学年高中物理第1章功和功率第2节功和能教学案鲁科版必修2.docx

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学年高中物理第1章功和功率第2节功和能教学案鲁科版必修2

第2节功和能

1．使用任何机械时，动力对机械所做的功总是等于机械克服阻力所做的功，即W动＝W阻＝W有用＋W额外。

2．使用任何机械都不能省功，做一定量的功时，要省力就要增大做功的位移，而减小做功时的位移就要多用力，实际上使用任何机械都费功。

3．做功的过程总是伴随着能量的转化，功是能量转化的量度，做多少功就会有多少能量发生转化。

一、机械功的原理

1．输入功、输出功和损失功

输入功

动力对机械所做的功W动，也就是W总

输出功

克服有用阻力所做的功，即W有用

损失功

克服额外阻力所做的额外功，即W额外

三者关系

W动＝W阻＝W有用＋W额外

或W输入＝W输出＋W损失

2．机械功原理

使用任何机械时，动力对机械所做的功总是等于机械克服阻力所做的功。

也就是说，使用任何机械都不省功。

二、做功和能的转化

1．能量

表示一个物体具有对其他物体做功的本领。

2．功能关系

做功的过程就是能量转化的过程，做了多少功，就有多少能量发生了转化，因此，功是能量转化的量度。

3．机械的作用

人在使用机械做功时，做功的机械是将能量从一个物体传递或转移到另一个物体，或将能量从一种形式转化为另一种形式。

1．自主思考——判一判

（1）使用某一机械时，我们可以做到既省力又省位移。

（×）

（2）使用任何机械都不能省功（√）

（3）在高山上修盘山路是为了美观，让汽车多走路。

（×）

（4）能够对外做功的物体具有能量。

（√）

（5）机械能够对外做功是因为机械能够产生能量。

（×）

（6）能量的转化并不一定需要做功来完成。

（×）

2．合作探究——议一议

（1）2015年10月25日，举行的F1汽车大奖赛上，某赛车如图121所示，试分析在赛车加速阶段和匀速运动阶段能量转化的情况。

图121

提示：

赛车加速阶段，化学能转化为动能和内能，在赛车匀速运动阶段，化学能转化为内能。

（2）装卸工人若将重物搬运到车上，通常采用下列方法：

①用绳沿竖直方向匀速提拉重物放到车上。

②沿竖直方向匀速搬起，举高放到车上。

③利用光滑斜面将重物推上车。

图122

比较上述方法中，工人所用的动力是否一样？

动力做的功是否一样？

重物的重力所做的功是否一样？

提示：

①②两种方法中的动力一样，大于第③种方法中的动力，由功的公式可知，三种方法中动力做的功相等；重物的重力及在重力方向的位移相等，所以三种方法重物的重力所做的功一样多。

对机械功原理的理解

1．不能省功的含义

“不省功”是功的原理的核心。

“不省功”有两层含义：

（1）等于（即理想机械），是指使用机械做的功与不使用机械而直接用手所做的功是相等的。

（2）大于，即费功（即非理想机械），是指使用机械做的功比不使用机械而直接用手所做的功多。

事实上，使用非理想机械时必然存在无用阻力，它对完成工作没有意义，所以又把它叫做无用功或额外功。

做功的目的是克服有用阻力而做功，所以这一部分功是有意义的，称为有用功。

使用任何机械时，动力对机械所做的功等于机械克服阻力所做的功。

这里克服的阻力是指克服所有的阻力，包括有用阻力和无用阻力（或额外阻力）。

2．机械在生活中的应用

（1）省力机械：

千斤顶、螺丝刀、斜面、钳子、扳手、开瓶器等。

（2）省位移的机械：

自行车、理发剪、筷子、鱼竿等。

（3）不省力也不省位移，只改变工作方式的机械：

定滑轮、等臂杠杆等。

[典例]　如图123所示，通过一个定滑轮和一个动滑轮组成的滑轮组，将一重物匀速提高2m，已知重物的质量为100kg，动滑轮自身的质量为1kg，绳的质量和摩擦均不计，（g取10m/s2）求：

图123

（1）人的拉力及拉力做的功；

（2）该机械的有用功和额外功。

[思路点拨]

