的上方,放手后,小球向下运动,到达A位置小球刚好与弹簧接触,到达B位置小球的速度变为零。则对于此过程的分析,下列说法错误的是( )
A.从A到B位置过程,小球的部分机械能转化为弹簧的弹性势能
B.从A到B位置过程,小球受到弹力一直变大
C.从A到B位置过程,小球的速度一直在变小,到B位置为零
D.从A到B位置过程,小球开始时受到的弹力小于重力,后来受到的弹力大于重力
4.一端封闭的两个完全相同的玻璃管(如图所示),甲中装水,乙中装食用油。两个完全相同的金属小球从O处静止释放,下落到P处,小球在食用油中下落的时间更长。比较两小球从O处到P处的下落情况,则小球( )
A.重力势能变化量不相同 B.获得的动能相同
C.在食用油中重力做功慢 D.机械能不变
5.如图所示,小明在做模拟“蹦极”的小实验,一根橡皮筋一端系一个小石块,另一端固定在A点,B点是橡皮筋不系小石块自然下垂时下端所在的位置,C点是小石块从A点自由释放后所能到达的最低点,关于小石块从A点到C点运动过程的说法,正确的是( )
A.小石块减少的重力势能全部转化为动能
B.从A点下落到B点的过程中,小石块受到重力和弹力的作用
C.从B点下落到C点的过程中,小石块的速度先增大后减小
D.小石块在C点时,受到平衡力的作用
6.2021年5月,我国“天问一号”着陆巡视器成功着陆于火星乌托邦平原(如图甲),实现了我国首次地外行星着陆。图乙是其阶段Ⅲ着陆过程中的高度随时间的变化关系。
(1)火星大气密度是地球的1%,大气中氧气含量为0.15%且没有液态水,表面平均温度为﹣55℃,绕日公转周期为687天。下列关于火星的说法不合理的是 。
A.表面平均温度比地球低 B.公转周期比地球长
C.大气中氧气含量比地球低 D.雨、雪天数比地球多
(2)图乙中t1~t2时段,着陆巡视器在竖直向上推力作用下,竖直下落的速度减小,该过程中推力F与重力G的大小关系是 。(不计大气阻力)
(3)着陆巡视器在火星上总重为4888牛,其重力在t2~t4时段做功 焦。
7.如图(甲)所示,用弹簧测力计测量水平桌面上的钩码所受的重力。弹簧测力计从图示位置开始向上缓慢提升,其示数F 与上升的高度h之间的关系如图(乙)所示。试解答下列问题。
(1)钩码所受的重力为 N。
(2)当h=4cm 时,弹簧测力计的示数是 N,桌面对钩码的支持力是 N。
(3)从开始提升到h=16cm,弹簧测力计对钩码所做的功是多少?
1.物体在相同的力F的作用下沿力的方向移动了距离s,试比较在如图所示的三种情况中力F对物体做功的多少( )
A.W1=W2=W3 B.W1>W2>W3 C.W1<W2<W3 D.W1<W3<W2
2.2020年12月,”嫦娥5号”探测器从月球上采样并顺利返回地球,如图所示为返回的两种返回技术示意图。下列分析正确的是( )
A.采用“跳跃式返回”可使返回器的机械能转化为内能更多
B.用“跳跃式返回”可使返回器与大气摩擦通过的距离更短
C.采用“直接进入返回”可使返回器着陆前的速度更小
D.采用“直接进入返回”可使返回器着陆前具有的机械能更小
3.如图所示,OQ是水平地面,物体在水平拉力作用下,从O匀速直线运动到Q。OP段拉力F1为300N,F1做的功为W1,功率为P1;PQ段拉力F2为200N,F2做的功为W2,功率为P2。则( )
A.W1>W2 B.W1<W2 C.P1>P2 D.P1<P2
4.如图大人质量比小孩大,大人与小孩爬相同的楼梯所用时间相同,则( )
A.大人比小孩做功多,小孩功率大 B.两人做功相同,小孩功率大
C.大人比小孩做功多,大人功率大 D.两人做功相同,功率相同
5.如图甲所示,水平地面上的一物体,受到方向不变的水平推力F的作用,F的大小与时间t关系和物体速度v与时间t的关系如图乙所示。则第2秒末时,物体处于 状态,第4秒末时,物体受到的摩擦力是 N,第6秒末到第9秒末,推力F做功是 J.
