高考物理经典习题:第5章机械能守恒定律 第1讲 功和功率(含解析)
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1、第5章机械能守恒定律课程标准内容及要求核心素养及关键能力核心素养关键能力1.理解功和功率。了解生产生活中常见机械的功率大小及其意义。物理概念理解能力2.理解动能和动能定理。能用动能定理解释生产生活中的现象。科学推理和论证分析、推理和综合能力3.理解重力势能,知道重力势能的变化与重力做功的关系。定性了解弹性势能。物理概念和规律 理解能力4.实验七:通过实验,验证机械能守恒定律。科学实验实验设计及数据处理能力5.理解机械能守恒定律,体会守恒观念对认识物理规律的重要性。物理规律理解能力6.能用机械能守恒定律分析生产生活中的有关问题。科学推理分析推理以及综合能力第1讲 功和功率一、功1.定义:一个物体
2、受到力的作用,如果在力的方向上发生了一段位移,就说这个力对物体做了功。2.必要因素:力和物体在力的方向上发生的位移。3.物理意义:功是能量转化的量度。4.计算公式(1)恒力F的方向与位移l的方向一致时:WFl。(2)恒力F的方向与位移l的方向成某一夹角时:WFlcos_。5.功的正负(1)当0时,W0,这表示力对物体做正功。(2)当时,W0,这表示力对物体做负功。(3)当时,W0,力对物体不做功。【自测1】 (多选)质量为m的物体静止在倾角为的斜面上,斜面沿水平方向向右匀速移动了距离s,如图1所示,物体m相对斜面静止。则下列说法正确的是()图1A.重力对物体m做正功B.合力对物体m做功为零C.
3、摩擦力对物体m不做功D.支持力对物体m做正功答案BD6.一对作用力与反作用力的功做功情形图例备注都做正功(1)一对相互作用力做的总功与参考系无关(2)一对相互作用力做的总功WFlcos 。l是相对位移,是F与l间的夹角(3)一对相互作用力做的总功可正、可负,也可为零都做负功一正一负一为零一为正一为负7.一对平衡力的功一对平衡力作用在同一个物体上,若物体静止,则两个力都不做功;若物体运动,则这一对力所做的功一定是数值相等,一正一负或均为零。【判断正误】(1)作用力做正功,反作用力一定做负功。()(2)一对相互作用的滑动摩擦力一定对系统做负功。()(3)静摩擦力对物体不做功。()二、功率1.定义:
4、功W与完成这些功所用时间t的比值。2.物理意义:描述力对物体做功的快慢。3.公式(1)P,P为时间t内的平均功率。(2)PFvv为平均速度,则P为平均功率。v为瞬时速度,则P为瞬时功率。当力F和速度v不在同一直线上时,可以将力F分解或者将速度v分解。【自测2】 (2020广东深圳市第一次调研)在水平地面上方某处,把质量相同的P、Q两小球以相同速率沿竖直方向抛出,P向上,Q向下,不计空气阻力,两球从抛出到落地的过程中()A.P球重力做功较多B.两球重力的平均功率相等C.落地前瞬间,P球重力的瞬时功率较大D.落地前瞬间,两球重力的瞬时功率相等答案D解析根据Wmgh可知两球重力做功相同,选项A错误;
5、上抛的小球运动时间长,根据P可知两球重力的平均功率不相等,选项B错误;根据机械能守恒定律mghmvmv2可知,两球落地的速度相同,由Pmgv可知落地前瞬间,两球重力的瞬时功率相等,选项C错误,D正确。命题点一恒力功的分析和计算【例1】 (多选)如图2所示,在皮带传送装置中,皮带把物体P匀速带至高处,在此过程中,下述说法正确的是()图2A.摩擦力对物体做正功B.摩擦力对物体做负功C.支持力对物体不做功D.合力对物体做功为零答案ACD解析取物体为研究对象,受力分析如图所示,受重力mg、沿皮带向上的静摩擦力Ff和垂直于皮带的支持力FN,由于Ff方向与运动方向一致,做正功,A正确,B错误;FN方向与运
