粤教版（2019）物理必修第二册 4.1 功 课件(61张ppt）

第四章　机械能及其守恒定律
①物理观念：能理解功、功率、动能、重力势能及机械能守恒定律的内涵，定性了解弹性势能；能用动能定理和机械能守恒定律分析解释生产、生活中的相关现象，解决一些相关的实际问题；能体会守恒观念对认识物理规律的重要性．具有与功和机械能相关的初步的能量观念．
②科学思维：能在熟悉的问题情境中运用机械能守恒定律解决问题时建构物理模型，会分析机械能守恒的条件；能从机械能守恒的角度分析动力学问题，通过推理，获得结论；能用与机械能守恒定律等相关的证据说明结论；能从不同视角解决动力学问题．
③科学探究：能完成“验证机械能守恒定律”等物理实验．能提出实验中可能出现的物理问题；能在他人帮助下设计实验方案，获取数据；能分析数据、验证机械能守恒定律；
能反思实验过程，尝试减少实验误差；能撰写比较完整的实验报告，在报告中能呈现实验表格及数据分析过程，尝试利用实验数据进行讨论交流．
④科学态度与责任：通过对机械能守恒定律的验证，能认识科学规律的建立需要实验证据的检验；有较强的学习和研究物理的兴趣；能认识机械能守恒定律对日常生活的影响．
本章在初中所学功、能和牛顿运动定律的基础上，通过引入功和能的概念得出动能定理和机械能守恒定律．本章是牛顿力学的进一步拓展与延伸，也是学习其他物理学知识的重要基础．
第一节　功
学习目标
学法指导
1.理解功的概念，掌握功的计算公式
2．知道正功、负功及判断方法
3．掌握合力做功的计算方法
4．理解做功与能量变化的关系
1.理解功的概念，知道W＝Fscos α的适用范围，会用功的公式进行计算
2．理解正、负功的概念，会根据公式计算多个力所做的总功
知识导图
预习导学 | 新知领悟
1．功的概念和公式
功、正功和负功
沿力的方向的位移
概念
物体在力的作用下____________________发生了变化，那么这个力一定对物体做了功
因素
(1)力；(2)物体在__________上发生了位移
公式
(1)力F与位移s同向时：W＝______
(2)力F与位移s有夹角α时：W＝________
力的方向
Fs
Fscos α
2．正功和负功
功有正、负之分，但功是________(选填“标量”或“矢量”)，功的正、负只表示是动力做功还是阻力做功．
力的大小
符号含义
其中F、s、cos α分别表示______________、____________、力与位移夹角的余弦
符号单位
F的单位是________，s的单位是________，W的单位是________
位移大小
N
m
J
标量
3．正功和负功的判断
W>0
W＝0
W<0
4．总功的计算
(1)W合＝____________(α为F合与位移s的夹角)．
(2)W合＝W1＋W2＋…＋Wn(即总功为各个分力所做功的__________)．
F合scos α
代数和
【答案】不一定，还要看力与位移是否垂直．
物体受力的同时又有位移发生，那么力一定做功吗？


【答案】D
【解析】根据W＝Fscos θ，得W＝Fscos α，D正确．
多维课堂 | 素养初培
如果物体在几个力作用下发生一段位移，如何求这几个力对物体做的功？如图所示，物体在各个力的共同作用下移动了一段距离l，探究以下问题：
功的计算和正功、负功的判断
(1)求各个力对物体做的功是多少？各个力对物体做功的代数和是多少？
(2)物体所受的合力是多少？合力做的功是多少？
(3)物体所受的各力均做功，合力是否一定做功？
【答案】(1)WF＝Flcos α，WN＝Nlcos 90°＝0，WG＝Glcos 90°＝0，Wf＝Fflcos 180°＝－Ffl，W＝WF＋WN＋WG＋Wf＝(Fcos α－Ff)l.
(2)F合＝Fcos α－Ff，W合＝F合lcos 0°＝(Fcos α－Ff)l.
(3)不一定，F合＝0时W＝0.
2.合力做功的求法
(1)先求各力做功，再求代数和：W总＝W1＋W2＋…＋Wn，式中W1、W2、…、Wn分别表示为F1、F2、…、Fn对物体所做的功．
(2)先根据力的合成法则求合力，再求合力的功：W总＝F合lcos α，公式中F合为n个力F1、F2、…、Fn的合力，l为物体的位移，α为F合与位移l的夹角，仅适用于受力恒定的情况．
精练1　如图所示，质量为m的物体静止于倾角为α的斜面上，当斜面受力后，物体随斜面一起沿水平面匀速移动距离l.
(1)求物体所受各力对物体做的功分别是多少？
(2)斜面对物体做的功是多少？
(3)合外力对物体做的功是多少？
【答案】(1)见解析　(2)0　(3)0
变式1　如图所示，一轻杆一端固定一小球，绕另一端O点在竖直面内做匀速圆周运动，在小球运动过程中，轻杆对它的作用力 (　　)
A．方向始终沿杆指向O点
B．一直不做功
C．从最高点到最低点，一直做负功
D．从最高点到最低点，先做负功再做正功

