2019-2020学年高中物理沪科版必修2课件：3.1 探究动能变化跟做功的关系 .pptx

第3章 动能的变化与机械功,3.1 探究动能变化跟做功的关系,自主阅读,自我检测,一、分析论证 研究汽车动能的变化过程,二、动能 动能定理 1.动能 (1)定义:物理学中把 mv2叫做物体的动能,用符号Ek表示。 (2)表达式:Ek= mv2,式中v是瞬时速度。 (3)单位:在国际单位制中,动能的单位是焦耳,符号是J。 (4)动能是一个标量。,自主阅读,自我检测,2.动能定理 (1)内容:外力对物体所做的功等于物体动能的增量。,(3)物理量的增量是指后一时刻的量值减去前一时刻的量值。 3.恒力做功与物体动能的变化 如果物体受到一个与位移方向相同的恒力F作用,运动位移为s,则W=Fs,动能定理还可以表示为Fs=Ek。 4.过程量与状态量 (1)动能是一个状态量。 (2)功是一个过程量。 5.运动员用F=150 N的力将一质量为0.6 kg的篮球以10 m/s的速度投出,篮球打在高3.05 m的篮圈上。求运动员对篮球做的功。 提示:由动能定理得运动员做的功W= mv2=30 J。,自主阅读,自我检测,三、实验探究 恒力做功与物体动能变化的关系 1.设计实验(如图所示) 所使用的器材有气垫导轨、滑块、光电门、计时器、气源、刻度尺、细绳、钩码等。 2.研究计划 (1)直接验证 逐一比较力对物体所做的功与物体动能增量的大小之间的关系。 (2)用图像验证 根据W= mv2,由实验数据作出W与v2及W与m的关系图像。,自主阅读,自我检测,1.正误辨析 (1)动能是矢量,其方向与速度方向相同。 ( ) (2)动能是物体由于运动而具有的能。 ( ) (3)物体的速度发生变化,其动能就一定发生变化。 ( ) (4)做实验时要平衡摩擦力,且改变滑块质量就要重新平衡摩擦力。 ( ) (5)合外力做功不等于零,物体的动能一定变化。 ( ) 答案:(1)× (2) (3)× (4)× (5),自主阅读,自我检测,2.有两个物体甲、乙,它们在同一直线上运动,两物体的质量均为m,甲物体速度为v,动能为Ek;乙物体速度为-v,动能为Ek',那么( ) A.Ek'=-Ek B.Ek'=Ek C.Ek'Ek 解析:因为动能是标量,故Ek'=Ek。 答案:B 3.起重机钢索吊着质量m=1.0×103 kg的物体,以a=2 m/s2的加速度由静止竖直向上提升了5 m,物体的动能增加了多少?(g取10 m/s2) 解析:由动能定理可知,物体动能的变化等于合外力对物体所做的功,则Ek=W合,由F合=ma,W=F合·h得Ek=F合·h=ma·h=1.0×103×2×5 J=1.0×104 J,即物体的动能增加了1.0×104 J。 答案:1.0×104 J,问题导引,知识归纳,典例剖析,知识点一,知识点二,对动能和动能定理的理解 右图是高速列车,高速列车在出站时加速,进站时减速,这两个过程中合力分别做什么功,列车的动能如何变化? 要点提示:加速出站时合力做正功,动能增大;减速进站时合力做负功,动能减小。,问题导引,知识归纳,典例剖析,知识点一,知识点二,1.动能的三个性质 (1)动能的瞬时性:物体动能的大小与物体瞬时速度的大小相对应,是一个状态量。 (2)动能的标矢性:动能是标量,只有大小没有方向,且总大于(v0时)或等于零(v=0时),不可能小于零(无负值)。运算过程中无需考虑速度方向。 (3)动能的相对性:对于不同的参考系,物体的速度不同,则物体的动能也不同。没有特别指明时,都是以地面为参考系。,问题导引,知识归纳,典例剖析,知识点一,知识点二,2.动能定理的理解 (1)W的含义:所有外力所做功的代数和。 (2)W与Ek的关系:合力做功是引起物体动能变化的原因。如果合力对物体做正功,物体的动能增加;如果合力对物体做负功,物体的动能减少;如果合力对物体不做功,物体的动能不变。 (3)动能定理的实质:功能关系的一种具体体现,物体动能的改变可由合外力做功来度量。,问题导引,知识归纳,典例剖析,知识点一,知识点二,【例1】右图是质量为m的物体,从高为h、倾角为的光滑斜面顶端由静止开始沿斜面下滑,最后停在水平面上。已知物体与水平面间的动摩擦因数为,求: (1)物体滑至斜面底端时的速度; (2)物体在水平面上滑行的距离。,问题导引,知识归纳,典例剖析,知识点一,知识点二,解析:物体从斜面上滑下,只有重力做功,使物体的动能增加。在水平面滑行时,摩擦力做负功使物体的动能又减少到0,分别在两段过程中应用动能定理即可求解。,问题导引,知识归纳,典例剖析,知识点一,知识点二,规律方法(1)应用动能定理时,先要进行受力分析,分析在这个过程中有哪些力做功,注意区分功的正负。 (2)应用动能定理时要注意选取的研究对象和对应过程,合力做的功和动能增量一定是对应同一研究对象的同一过程。,问题导引,知识归纳,典例剖析,知识点一,知识点二,变式训练1一个物体的速度从0增大到v,外力对物体做功为W1;速度再从v增大到2v,外力做功为W2,则W1和W2的关系正确的是( ) A.W1=W2 B.W1=2W2 C.W2=3W1 D.W2=4W1,因此,W2=3W1,选项C正确。,答案:C,知识点一,知识点二,问题导引,知识归纳,典例剖析,实验探究 恒力做功与物体动能变化的关系 右图是探究a与F、m之间的定量关系实验中的装置。观察装置图,思考以下问题: (1)实验中,研究对象(小车)的瞬时速度如何求解?若已知小车的质量,怎样求某一瞬间小车的动能? (2)怎样通过该装置探究合外力做功与动能变化的关系? 要点提示:(1)应用纸带上的点迹可以确定小车的瞬时速度,再根据Ek= mv2确定小车的动能。 (2)可以应用直接验证或图像验证来探究分析力做功与动能变化的关系。,知识点一,知识点二,问题导引,知识归纳,典例剖析,1.实验原理 探究恒力做功与物体动能改变的关系,可以测出力对物体做不同的功时物体动能的变化,从而得到恒力做功与物体动能改变的关系。 2.误差分析 (1)若忘记平衡摩擦力或没有完全平衡摩擦力会对实验结果带来影响。 (2)实验中,由于砝码及砝码盘的总质量远小于小车质量,可认为绳子对小车的拉力F=mg,而实际情况是砝码及砝码盘向下加速时,mg-F=ma,所以Fmg。F与mg的差别在砝码及砝码盘的总质量偏大时会对实验结果带来影响。 (3)纸带上各点之间距离测量时会带来误差。,知识点一,知识点二,问题导引,知识归纳,典例剖析,【例2】 (2017·江苏物理)利用如图甲所示的实验装置探究恒力做功与物体动能变化的关系。小车的质量为m0=200.0 g,钩码的质量为m=10.0 g,打点计时器的电源为50 Hz的交变电流。 (1)挂钩码前,为了消除摩擦力的影响,应调节木板右侧的高度,直至向左轻推小车观察到 。,知识点一,知识点二,问题导引,知识归纳,典例剖析,(2)挂上钩码,按实验要求打出的一条纸带如图乙所示。选择某一点为O,依次每隔4个计时点取一个计数点。用刻度尺量出相邻计数点间的距离x,记录在纸带上。计算打出各计数点时小车的速度v,其中打出计数点“1”时小车的速度v1= m/s。,知识点一,知识点二,问题导引,知识归纳,典例剖析,(3)将钩码的重力视为小车受到的拉力,g取9.80 m/s2,利用W=mgx算出拉力对小车做的功W。利用Ek= Mv2算出小车动能,并求出动能的变化量Ek。计算结果见下表。,请根据表中的数据,在方格纸上作出Ek-W图像。,知识点一,知识点二,问题导引,知识归纳,典例剖析,(4)实验结果表明,Ek总是略小于W。某同学猜想是由于小车所受拉力小于钩码重力造成的。用题中小车和钩码质量的数据可算出小车受到的实际拉力F= N。