6、动方向垂直,不做功,C正确;由于匀速运动,合力为0,D正确。【变式1】 (2020海南省新高考一模)两个相同物块P、Q分别在大小相等、方向如图3所示的恒力F1和F2作用下沿水平面向右运动,物块与水平面间的动摩擦因数相同。在它们前进相同距离的过程中,F1和F2做功分别为W1和W2,P、Q两物块克服摩擦力所做的功分别为Wf1和Wf2,则有()图3A.W1W2,Wf1Wf2 B.W1W2,Wf1Wf2C.W1W2,Wf1Wf2 D.W1W2,Wf1Wf2答案A解析物块运动的位移为s,F2与水平方向的夹角为,由功的公式可知W1F1s,W2F2scos ,因为F1F2,则W1W2,Wf1mgs,Wf2(
7、mgF2sin )s,则Wf1Wf2,选项A正确。命题点二变力功的“四种”分析方法分析方法及案例方法以例说法应用动能定理用力F把小球从A处缓慢拉到B处,F做功为WF,则有WFmgl(1cos )0,得WFmgl(1cos )微元法质量为m的木块在水平面内做圆周运动,运动一周克服摩擦力做功WfFfx1Ffx2Ffx3Ff(x1x2x3)Ff2R等效转换法恒力F把物块从位置A拉到位置B,绳子对物块做功WF()图像法一水平拉力拉着一物体在水平面上运动的位移为x0,图线与横轴所围面积表示拉力所做的功,Wx0方法1利用微元法求变力做功将物体的位移分割成许多小段,因每一小段很小,每一小段上作用在物体上的力
8、可以视为恒力,这样就将变力做功转化为在无数个无穷小的位移上的恒力所做功的代数和,此法在中学阶段常应用于求解大小不变、方向改变的变力做功问题。【例2】 在水平面上,有一弯曲的槽道AB,槽道由半径分别为和R的两个半圆构成。如图4所示,现用大小恒为F的拉力将一光滑小球从A点沿槽道拉至B点,若拉力F的方向时刻均与小球运动方向一致,则此过程中拉力所做的功为()图4A.0 B.FR C.FR D.2FR答案C解析把槽道分成x1、x2、x3、xn微小段,拉力在每一段上可视为恒力,则在每一段上做的功W1F1x1,W2F2x2,W3F3x3,WnFnxn,拉力在整个过程中所做的功WW1W2W3WnF(x1x2x
9、3xn)F(R)FR。故选项C正确。方法2用Fx图像求变力做功在Fx图像中,图线与x轴所围“面积”的代数和就表示力F在这段位移所做的功,且位于x轴上方的“面积”为正,位于x轴下方的“面积”为负,但此方法只适用于便于求图线所围面积的情况(如三角形、矩形、圆等规则的几何图形)。【例3】 轻质弹簧右端固定在墙上,左端与一质量m0.5 kg的物块相连,如图5甲所示,弹簧处于原长状态,物块静止且与水平面间的动摩擦因数0.2。以物块所在处为原点,水平向右为正方向建立x轴,现对物块施加水平向右的外力F,F随x轴坐标变化的情况如图乙所示,物块运动至x0.4 m处时速度为零,则此时弹簧的弹性势能为(g10 m/
10、s2)()图5A.3.1 J B.3.5 J C.1.8 J D.2.0 J答案A解析物块与水平面间的摩擦力为Ffmg1 N。现对物块施加水平向右的外力F,由Fx图像与x轴所围面积表示功,可知F做功W3.5 J,克服摩擦力做功WfFf x0.4 J。由于物块运动至x0.4 m处时,速度为0,由功能关系可知,WWfEp,此时弹簧的弹性势能为Ep3.1 J,选项A正确。方法3用动能定理求变力做功动能定理既适用于直线运动,也适用于曲线运动,既适用于求恒力做功,也适用于求变力做功.因为使用动能定理可由动能的变化来求功,所以动能定理是求变力做功的首选。【例4】 (2020海南省新高考3月线上诊断)一同学
11、将地面上一质量m400 g的足球沿与水平方向成45角踢出,足球与脚分开时的速度大小为10 m/s,不计空气阻力,足球可看做质点,重力加速度g10 m/s2。则该同学踢球时对足球做的功为()A.200 J B.100 J C.20 J D.10 J答案C解析由题意可知,足球离开脚时的速度为10 m/s,而脚踢球时只有脚对足球做功,由动能定理可得Wmv20.4102 J20 J,故C正确,A、B、D错误。方法4“转化法”求变力做功通过转换研究的对象,可将变力做功转化为恒力做功,用WFlcos 求解,如轻绳通过定滑轮拉动物体运动过程中拉力做功问题。【例5】 (2020安徽安庆市模拟)如图6所示,固定