【答案】C
【解析】小球做匀速圆周运动，合力提供向心力，方向始终沿杆指向O点，小球受重力和杆的作用力，所以杆的作用力不一定沿杆指向O点，故A错误；小球做匀速圆周运动，合力做功为零，从最高点到最低点，重力做正功，所以杆一直做负功，故B、D错误，C正确．

(1)求恒力做功时，要先对物体进行受力分析，求出力的大小和方向，然后再应用功的公式求解．
(2)求合力的功时，可以先求合力再求功，也可以先求各力做的功，再求各力做功的代数和．
如图所示，一辆拖车通过光滑定滑轮将一重物G匀速提升，当拖车从A点水平移动到B点时，位移为s，绳子由竖直方向变为与竖直方向成θ角．
变力做功的几种求法

(1)拖车对绳子的拉力是恒力还是变力？
(2)能否直接根据W＝Fscos θ，求此过程中拖车对绳子所做的功？
(3)是否有其他的方法求此过程中拖车对绳子所做的功？
【答案】(1)变力．　(2)不能．　(3)拖车对绳子所做的功与绳子对物体所做的功大小相等．
2．图像法
变力做的功W可用F-s图线与s轴所围成的面积表示．s轴上方的面积表示力对物体做正功的多少，s轴下方的面积表示力对物体做的负功．
3．分段法(或微元法)
当力的大小不变，力的方向时刻与速度同向(或反向)时，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，总功W＝Fs路或W＝－Fs路．
4．等效替换法
若判断出某一变力做功和某一恒力做功相等，则可以求出恒力做的功来替代变力做的功．
精练2　一列火车质量为1.0×105 kg，从静止开始运动，其阻力为车重的0.05倍，其牵引力的大小与火车前进的距离是线性关系，且F＝103x＋f0(f0是火车所受的阻力)．当此火车前进100 m时，牵引力所做的功是多少？(g取10 m/s2)
【答案】1×107 J
变式2　如图所示，某人用力F转动半径为R的磨盘，力F的大小不变，且力的方向始终与力的作用点的切线一致，则在转动一周的过程中，力F做功为 (　　)
A．0　 B．F(2πR)
C．FR D．－F(2πR)
【答案】B

【解析】在转动磨盘一周的过程中，力F的方向时刻变化，但每一瞬时力F总是与该瞬时的速度同向(切线方向)，即转盘转过的每段极小位移Δs1，Δs2，Δs3，…，都与当时的力F方向同向，因而在转动一周过程中，力F做的功应等于在各极小位移段所做功的代数和，即W＝FΔs1＋FΔs2＋FΔs3＋FΔs4＋…＋FΔsn＝F(Δs1＋Δs2＋Δs3＋Δs4＋…＋Δsn)＝F×2πR，所以B正确．
(1)功与能是相同的概念吗？
(2)功和能量的变化有什么关系？
【答案】(1)功和能是两个不同的物理量．能总是与物质的一定运动形式相对应，由运动的状态所决定的物理量．状态与能量相对应．而功则是力对空间的积累效应，对应着一个过程，过程有始有末，意味着状态变化．
(2)功是能量转化的量度．
探究做功与能量变化的关系
精练3　一根木棒在外力作用下，沿水平桌面匀速从A运动到B，如图所示．若棒与桌面间的摩擦力为F，则系统消耗的能量和因摩擦转化的内能分别为 (　　)
A．Fs，Fs B．Fs，－Fs
C．0，Fs D．－Fs,0

【答案】A
【解析】木棒沿水平桌面从A运动到B的过程中，滑动摩擦力F等于恒力F′，桌面对棒的摩擦力做的功为－Fs.因匀速运动，恒力与摩擦力做功相等，所以系统消耗的能量和因摩擦转化的内能均为Fs，故A正确．
变式3　如图所示，滑雪者由静止开始沿斜坡从A点自由滑下，然后在水平面上前进至B点停下．已知斜坡、水平面与滑雪板之间的动摩擦因数均为μ，滑雪者(包括滑雪板)的质量为m，A、B两点间的水平距离为L.在滑雪者经过AB段的过程中，因摩擦力所做功转化为内能的大小为 (　　)
A．大于μmgL
B．小于μmgL
C．等于μmgL
D．以上三种情况都有可能

【答案】C
【解析】设水平部分的长度为x1，斜坡的长度为x2，斜坡与水平面的夹角为θ，则下滑的过程中摩擦力做功为W＝μmgx1＋μmgcos θ·x2＝μmg(x1＋x2cos θ)＝μmgL.