,解析:(1)调节木板右侧的高度,在不挂钩码的情况下使小车恰好做匀速运动,以使小车的重力沿斜面向下的分力和摩擦力抵消,那么小车受到的合力就是绳子的拉力,这样便平衡了摩擦力。 (2)打点计时器的电源为50 Hz的交变电流,且每隔4个计时点取一个计数点,则相邻计数点打下的时间间隔为t=0.02×5 s=0.1 s;由于小车做匀加速运动,打出计数点“1”时小车的速度为打出“0”点和“2”点之间的平均速度,即v1= =0.228 m/s。,(3)先将表格中的数据在方格纸上描出,再用直线连接所描绘的点,如答案图所示。,知识点一,知识点二,问题导引,知识归纳,典例剖析,(4)对小车和钩码整体由牛顿第二定律得 mg=(m0+m)a 对小车:F=m0a,知识点一,知识点二,问题导引,知识归纳,典例剖析,答案:(1)小车做匀速运动 (2)0.228 (3)见下图 (4)0.093 规律方法通过探究动能变化与做功的关系,应明确功与速度的确定方法,从而得到动能定理。,知识点一,知识点二,问题导引,知识归纳,典例剖析,变式训练2 某实验小组采用图甲的装置探究外力做功与物体动能变化的关系,图中小车中可放置砝码,实验中小车碰到制动装置时,钩码尚未到达地面,打点计时器的工作频率为50 Hz。,知识点一,知识点二,问题导引,知识归纳,典例剖析,(1)实验的部分步骤如下: 在小车中放入砝码,把纸带穿过打点计时器,连在小车后端,用细线连接小车和钩码; 将小车停在打点计时器附近, , ,小车拖动纸带,打点计时器在纸带上打下一系列点, ; 改变钩码或小车中砝码的数量,更换纸带,重复的操作。,知识点一,知识点二,问题导引,知识归纳,典例剖析,(2)图乙是钩码质量为0.03 kg、砝码质量为0.02 kg时得到的一条纸带,在纸带上选择起始点O及A、B、C、D、E计数点,可获得各计数点到O的距离s及对应时刻小车的瞬时速度v,请将C点的测量结果填在表中的相应位置。,知识点一,知识点二,问题导引,知识归纳,典例剖析,纸带的测量结果,(3)本实验,若用钩码的重力表示小车受到的合外力,为了减小这种做法带来的实验误差,应采取的两项措施是 ; 。,知识点一,知识点二,问题导引,知识归纳,典例剖析,答案:(1)先接通电源 再释放小车 关闭打点计时器电源 (2)5.18(5.165.19均可) 0.49 (3)平衡摩擦力 钩码的重力远小于小车及砝码的重力和,1,2,3,4,1.在探究功与物体速度变化的关系验中作出W-v2图像如图所示,下列符合实际的是( ),解析:实验证明,力做的功W与速度v的二次方成正比,即Wv2,故作出的W-v2图像应为一条过原点的直线,B项正确。 答案:B,1,2,3,4,2.(多选)在下列几种情况中,甲、乙两物体的动能相等的是( ),D.质量相同,速度大小也相同,但甲向东运动,乙向西运动,解析:由动能的表达式Ek= mv2知,A、B错误,C正确;因动能是标量,故D正确。 答案:CD,1,2,3,4,3.关于动能定理,下列说法正确的是( ) A.在某过程中,外力做的总功等于各个力单独做功的绝对值之和 B.只要有力对物体做功,物体的动能就一定改变 C.动能定理只适用于直线运动,不适用于曲线运动 D.动能定理既适用于恒力做功的情况,又适用于变力做功的情况 解析:外力做的总功等于各个力单独做功的代数和,A错;根据动能定理,决定动能是否改变的是总功,而不是某一个力做的功,B错;动能定理既适用于直线运动,也适用于曲线运动,既适用于恒力做功的情况,又适用于变力做功的情况,C错,D对。 答案:D,1,2,3,4,4.质量为m=50 kg的滑雪运动员,以初速度v0=4 m/s从高度为h=10 m的弯曲滑道顶端A滑下,到达滑道底端B时的速度v1=10 m/s。求滑雪运动员在这段滑行过程中克服阻力做的功。(g取10 m/s2),解析:设摩擦力做的功为W,根据动能定理,代入数值得W=2 900 J。,答案:2 900 J,