高中物理第四章机械能和能源1功课件 54张PPT

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第四章　机械能和能源
1.功
一、做功与能量转化
1.概念:一个物体受到力的作用,并在___________发生了一段位移,这个力就对物体做了功。
力的方向上
2.做功的两个因素:
关于做功的因素,应选下列说法中的哪两个_____。
①力的作用时间
②物体的运动路程
③力的大小
④物体的运动位移
⑤物体在力的方向上的位移
③⑤
3.做功的实质:做功的过程就是_________的过程。
能量转化
二、功的计算公式
【思考】风把树上的苹果吹落,如何求恒定风力和重力对苹果做的功?如何求总功?
提示:(1)风力的功等于风力乘在风力方向上产生的位移。重力的功等于重力乘下落的高度。(2)总功等于上述两个功的和。
1.公式:
(1)力F与位移l同向时,W=__。
(2)力F与位移l夹角为α时,W=________。其中F、l、α
分别为_________、___________和_________方向的
夹角。?
2.单位:国际单位制中,功的单位是_____,符号是__。
Fl
Flcos
α
力的大小
位移的大小
力与位移
焦耳
J
三、功的正负、合力的功
1.正功和负功:
不做功
>
正功
<
负功
α的取值
W的取值
含　义
α=
W=0
力F_______
0≤α<
W__0
力F对物体做_____
<α≤π
W__0
力F对物体做_____
(或说成物体克服力F做功)
2.功的特点:
(1)功是__(A.标量　B.矢量)。
(2)总功与分力做功的关系:总功等于各个分力分别对
物体所做功的_______。
A
代数和
一　对功的理解
任务1
功的概念
1.功是过程量:描述了力的作用效果在空间上的累积,它总与一个具体过程相联系。
2.对公式W=Flcosα的理解:
(1)符号含义:F表示力的大小,l表示力的作用点的位移大小,α表示力和位移方向间的夹角。
(2)两点说明:①公式只适用于恒力做功的计算。
②公式中l一般是选取地面为参考系时物体的位移。
【思考·讨论】
情境:如图所示,物体在升降机的斜面上随升降机一起上升,物体没有发生相对滑动。
讨论:(1)物体所受重力的功和支持力的功有联系吗?
(科学思维)
提示:没有联系
(2)重力的功和支持力的功与升降机的速度大小有关吗?
(科学思维)
提示:无关
【典例示范1】下列关于做功的说法正确的是(　　)
A.凡是受力作用的物体,一定有力对物体做功
B.凡是发生了位移的物体,一定有力对物体做功
C.只要物体受力的同时又有位移发生,则一定有力对物体做功
D.只要物体受力,又在力的方向上发生了位移,则一定有力对物体做功
【解析】选D。力和在力的方向上的位移是做功的两个不可缺少的因素,故只有选项D正确。
任务2
功的正负的判断
1.看力F与位移l的夹角α:
α<90°,力做正功,α>90°,力做负功。
2.看力F与速度v的夹角α:
α<90°,力做正功,α>90°,力做负功。
3.看速率增大还是减小,若在力作用下速率增大,此力做正功,反之做负功。
【典例示范2】如图所示,A、B叠放在一起,用绳将A连在墙上,用力F拉着B向右移动,用F拉、fAB、fBA分别表示绳子的拉力、A对B的摩擦力和B对A的摩擦力,则下列说法中正确的是
A.F做正功,fAB做负功,fBA做正功,F拉不做功
B.F和fBA做正功,F拉和fAB做负功
C.F做正功,fAB做负功,fBA和F拉不做功
D.F做正功,其他力不做功