6.某跳伞运动员从飞机上跳下,沿竖直方向降落,一段时间后打开降落伞,最后安全着地。已知运动员和跳伞设备的总重力为700牛,跳伞过程中下降的速度与时间的关系如图甲所示。
(1)图甲中曲线OA段速度越来越大的原因是 。
(2)图乙是跳伞过程中部分阶段的情景及受力示意图,其中与图甲曲线中CD阶段对应的是 。
(3)计算运动员和跳伞设备的总重力在AB段所做的功。
7.某型号汽车发动机的额定功率为5.4×104W,在水平路面上匀速行驶时受到的阻力是1800N.在额定功率下,当汽车匀速行驶时,求:
(l)发动机所提供的牵引力大小;
(2)行驶速度的大小;
(3)行驶5min牵引力所做的功。
答案及解析
例1、解:先后用同样大小的力F使物体沿力的方向移动相同的距离s;该力在这三个过程中所做的功分别为W甲、W乙、W丙,三个功的大小都等于W=Fs;即W甲=W乙=W丙;
故C正确;ABD错误。
故选:C。
例2、B
【解析】小球下落过程中,忽略空气阻力,机械能守恒,两球的高度相等但质量不同,所以两球具有的重力势能不等,着地时两球的动能不等,下落过程中重力做的功也不等。由于机械能守恒,所以甲球在P点和Q点的机械能相等。
例3、A
【解析】在质量一定时,小球的动能与运动速度有关,运动速度越快,动能越大。排球在向上运动过程中,先减速上升,到达最高处时速度为0,然后加速下落,所以其动能先减小到0,然后再增大。
例4、解:
(1)质量为m的物体的重力为:G=mg,物体从A点滑到水平面时,重力所做的功:W=GH=mgH;
(2)A、B两点距离水平面的高度分别为H、h,
物体从A点滑到B点的过程中,损失的机械能(重力势能的减少量)为:△E=G△h=mg(H﹣h),
机械能转化为物体内能的效率为η,则物体增加的内能(吸收的热量):Q吸=△Eη=mg(H﹣h)η,
由Q吸=cm△t可知,物体到达B点时温度升高了:△t;
(3)再次滑下的过程,水平面的粗糙程度不变,长度也不变,即物体克服摩擦力做的功不变,即损失的机械能不变,
所以达到C点时物体的机械能(此时只有重力势能):EC=EB﹣△E=mgh﹣mg(H﹣h)=mg(2h﹣H),
由W=Gh可得,C点距离水平面的高度为:hC2h﹣H。
故答案为:(1)mgH;(2);(3)2h﹣H。
例5、1.5m/s 25J 75W
【答案】(1)小东正常步行的速度v=s/t=180×0.5m/60s=1.5m/s。
(2)小东每走一步身体重心的高度差h=65cm-=5cm=0.05m,
小东的体重G=mg=50kg×10N/kg=500N,
小东每走一步克服重力所做的功W=Gh=500N×0.05m=25J。
(3)小东正常步行克服重力做功的功率P=W/t=180×25J/60s=75W。
1.A
【解析】中学生的质量约50kg,其重力为G=mg=50kg×10N/kg=500N;
跳跃过程中腾空高度约h=0.12m;
因此一次做功W=Gh=500N×0.12m=60J;
由于“双摇跳绳”是指每次在双脚跳起后,绳连续绕身体两周的跳绳方法,
所以1min内摇轻绳240圈,人起跳=120次;
在1min内一共做功:W总=60J×120=7200J,
则功率P===120W。
2.B
【解析】当物体受到的合力与运动方向相同时,物体做加速运动;如果合力为零,那么加速停止,此时速度最大;如果合力的方向与运动方向相反,那么物体做减速运动,据此分析物体动能的变化。
①在从A到B的过程中,弹簧被压缩,因此物体受到水平向右的推力。在开始的一段时间内,弹力大于阻力,合力与运动方向相同,因此物体做加速运动。由于形变程度减小,所以弹力在不断减小,当弹力和阻力相同时,合力为零,此时加速停止,速度最大。