（1）将重物和动滑轮看成一个整体，再进行受力分析。

（2）一定要分清该机械的有用功和额外功之后，再进行计算。

[解析]　

（1）由题意知，动滑轮和重物的整体受力平衡，而整体向上的方向有三根绳子承担，即3F＝G1＋G2＝1010N

所以人的拉力F＝

N≈336.7N

要使重物升高2m，绳的作用点的位移s＝3h＝6m。

拉力做的功WF＝Fs＝2020J。

（2）利用该机械是为了将重物提升2m。

所以有用功为W有用＝G1h＝1000×2J＝2000J

而提升过程中，克服动滑轮的重力做功是不可避免的，这是额外的，所以额外功W额外＝G2h＝10×2J＝20J。

[答案]　

（1）336.7N　2020J　

（2）2000J　20J

应用机械功的原理解题应注意的问题

（1）通过对研究对象的受力分析，确定动力和阻力，区分有用阻力和无用阻力（或额外

阻力）。

（2）通过过程的分析或效果的分析确定各力作用下的位移。

（3）根据功的定义式求解各力所做的功，根据机械功的原理列方程求解。

1.将同一个物体G分别沿光滑斜面由B、C匀速提升到A，如图124所示。

若沿斜面拉动的力分别为FB、FC，该过程中拉力做功分别为WB、WC。

则它们的大小关系是（　　）

图124

A．WB>WC，FB

C．WB>WC，FB＝FCD．WB＝WC，FB＝FC

解析：

选B　根据功的原理可知，使用任何机械均不省功，且斜面光滑，则WB＝WC。

由斜面的特点F＝

G可知，FB

2．如图125所示，甲、乙、丙三位建筑工人用三种不同的方法把水泥从一楼运到三楼，根据图中的数据分析，这三种方法中：

图125

（1）所做的有用功分别是多少？

（2）哪种方法所做的总功最多，是多少？

哪种方法所做的总功最少，是多少？

解析：

（1）甲、乙、丙三位工人都是将重为400N的水泥运到三楼，有用阻力相同，都为水泥的重力，故三人所做的有用功都为

W有用＝G水泥h＝400×6J＝2400J。

（2）工人甲做的总功为

W甲＝（G水泥＋G桶＋G人）h＝（400＋20＋400）×6J＝4920J

工人乙做的总功为

W乙＝（G水泥＋G桶＋G滑轮）h＝（400＋20＋10）×6J＝2580J

工人丙做的总功为

W丙＝（G水泥＋G口袋＋G滑轮）h＝（400＋5＋10）×6J＝2490J

可见，工人甲做的总功最多，为4920J，工人丙做的总功最少，为2490J。

答案：

见解析

做功与能量转化的关系

1．功与能之间的关系

2．功与能的区别

（1）能量是表征物体具有做功本领的物理量，是状态量。

（2）功描述了力的作用效果在空间上的累积，反映了物体受力并运动的效果，是过程量。

3．对功能关系的理解

（1）做功的过程就是能量转化的过程，能量转化的过程也就是做功的过程。

（2）做功与能量转化的数值相等，即做了多少功，就有多少能量发生了转化。

因此，可以用做功的多少来量度能量转化的多少，反之，也可用能量转化的多少来计算做功的多少，功是能转化的量度。

（3）功与能并不等同，功只是反映了能量转化的多少，但不能认为物体对外做的功等于物体具有的能量。

1．有关功和能，下列说法正确的是（　　）

A．力对物体做了多少功，物体就具有多少能

B．物体具有多少能，就一定能做多少功

C．物体做了多少功，就有多少能量消失

D．能量从一种形式转化为另一种形式时，可以用功来量度能量转化的多少

解析：

选D　力对物体做了多少功，物体的能量就增加了多少，但不能说物体就具有多少能，A错误；能量反映的是物体具有对外做功本领的大小，而不是反映物体对外做功的多少，B错误；功是能量转化的量度，物体做了多少功，就有多少能量发生了转化，并不是能量消失了，C错误，D正确。