【解析】选C。由W=Flcosα和题意知,在力F作用时B发生了位移,且与F方向相同,故F做正功,fAB与B的位移方向相反,fAB做负功;在绳子拉力F拉作用时A的位移为零,F拉不做功,摩擦力fBA也不做功。选项C正确,A、B、D错误。
【定向训练】
1.(2019·眉山高一检测)如图所示,甲、乙两物体之间存在相互作用的滑动摩擦力,甲对乙的滑动摩擦力对乙做了负功,则乙对甲的滑动摩擦力对甲
A.可能做正功,也可能做负功,也可能不做功
B.可能做正功,也可能做负功,但不可能不做功
C.可能做正功,也可能不做功,但不可能做负功
D.可能做负功,也可能不做功,但不可能做正功
【解析】选A。恒力做功的表达式W=Flcosα,甲对乙的滑动摩擦力对乙做了负功,可知甲对乙的滑动摩擦力的方向向左,乙对甲的滑动摩擦力方向向右;当甲静止时,乙对甲的滑动摩擦力对甲不做功;当甲向右运动时,乙对甲的滑动摩擦力对甲做正功;当甲向左运动时,乙对甲的滑动摩擦力对甲做负功;故A正确,B、C、D错误。
2.一人乘电梯从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,则电梯对人的支持力的做功情况是
(　　)
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。在加速、匀速、减速的过程中,支持力与人的位移方向始终相同,所以支持力始终对人做正功,故D正确。
3.(2017·全国卷Ⅱ)如图,一光滑大圆环固定在桌面上,环面位于竖直平面内,在大圆环上套着一个小环,小环由大圆环的最高点从静止开始下滑,在小环下滑的过程中,大圆环对它的作用力
A.一直不做功　　　　　　　　　
B.一直做正功
C.始终指向大圆环圆心
D.始终背离大圆环圆心
【解析】选A。大圆环是光滑的,则小环和大圆环之间没有摩擦力;大圆环对小环的支持力总是垂直于小环的速度方向,所以大圆环对小环没有做功,故A正确,B错误;小环在刚刚开始运动时,在大圆环的接近顶部运动时,大圆环对小环的支持力背离大圆环圆心,小环运动到大圆环的下半部分时,支持力指向大圆环的圆心,故C、D错误。
二　功的计算
任务1
恒力功的求解
1.恒力对物体做功W=Flcosα的两种处理方法:
(1)W等于力F乘以物体在力F方向上的分位移lcosα,即物体的位移分解为沿F方向上和垂直于F方向上的两个分位移l1和l2,则F做的功W=F·l1=Flcosα。
(2)W等于力F在位移l方向上的分力Fcosα乘以物体的位移l,即将力F分解为沿l方向上和垂直于l方向上的两个分力F1和F2,则F做的功W=F1·l=F
cosα·l。
功的正、负可直接由力F与位移l的夹角α的大小判断。
2.求恒力功的三点注意:(1)某力对物体做功只跟这个力和物体的位移以及力与位移的夹角有关,与物体是否受其他力无关。
(2)力F与位移l必须具有同时性,即l必须是力F作用过程中的位移。
(3)计算功时必须明确在哪段位移过程中对哪个物体做的功。
【典例示范1】如图所示,质量为m的物体A静止在倾角为θ的斜面体B上,斜面体B的质量为M。现对该斜面体施加一个水平向左的推力F,使物体随斜面体一起沿水平方向向左匀速运动,当移动的距离为l时,斜面体B对物体A所做的功为
　　
A.Fl　　　　　　　
B.mglsinθcosθ
C.mglsinθ
　　　　　D.0
【解析】选D。对物体A进行受力分析,其受到重力mg、支持力FN、静摩擦力Ff,如图所示,
由于物体A做匀速运动,所以支持力FN与静摩擦力Ff的合力即斜面体B对物体A的作用力竖直向上,与重力等大反向,而位移水平向左,所以斜面体B对物体A的作用力的方向与位移方向垂直,斜面体B对物体A所做的功为0,D正确。
任务2
总功的两种求解思路
1.先求合力,再求总功:
先确定物体所受的合外力,再根据公式W合=F合lcos