②从这个点到B点时,弹力小于阻力,合力与运动方向相反,物体做减速运动;
③从B到C的过程中,弹力的方向向左,且随着形变程度的增大而增大。由于阻力方向也向左,所以物体受到的合力方向与运动方向相反,即物体做减速运动,直到静止下来。
物体从A到B速度先增大后减小,从B到C速度一直减小,故B正确,而A、C错误;
因为动能最大时,物体的速度最大,应该是阻力和弹力相等的位置,那么此时弹簧应该被压缩,即在A和B之间,故D错误。
3.C
【解析】(1)动能与质量和速度有关,重力势能与质量和高度有关,弹性势能与形变程度的大小有关;
(2)在弹性限度内,弹簧的弹力与形变程度呈正比;
(3)根据能量转化的知识分析;
(4)如果物体受到的合力与运动方向相同,那么做加速运动;如果合力为零,那么加速停止,此时速度最大;如果合力的方向与运动方向相反,那么物体做减速运动。
当小球到达点B的时候,小球的速度为零,那么它的动能为零;而高度不为零,所以它的重力势能不为零,也就是在B点时它的机械能不为零,因此小球的部分机械能转化为弹簧的弹性势能,故A正确不合题意;
从A到B的过程中,弹簧的形变程度不断增大,所以小球受到的弹力一直变大,故B正确不合题意;
在从A到B的过程中,开始一段时间内,弹力小于重力,合力向下,与运动方向相同,因此做加速运动;后来弹力大于重力,合力向上,因此又做减速运动,故C错误符合题意,D正确不合题意。
4.解:
A、两个完全相同的金属小球从O处静止释放,下落到P处,下落的高度相同,小球的质量相同,则小球的重力势能变化量相同,故A错误;
B、小球在食用油中下落的时间更长,则小球在食用油中的速度小,质量相同,小球在食用油中的动能小,故B错误;
C、小球的质量相同,重力相同,根据PGv可知,小球在食用油中重力做功慢,故C正确;
D、小球在运动过程中受到液体的阻力,克服阻力做功,机械能会变小,故D错误。
故选:C。
5.C
【解析】小石块在下落过程中,在AB段,小石块只受到重力作用,重力不断改变小石块的运动状态,小石块加速下落。在BC段小石块受到橡皮筋的拉力作用,过B点后橡皮筋开始伸长(大于原长),弹力逐渐增大,当弹力小于重力时,小石块仍处于加速状态,当弹力大于重力时,小石块减速下落。BC过程中小石块先加速后减速,减速过程是因为弹力大于重力,C点是下落的最低点,此时小石块虽然速度为0,但到达C点后小石块会立即改变运动状态向上运动,故C点时并不受平衡力的作用。
6.解:(1)根据题意可知火星表面平均温度为﹣55℃,地球表面平均温度大约为15℃,故A正确;
火星绕日公转周期为687天,地球公转周期为365天,故B正确;
火星大气中氧气含量为0.15%,地球大气中的氧气含量约为21%,故C正确;
火星大气中没有液态水,且平均气温低至﹣55℃,火星上的水大多以冰雾和固体出现,难以形成雨、雪天气,故D错误。
故选:D。
(2)巡视器在竖直向上的推力F和竖直向下的重力G的作用下减速下落,其运动状态发生改变,说明二力不平衡,其合力与运动方向相反,即F>G;
(3)巡视器的重力G=4888N,由乙图像可知:在t2~t4时段,下落的高度h=100m,
重力做的功为:W=Gh=4888N×100m=4.888×105J。
故答案为:(1)D;(2)F>G;(3)4.888×105。
7.(1)4.5;(2)3.0;1.5;(3)弹簧测力计对钩码所做的功是0.45J。
【解析】(1)钩码离开桌面后测力计的示数不再变化,此时示数即为钩码所受重力大小,故钩码所受的重力为4.5N;
(2)弹簧的伸长量与拉力成正比、由图象知:当h=6cm时,弹簧测力计的示数为4.5N,
则=0.75N/cm,表示每伸长1cm所需拉力为0.75N。