12、的光滑竖直杆上套着一个滑块,滑块用轻绳系着绕过光滑的定滑轮O。现以大小不变的拉力F拉绳,使滑块从A点起由静止开始上升。滑块运动到C点时速度最大。已知滑块质量为m,滑轮O到竖直杆的水平距离为d,OAO37,OCO53,重力加速度为g。求:(sin 370.6,cos 370.8)图6(1)拉力F的大小;(2)滑块由A到C过程中拉力F做的功。答案(1)mg(2)mgd解析(1)滑块运动到C点时速度最大,则在C点有Fcos 53mg解得Fmg。(2)由能量守恒可知,拉力F对绳端点做的功就等于绳的拉力F对滑块做的功滑轮与A间绳长L1滑轮与C间绳长L2则滑轮右侧绳子增加的长度LL1L2故拉力做的功WFL
13、mgd。命题点三功率的分析和计算1.公式P和PFv的区别P是功率的定义式,PFv是功率的计算式。2.平均功率的计算方法(1)利用。(2)利用F cos ,其中为物体运动的平均速度。3.瞬时功率的计算方法(1)利用公式PFvcos ,其中v为t时刻的瞬时速度。(2)PFvF,其中vF为物体的速度v在力F方向上的分速度。(3)PFvv,其中Fv为物体受到的外力F在速度v方向上的分力。【例6】 一质量为m的木块静止在光滑的水平面上,从t0时刻开始,将一个大小为F的水平恒力作用在该木块上,在tt1时刻F的功率和0t1时间内的平均功率分别为()A., B.,C., D.,答案C解析t1时刻,木块的速度v
14、1at1,0t1时间内的平均速度,由PFv得,t1时刻F的功率为PFv1F,0t1时间内的平均功率为FF,C项正确。【变式2】 (2020浙江省1月高中学业水平考试)如图7所示,质量均为m的三个小球分别从高度都为h的光滑固定斜面顶端由静止滑到底端,三个斜面倾角不同,则()图7A.重力对小球做功均为mghB.弹力对小球做功均为mghC.重力的平均功率均相等D.弹力的平均功率不相等答案A解析根据重力做功的特点可知,重力对小球做功均为mgh,选项A正确;弹力的方向与位移方向垂直,则弹力对小球做功均为0,选项B错误;根据agsin ,则t,因各个斜面的倾角不同,则下滑的时间不同,根据G可知,重力的平均
15、功率不相等,选项C错误;根据N可知,弹力的平均功率都为零,选项D错误。【变式3】 (多选)(2020广东潮州市第二次模拟)如图8所示,半径为R的半圆弧槽固定在水平面上,槽口向上,槽口直径水平,一个质量为m的物块从P点由静止释放刚好从槽口A点无碰撞地进入槽中,并沿圆弧槽匀速率地滑行到B点,不计物块的大小,P点到A点高度为h,重力加速度大小为g,则下列说法正确的是()图8A.物块从P到B过程克服摩擦力做的功为mg(Rh)B.物块从A到B过程重力的平均功率为C.物块在B点时对槽底的压力大小为D.物块到B点时重力的瞬时功率为mg答案BC解析物块从A到B做匀速圆周运动,根据动能定理有mgRWf0,因此克
16、服摩擦力做功WfmgR,故A错误;根据机械能守恒,物块在A点时的速度大小由mghmv2得v,从A到B运动的时间为t,因此从A到B过程中重力的平均功率为,故B正确;根据牛顿第二定律FNmgm,解得FN,由牛顿第三定律可知,物块在B点对槽底的压力大小为,C正确;物块运动到B点时,速度与重力垂直,因此重力的瞬时功率为0,故D错误。命题点四机车启动类问题1.两种启动方式两种方式以恒定功率启动以恒定加速度启动Pt图和vt图OA段过程分析vFaa不变F不变PFv直到PP额Fv1运动性质加速度减小的加速直线运动匀加速直线运动,维持时间t0AB段过程分析FF阻a0vmvFa运动性质以vm做匀速直线运动加速度减
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