α求解合外力的功。该方法适用于物体的合外力不变的情况,常见的是发生位移l过程中,物体所受的各力均没有发生变化。求解流程图为:
2.先求各力的功,再求总功:
先根据W=Flcos
α,求出每个分力做的功W1、W2…Wn,再根据W合=W1+W2+…+Wn,求解合力的功,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,求解流程图为:
【典例示范2】一个质量m=2
kg的物体,受到与水平方
向成37°角斜向上方的力①F1=10
N的作用,在水平地
面上移动的距离l=2
m②,物体与地面间的滑动摩擦力
F2=4.2
N③,求外力对物体所做的总功④。(cos
37°
=0.8,sin
37°=0.6)
【审题关键】
序号
信息提取
①
拉力的方向为与水平方向成37°斜向上
②
位移的大小为2
m
③
接触面不光滑
④
计算合外力做的总功
【解析】解法一:拉力F1对物体所做的功为
W1=F1lcos
37°=10×2×0.8
J=16
J
摩擦力F2对物体所做的功为
W2=F2lcos
180°=-4.2×2
J=-8.4
J
外力对物体所做的总功W等于W1和W2的代数和
所以W=W1+W2=7.6
J
解法二:物体受到的合力为
F合=F1cos
37°-F2=10×0.8
N-4.2
N=3.8
N
所以W=F合l=3.8×2
J=7.6
J
答案:7.6
J
【定向训练】
1.(母题追问)当【典例示范2】中的拉力多大时,物体刚好与地面接触且无压力?求物体在该力作用下从静止开始运动2
s过程中合力做的功。(g取10
m/s2)
【解析】物体刚好与地面接触且无压力,表明Fsin
37°
=mg,故拉力F=
此时,物体所受合力F合
=Fcos
37°=
N,物体的加速度a=
物体
在2
s内的位移:x=
故合力的
功W=F合x=
≈711
J。
答案:
N　711
J
2.(2019·成都高一检测)如图所示,质量为m的物体在与水平方向成θ角的拉力作用下,在水平面上匀速移动位移s。已知物体与水平面间的动摩擦因数为μ,则拉力做功大小为
(　　)
【解析】选D。物体在F作用下匀速移动,根据受力分析
可求得,水平方向上:Fcosθ=f,竖直方向上:N+Fsinθ
=mg,f=μN,联立可得:F=
,所以力F做功:
W=Fscosθ=
,故D正确,A、B、C错误。
3.起重机竖直吊起质量为m的重物,上升的加速度是a,上升的高度为h,则起重机对重物所做的功是(　　)
A.mgh
　　　　
B.mah
C.m(a+g)h
D.m(g-a)h
【解析】选C。对重物进行受力分析,重物受重力和起
重机对重物拉力F。根据牛顿第二定律得:F合=F-mg
=ma,F=m(a+g),上升h高度,起重机对重物拉力做功
W=Fh=m(a+g)h;故本题选C。
【拓展例题】考查内容:摩擦力做功的正负
【典例】如图所示,物块A、B在外力F的作用下一起沿水平地面做匀速直线运动的过程中,关于A与地面间的滑动摩擦力和A、B间的静摩擦力做功的说法,正确的是(　　)
A.静摩擦力都做正功,滑动摩擦力都做负功
B.静摩擦力都不做功,滑动摩擦力都做负功
C.有静摩擦力做正功,有滑动摩擦力不做功
D.有静摩擦力做负功,有滑动摩擦力做正功
【解析】选C。物块A、B在外力F的作用下一起沿水平地面做匀速直线运动,根据平衡条件得知,A对B的静摩擦力与拉力F平衡,地面对A的滑动摩擦力与B对A的静摩擦力平衡,则地面对A的滑动摩擦力方向向左,对A做负功,物块A对地面的滑动摩擦力不做功,A对B的静摩擦力做负功,B对A的静摩擦力做正功,因此,选项C正确,其他选项均错。
【课堂回眸】