则当h=4cm 时,弹簧测力计的示数是0.75N/cm×4cm=3N。
此时测力计受重力、拉力、支持力的作用,支持力等于重力减去拉力即4.5N﹣3.0N=1.5N;
(3)由图象知,钩码移动的距离s=16cm﹣6cm=10cm=0.1m,
弹簧测力计对钩码所做的功是W=Fs=4.5N×0.1m=0.45J。
1.A
【解析】根据公式W=Fs可知,做功的大小与拉力和距离的大小有关,与其它因素无关。因为拉力F和距离s都相等,所以对物体做功大小相等,故A正确,而B、C、D错误。
2.解:A、采用“跳跃式返回”与“直接进入返回”相比,返回器与空气摩擦做功更多,机械能更多地转化为内能,机械能更小,故A正确;
B、用“跳式返回”可使返回器借助大气层提供的升力跃出大气层,再借助大气层提供的升力跃出大气层,故B错误;
CD、“跳跃式返回”在首次进入、穿出大气层的过程中,与空气摩擦做功,机械能更多地转化为内能,机械能更小,所以返回器再次进入大气层直至着陆时的速度更小,故CD错误。
故选:A。
3.C
【解析】W1=300N×4m=1200J;W2=200N×6m=1200J,所以W1=W2。从O匀速直线运动到Q,即两段路程的速度相同,而P=Fv,当速度相同时,功率与拉力成正比,所以P1>P2。
4.C
【解析】大人与小孩爬相同的楼梯,上升的高度h相同,但大人体重比小孩的大,由W=Gh可知大人做功多;已知爬相同的楼梯所用时间相同,根据P=可知大人的功率大,故ABD错误,C正确。
5.静止;4;24
【解析】(1)从图乙可以看出物体在第2秒末时速度为0,所以物体静止;
(2)从图乙v﹣t图象上看出,第6s以后,物体做匀速直线运动,受到的摩擦力f=F=4N;第4秒末时,物体加速运动,和6s以后相比,压力和接触面的粗糙程度不变,摩擦力不变,大小为4N;
(3)从图乙可以看出,6s~9s这段时间中F=4N,v=2m/s,
由v=可得,s=vt=2m/s×3s=6m,
利用功的计算公式得,W=Fs=4N×6m=24J;
6.解:
(1)由图甲可知,跳伞运动员在OA段处于加速降落过程中,此时运动员和跳伞设备受到的重力大于空气阻力;
(2)①图中降落伞打开,运动员受到的阻力大于重力,运动员处于减速降落过程,应该是图甲曲线中BC阶段,故①不符合题意;
②图中运动员已经着陆,运动员的速度为0,与图甲曲线中CD阶段不符,故②不符合题意;
③图中降落伞打开,运动员受到的阻力等于重力,运动员处于匀速降落过程,是图甲曲线中CD阶段,故③符合题意;
④图中降落伞未打开,运动员受到的阻力等于重力,运动员处于匀速降落过程,应该是图甲曲线中AB阶段,故④不符合题意;
(3)由图甲可知,运动员在AB段的速度为v=50m/s,时间为t=40s﹣20s=20s,
由速度公式得,运动员在AB段下降的高度:
h=s=vt=50m/s×20s=1000m,
则运动员和跳伞设备的总重力在AB段所做的功为:
W=Gh=700N×1000m=7×105J。
故答案为:(1)运动员和跳伞设备的总重力大于阻力;
(2)③;
(3)运动员和跳伞设备总重力在AB段所做的功为7×105J。
7.(1)发动机所提供的牵引力为1800N;
(2)行驶速度为30m/s;
(3)行驶10min牵引力所做的功是3.6×107J
【解析】(1)因为汽车匀速行驶,受平衡力作用;由二力平衡知识得,F=f=1800N;
(2)由P=Fv得行驶速度的大小;v===30m/s;
(3)t=10min=600s,
匀速行驶10min牵引力所做的功:W=Pt=6×104W×600s=3.6×107J。
2023浙教版科学中考第一轮复习--物理模块(十二)
功和功率