高考物理专题复习学案动能定理和机械能守恒定律.doc

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2010高考物理复习精品学案案―――动能定理和机械能守恒定律

【命题趋向】

《大纲》对本部分考点均为Ⅱ类要求，即对所列知识要理解其确切含义及与其他知识的联系，能够进行叙述和解释，并能在实际问题的分析、综合、推理和判断等过程中运用。

功能关系一直都是高考的“重中之重”，是高考的热点和难点，涉及这部分内容的考题不但题型全、分量重，而且还经常有高考压轴题。

考查最多的是动能定理和机械能守恒定律。

易与本部分知识发生联系的知识有：

牛顿运动定律、圆周运动、带电粒子在电场和磁场中的运动等，一般过程复杂、难度大、能力要求高。

本考点的知识还常考查考生将物理问题经过分析、推理转化为数学问题，然后运用数学知识解决物理问题的能力。

所以复习时要重视对基本概念、规律的理解掌握，加强建立物理模型、运用数学知识解决物理问题的能力。

【考点透视】

一、理解功的概念

1．功是力的空间积累效应。

它和位移相对应。

计算功的方法有两种：

⑴按照定义求功。

即：

W=Fscosθ。

在高中阶段，这种方法只适用于恒力做功。

当时F做正功，当时F不做功，当时F做负功。

这种方法也可以说成是：

功等于恒力和沿该恒力方向上的位移的乘积。

⑵用动能定理W=ΔEk或功能关系求功。

当F为变力时，高中阶段往往考虑用这种方法求功。

这种方法的依据是：

做功的过程就是能量转化的过程，功是能的转化的量度。

如果知道某一过程中能量转化的数值，那么也就知道了该过程中对应的功的数值。

2．会判断正功、负功或不做功。

判断方法有：

用力和位移的夹角α判断;用力和速度的夹角θ判断定;用动能变化判断.

3．了解常见力做功的特点:

重力（或电场力）做功和路径无关，只与物体始末位置的高度差h（或电势差）有关：

W=mgh（或W=qU），当末位置低于初位置时，W＞0，即重力做正功；反之则重力做负功。

滑动摩擦力做功与路径有关。

当某物体在一固定平面上运动时，滑动摩擦力做功的绝对值等于摩擦力与路程的乘积。

在弹性范围内，弹簧做功与始末状态弹簧的形变量有关系。

二、深刻理解功率的概念

1．功率的物理意义：

功率是描述做功快慢的物理量。

2．功率的定义式：

，所求出的功率是时间t内的平均功率。

3．功率的计算式：

P=Fvcosθ，其中θ是力与速度间的夹角。

该公式有两种用法：

①求某一时刻的瞬时功率。

这时F是该时刻的作用力大小，v取瞬时值，对应的P为F在该时刻的瞬时功率；②当v为某段位移（时间）内的平均速度时，则要求这段位移（时间）内F必须为恒力，对应的P为F在该段时间内的平均功率。

4．重力的功率可表示为PG=mgVy，即重力的瞬时功率等于重力和物体在该时刻的竖直分速度之积。

三、深刻理解动能的概念，掌握动能定理。

1．动能是物体运动的状态量，而动能的变化ΔEK是与物理过程有关的过程量。

2．动能定理的表述

合外力做的功等于物体动能的变化。

（这里的合外力指物体受到的所有外力的合力，包括重力）。

表达式为W=ΔEK.

动能定理建立起过程量（功）和状态量（动能）间的联系。

这样，无论求合外力做的功还是求物体动能的变化，就都有了两个可供选择的途径。

功和动能都是标量，动能定理表达式是一个标量式，不能在某一个方向上应用动能定理。

四、掌握机械能守恒定律。

1.机械能守恒定律的两种表述

⑴在只有重力做功的情形下，物体的动能和重力势能发生相互转化，但机械能的总量保持不变。

⑵如果没有摩擦和介质阻力，物体只发生动能和重力势能的相互转化时，机械能的总量保持不变。

2.对机械能守恒定律的理解：

①机械能守恒定律的研究对象一定是系统，至少包括地球在内。

通常我们说“小球的机械能守恒”其实一定也就包括地球在内，因为重力势能就是小球和地球所共有的。

另外小球的动能中所用的v，也是相对于地面的速度。

②当研究对象（除地球以外）只有一个物体时，往往根据是否“只有重力做功”来判定机械能是否守恒；当研究对象（除地球以外）由多个物体组成时，往往根据是否“没有摩擦和介质阻力”来判定机械能是否守恒。