2．（多选）关于能量转化的说法中正确的是（　　）

A．举重运动员把杠铃举起来，体内的一部分化学能转化为杠铃的重力势能

B．电流通过电阻丝使电能转化为内能

C．内燃机做功的过程是内能转化为机械能的过程

D．做功的过程是能量转化的过程，某过程做了10J的功，发生的能量转化不一定是

10J

解析：

选ABC　举重运动员举起杠铃，使杠铃的重力势能变大，消耗了自己本身的化学能，A正确；电流通过电阻丝，电流做功把电能转化为内能，B正确；内燃机中的燃料燃烧，对外做功，把内能转化为机械能，C正确；功是能量转化的量度，做功的过程就是能量转化的过程，做多少功，就有多少能量发生转化，故D错误。

3.如图126所示，木块A放在木板B左端，用恒力F将A拉至B的右端。

第一次，将B固定在地面上，F做功为W1，生热为Q1；第二次，B可以在光滑的地面上自由地滑动，这次F做的功为W2，生热为Q2，则应有（　　）

图126

A．W1＜W2，Q1＝Q2　　　　　B．W1＝W2，Q1＝Q2

C．W1＜W2，Q1＜Q2D．W1＝W2，Q1＜Q2

解析：

选A　设木板的长度为l，第一次，将B固定在地面上时，W1＝Fl，根据功能关系可知Q1＝μmgl；第二次，B可以在光滑的地面上自由地滑动，木板在地面上运动了一段位移s，力F所做的功为W2＝F（l＋s）＞W1，由功能关系得Q2＝μmgl，故选项A正确，其他选项均错。

1．（多选）关于功和能，下列说法中正确的是（　　）

A．功和能是两个相同的概念，所以它们的单位相同

B．做功的过程就是能量从一种形式转化为其他形式的过程

C．各种不同形式的能量在相互转化的过程中，其总量保持不变

D．功是物体能量多少的量度

解析：

选BC　功和能虽然单位相同，但不是两个相同的概念，故A错误；能量的转化过程是通过做功实现的，故B正确；不同形式的能在相互转化的过程中总量保持不变，故C正确；功是能量转化多少的量度，但不是物体具有能量多少的量度，故D错误。

2．（多选）一个物体在光滑的水平面上匀速滑行，则（　　）

A．这个物体没有能量

B．这个物体的能量不发生变化

C．这个物体没有对外做功

D．以上说法均不对

解析：

选BC　不同形式的能之间的转化是通过做功实现的，物体不做功，并不能说明物体没有能量。

3．力对物体做功100J，下列说法正确的是（　　）

A．物体具有的能量增加100J

B．物体具有的能量减少100J

C．有100J的能量发生了转化

D．产生了100J的能量

解析：

选C　由于物体是否对外做功未知，因此无法判断物体具有的能量的变化，A、B错误；功是能量转化的量度，故C正确、D错误。

4．（多选）关于对机械功的原理的认识，下列说法中正确的是（　　）

A．使用机械时，动力对机械所做的功，可以大于机械克服阻力所做的功

B．使用机械时，动力对机械所做的功，一定等于机械克服阻力所做的功

C．使用机械可以省力，也可以省功

D．使用机械可以省力，但不能省功

解析：

选BD　使用任何机械时，动力对机械所做的总功总是等于机械克服阻力所做的功，B对；使用机械可以省力，但不能省功，D对。

5．盘山公路总是修筑得盘旋曲折，因为（　　）

A．盘山公路盘旋曲折会延长爬坡的距离，根据斜面的原理，斜面越长越省功

B．盘山公路盘旋曲折显得雄伟壮观

C．盘山公路盘旋曲折会延长爬坡长度，斜面的原理告诉我们，高度一定，斜面越长越省力

D．盘山公路盘旋曲折是为了减小坡度，增加车辆的稳度

解析：

选C　根据功的原理，增大位移，可以省力，但任何机械都不省功，所以C项

正确。

6.如图1所示，在水平地面上安放一竖直轻弹簧，弹簧上端与一木块m相连，在木块上加一竖直向下的力F，使木块缓慢下移0.1m，力F做功2.5J，此时木块刚好再次处于平衡状态，则在木块下移过程中，弹簧弹性势能的增加量（　　）

图1

A．等于2.5J　　　　　　　B．大于2.5J

C．小于2.5