摩擦力做功的特点



类型
静摩擦力
滑动摩擦力
对单个物体做功
既可以做正功，也可以做负功，还可以不做功
既可以做正功，也可以做负功，还可以不做功
类型
静摩擦力
滑动摩擦力
能量的转化
在静摩擦力做功的过程中，只有机械能从一个物体转移到另一个物体(静摩擦力起着传递机械能的作用)而没有机械能转化为内能
相互摩擦的物体通过滑动摩擦力做功，将部分机械能从一个物体转移到另一个物体，同时有部分机械能转化为内能，此部分能量就是系统机械能的损失量
类型
静摩擦力
滑动摩擦力
一对相互作用的摩擦力做的总功
一对相互作用的静摩擦力所做功的代数和等于零
一对相互作用的滑动摩擦力对物体系统所做的总功是负值，等于摩擦力与相对路程的乘积，即Wf＝－Ff·s相对，说明物体克服摩擦力做功，系统损失的机械能转变成内能
类型
静摩擦力
滑动摩擦力
认识
误区
例如人走路、起跑、爬竿等情况，静摩擦力并未在施力的过程中有位移的积累，所以这三种情况下静摩擦力都是没有做功的
斜面模型中滑动摩擦力做功与斜面倾角无关，只与斜面在水平方向的投影位移和摩擦系数有关，即Wf＝fs＝μmgscos θ＝μmgx水平
核心素养微专题
科学思维——传送带做功模型分析
如图所示，将工件放在传送带上，传送带匀速运动，由于工件受摩擦力作用而被传递到右端．若工件和传送带相对静止，则涉及静摩擦力做功，若工件和传送带有相对滑动，则涉及滑动摩擦力做功．
专练　某快递公司分拣邮件的水平传输装置示意图如图所示，皮带在电动机的带动下保持v＝1 m/s的恒定速度向右运动，现将一质量m＝2 kg的邮件轻放在皮带上，邮件和皮带间的动摩擦因数μ＝0.5.设皮带足够长，g取10 m/s2，在邮件与皮带发生相对滑动的过程中，求：
(1)邮件滑动的时间t.
(2)邮件对地的位移大小x.
(3)邮件与皮带间的摩擦力对皮带做的功W.
【答案】(1)0.2 s　(2)0.1 m　(3)－2 J
【解析】(1)设邮件放到皮带上与皮带发生相对滑动的过程中受到的滑动摩擦力为F，则F＝μmg.
根据牛顿第二定律，有F＝ma.
又v＝at，
解得t＝0.2 s.
课堂小练 | 素养达成
1．用水平恒力F作用于质量为M的物体，使之在光滑的水平面上沿力的方向移动距离l，恒力做功为W1；再用该恒力作用于质量为m(m A．W1>W2　　 B．W1 C．W1＝W2　　 D．无法判断

【答案】C
【解析】根据功的定义，力F所做的功只与力F的大小及物体在力F的方向上发生的位移的大小有关，不需考虑其他力的影响，因两次做功的恒力相同，位移也相同，所以做功相同．
2．如图所示，用水平力F拉着重为100 N的物体，在水平地面上向左匀速移动了5 m，物体所受地面的摩擦力大小为20 N，则 (　　)
A．重力做的功是500 J
B．拉力做的功为100 J
C．拉力大小为120 N
D．拉力大小为100 N

【答案】B
【解析】重力方向上没有位移，所以重力不做功，A错误；在拉力作用下匀速移动，说明受力平衡，所以拉力大小等于摩擦力大小，即拉力大小为20 N，C、D错误；由功的计算式可得拉力做的功为100 J，B正确．
3．(2020届宜昌名校期中)以一定的初速度竖直向上抛出一个小球，小球上升的最大高度为h，空气阻力的大小恒为f，则从抛出至回到原出发点的过程中，空气阻力对小球做的功为 (　　)
A．0 B．－fh
C．－2fh D．2fh
【答案】C
【解析】上升过程：空气阻力对小球做功W1＝－fh；下落过程：空气阻力对小球做功W2＝－fh.则从抛出到落回到抛出点的过程中，空气阻力对小球做的功W＝W1＋W2＝－2fh，C正确．
4．(2020届信阳一中联考)如图所示，质量m＝50 kg的滑雪运动员从高度h＝30 m的坡顶由静止下滑，斜坡的倾角θ＝37°，滑雪板与雪面之间的动摩擦因数μ＝0.1.在运动员滑至坡底的过程中，求：(g取10 m/s2，sin 37°＝0.6，cos 37°＝0.8，装备质量不计)
(1)滑雪运动员所受重力做的功．
(2)各力对运动员做的总功．
【答案】(1)1.5×104 J　(2)1.3×104 J