③“只有重力做功”不等于“只受重力作用”。

在该过程中，物体可以受其它力的作用，只要这些力不做功或除重力之外的力做功的代数和为零。

2.机械能守恒定律的各种表达形式

⑴，即；

⑵；；

用⑴时，需要规定重力势能的参考平面。

用⑵时则不必规定重力势能的参考平面，因为重力势能的改变量与参考平面的选取没有关系。

尤其是用ΔE增=ΔE减，只要把增加的机械能和减少的机械能都写出来，方程自然就列出来了。

五、深刻理解功能关系，掌握能量守恒定律。

1．做功的过程是能量转化的过程，功是能的转化的量度。

能量守恒和转化定律是自然界最基本的规律之一。

而在不同形式的能量发生相互转化的过程中，功扮演着重要的角色。

本章的主要定理、定律都可由这个基本原理出发而得到。

需要强调的是：

功是一个过程量，它和一段位移（一段时间）相对应；而能是一个状态量，它与一个时刻相对应。

两者的单位是相同的（都是J），但不能说功就是能，也不能说“功变成了能”。

2．复习本章时的一个重要课题是要研究功和能的关系，尤其是功和机械能的关系。

突出：

“功是能量转化的量度”这一基本概念。

①物体动能的增量由外力做的总功来量度：

W外=ΔEk，这就是动能定理。

②物体重力势能的增量由重力做的功来量度：

WG=-ΔEP，这就是势能定理。

同理：

电场力做功量度电势能的变化，即W电=-ΔEP。

③物体机械能的增量由重力以外的其他力做的功来量度：

W其=ΔE机，（W其表示除重力以外的其它力做的功），这就是机械能定理。

④当W其=0时，说明只有重力做功，所以系统的机械能守恒。

⑤一对互为作用力反作用力的摩擦力做的总功，用来量度该过程系统由于摩擦而减小的机械能，也就是系统增加的内能。

Q=fd（d为这两个物体间相对移动的路程）。

【例题解析】

类型一：

功和功率的计算

例1．如下图甲所示，质量为m的物块与倾角为的斜面体相对静止，当斜面体沿水平面向左匀速运动位移时，求物块所受重力、支持力、摩擦力做的功和合力做的功。

解析：

物块受重力，如上图乙所示，物块随斜面体匀速运动，所受合力为零，所以，。

物块位移为

支持力的夹角为，支持力做功

。

静摩擦力的夹角为做的功.

合力是各个力做功的代数和

方法技巧：

（1）根据功的定义计算功时一定要明确力的大小、位移的大小和力与位移间的夹角。

本题重力与位移夹角支持力做正功，摩擦力与位移夹角为摩擦力做负功。

一个力是否做功，做正功还是做负功要具体分析。

（2）合力的功一般用各个力做功的代数和来求，因为功是标量，求代数和较简单。

如果先求合力再求功，则本题合力为零，合力功也为零。

变式训练1：

质量为m=0.5kg的物体从高处以水平的初速度V0=5m/s抛出，在运动t=2s内重力对物体做的功是多少？

这2s内重力对物体做功的平均功率是多少？

2s末，重力对物体做功的瞬时功率是多少？

（g取）

类型二：

机车启动问题

例2．电动机通过一绳子吊起质量为8kg的物体，绳的拉力不能超过120N，电动机的功率不能超过1200W，要将此物体由静止起用最快的方式吊高90m（已知此物体在被吊高接近90m时，已开始以最大速度匀速上升）所需时间为多少？

解析：

此题可以用机车起动类问题的思路，即将物体吊高分为两个过程处理：

第一过程是以绳所能承受的最大拉力拉物体，使物体以最大加速度匀加速上升，第一个过程结束时，电动机刚达到最大功率.第二个过程是电动机一直以最大功率拉物体，拉力逐渐减小，当拉力等于重力时，物体开始匀速上升.

在匀加速运动过程中加速度为

a=m/s2=5m/s2，末速度Vt==10m/s

上升的时间t1=s=2s，上升高度为h==10m

在功率恒定的过程中，最后匀速运动的速率为

Vm==15m/s

外力对物体做的总功W=Pmt2-mgh2,动能变化量为

ΔEk=mV2m-mVt2

由动能定理得Pmt2-mgh2=mVm2-mVt2

代入数据后解得t2=5.75s，所以t=t1+t2=7.75s所需时间至少为7.75s.

点评：

机车运动的最大加速度是由机车的最大牵引力决定的，而最大牵引力是由牵引物的强度决定的。

弄清了这一点，利用牛顿第二定律就很容易求出机车运动的最大匀加速度。

变式训练2：

汽车的质量为m，发动机的额定功率为P，汽车由静止开始沿平直公路匀加速启动，加速度为a，假定汽车在运动中所受阻力为f（恒定不变），求汽车能保持作匀加速运动的时间。

类型三：

动能定理的应用

例3．如图所示，质量为m的物体置于光滑水平面上，一根绳子跨过定滑轮一端固定在物体上，另一端在力F作用下，以恒定速率v0竖直向下运动，物体由静止开始运动到绳与水平方向夹角=45º过程中，绳中拉力对物体做的功为

α

F

v0

A．mv02B．mv02

C．mv02D．mv02

解析：

物体由静止开始运动，绳中拉力对物体做的功等于物体增加的动能。

物体运动到绳与水平方向夹角α=45º时的速率设为v，有：

vcos45º=v0，则：

v=v0所以绳的拉力对物体做的功为W=

答案：

B。

题后反思：

本题涉及到运动的合成与分解、功、动能定理等多方面知识。

要求考生深刻理解动能定理的含义，并能够应用矢量的分解法则计算瞬时速度。

变式训练3：

质量为m的小球用长度为L的轻绳系住，在竖直平面内做圆周运动，运动过程中小球受空气阻力作用．已知小球经过最低点时轻绳受的拉力为7mg，经过半周小球恰好能通过最高点，则此过程中小球克服空气阻力做的功为 （）

A．mgL/4 B．mgL/3 C．mgL/2 D．mgL

类型四：

机械能守恒定律的应用

例4．如图所示，半径为R的光滑圆形轨道固定在竖直面内。

小球A、B质量分别为m、βm（β为待定系数）。

A球从左边与圆心等高处由静止开始沿轨道下滑，与静止于轨道最低点的B球相撞，碰撞后A、B球能达到的最大高度均为，碰撞中无机械能损失。

重力加速度为g。

试求：

（1）待定系数β。

（2）第一次碰撞刚结束时小球A、B各自的速度和B球对轨道的压力。

解析：

（1）由机械能守恒定律得故。

（2）设A、B第一次碰撞后的速度大小分别为、，则，，故，向左；向右；

设轨道对B球的支持力为，B球对轨道的压力为，，由牛顿第三定律知，方向竖直向下。

点评：

对物理问题进行逻辑推理得出正确结论和作出正确判断，并把推导过程正确地表达出来，体现了对推理能力的考查，希望考生注意这方面的训练。

特别是第三问设问有一定的开放性，考生应先弄清题目中的情景和事件，分析出前两次或三次碰撞后的特点再找规律对问题作解答，类似数学归纳思想。

变式训练4：

（08江苏卷）如图所示，两光滑斜面的倾角分别为30°和45°，质量分别为2ｍ和ｍ的两个滑块用不可伸长的轻绳通过滑轮连接（不计滑轮的质量和摩擦），分别置于两个斜面上并由静止释放；若交换两滑块位置，再由静止释放．则在上述两种情形中正确的有

Ａ．质量为2ｍ的滑块受到重力、绳的张力、沿斜面的下滑力和斜面的支持力的作用

B．质量为ｍ的滑块均沿斜面向上运动

C．绳对质量为ｍ滑块的拉力均大于该滑块对绳的拉力

D．系统在运动中机械能均守恒

类型五：

功能关系的应用

例5．如图所示，一轻弹簧左端固定在长木板M的左端，右端与小木块m连接，且m、M及M与地面间摩擦不计．开始时，m和M均静止，现同时对m、M施加等大反向的水平恒力F1和F2，设两物体开始运动以后的整个运动过程中，弹簧形变不超过其弹性限度