高中物理专题讲座.ppt

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1、高中物理专题讲座高中物理专题讲座第二讲第二讲 能和功能和功主讲人：赵亦秋主讲人：赵亦秋 (上大附中）上大附中）20052005年年3 3月月一一 能量、功和功率能量、功和功率n1 能量（E）：物体有做功本领的物理量。自然界中存在着多种运动形式，各种不同自然界中存在着多种运动形式，各种不同的运动形式有不同的能量形式。如：机械能、内的运动形式有不同的能量形式。如：机械能、内能、电磁能、核能等等。当运动从一种形式转化能、电磁能、核能等等。当运动从一种形式转化为另一种形式时，能量也从一种形式转化为另一为另一种形式时，能量也从一种形式转化为另一种形式，并保持守恒。这是能量最本质的特征，种形式，并保持守恒

2、。这是能量最本质的特征，是自然界中一个普遍规律是自然界中一个普遍规律能量转化和守恒定能量转化和守恒定律。律。能量是个标能量是个标量，也是个量，也是个状态量！状态量！能量的单位：焦耳（能量的单位：焦耳（J J）2 2 机械能机械能n1 1）动能（）动能（E EK K ）：物体由于机械运动而具有的）：物体由于机械运动而具有的能量。能量。n大小：大小：n2 2）势能（）势能（E EP P ）:当物体间存在相互作当物体间存在相互作用力时，由于物体间相对位置不同而具有用力时，由于物体间相对位置不同而具有的能。的能。2 2）势能）势能nA.A.重力势能：是由于物体和地球之间的万有引重力势能：是由于物体和地

3、球之间的万有引力作用而产生的。力作用而产生的。n大小：大小：重力势能的大小是相对的，它的大重力势能的大小是相对的，它的大小与零参考面的选择有关。小与零参考面的选择有关。重力是个保守力，重力对物体做功与重力是个保守力，重力对物体做功与路径无关，只与起始与终点的高度差有关。路径无关，只与起始与终点的高度差有关。2 2）势能）势能nB.B.弹性势能：弹性势能：物体由于发生了弹性形变而具有物体由于发生了弹性形变而具有的势能。（中学阶段不讨论弹性势能大的势能。（中学阶段不讨论弹性势能大小）小）3）机械能）机械能n动能和势能总和称为机械能动能和势能总和称为机械能nE=EK+EP3.3.功（功（W W）：是

4、能量变化的量度）：是能量变化的量度n功是力的作用的一种积累效应（对空间功是力的作用的一种积累效应（对空间的积累效应）的积累效应）n物体在恒力物体在恒力F F作用下产生了位移作用下产生了位移S S，则力，则力F F做的功为做的功为功是标功是标量，又量，又是个过是个过程量！程量！例例1 1：如图所示，质量为：如图所示，质量为m m的物块始终静止的物块始终静止在倾角为在倾角为 的斜面上，下列说法中正确的是的斜面上，下列说法中正确的是（）nA.A.若斜面向右匀速移动距离若斜面向右匀速移动距离s s，斜面对物块没有做，斜面对物块没有做功功nB.B.若斜面向上匀速移动距离若斜面向上匀速移动距离s s，斜面

5、对物块做功，斜面对物块做功mgsmgsnC.C.若斜面向左以加速度若斜面向左以加速度a a移动距离移动距离s s，斜面对物体做，斜面对物体做功功masmasnD.D.若斜面向下以加速度若斜面向下以加速度a a移动距离移动距离s s，斜面对物体做，斜面对物体做功功m(g+a)sm(g+a)sA B C例例2 2：一个物体静止在光滑的水平面上，先对一个物体静止在光滑的水平面上，先对物体施加一水平向右的恒力物体施加一水平向右的恒力F F1 1 ，经过时，经过时间间t t后撤去后撤去F F1 1 ，立即再对它施加一水平向，立即再对它施加一水平向左的恒力左的恒力F F2 2 ，又经，又经t t秒后物体返

6、回到出发秒后物体返回到出发点。在这一过程中，力点。在这一过程中，力F F1 1和和F F2 2对物体做功对物体做功之比为多少？之比为多少？分析：由条件可知分析：由条件可知F F1 1 ：F F2 2 1 1：3 3而二力作用所对应的位移大小相等而二力作用所对应的位移大小相等S S1 1 S S2 2 所以二力做功所以二力做功 W W1 1 ：W W2 2 1 1：3 3小结小结1 1：n在计算功时，一定要搞清哪个力对物体在计算功时，一定要搞清哪个力对物体做功，并且力对物体做功多少只由做功，并且力对物体做功多少只由F F、S S、这三个因素决定，跟物体运动的性质无这三个因素决定，跟物体运动的性质

7、无关。关。例例3 3：n如图所示，把绳子的一端如图所示，把绳子的一端A A固定在斜面顶端，固定在斜面顶端，另一端另一端B B绕过动滑轮后，用力绕过动滑轮后，用力F F竖直向上拉竖直向上拉动，不计绳子和动滑轮的质量，且物体质动，不计绳子和动滑轮的质量，且物体质量量m=4m=4千克，拉力千克，拉力F=20F=20牛，斜面倾角牛，斜面倾角 3030，物体在拉力作用下沿斜面向上滑动，物体在拉力作用下沿斜面向上滑动2 2米，则拉力米，则拉力F F所做的功为多少焦耳？所做的功为多少焦耳？30AB60FAB60F解法一：解法一：30300 0 30300 030AB60TAB60T解法二：解法二：以物体为研

8、究对象以物体为研究对象W=T s+T s cos60W=T s+T s cos600 0而而 F=TF=T因此因此 W=FS(1+W=FS(1+cos60cos600 0 )=60J =60J小结小结2 2：n当恒力作用在不计质量的绳子上，当恒力作用在不计质量的绳子上，则恒力做的功可用力与力方向上作则恒力做的功可用力与力方向上作用点的位移来计算，也等于轻质绳用点的位移来计算，也等于轻质绳对物体做的功。对物体做的功。4.4.功率（功率（P P）：表示做功快慢的物理量）：表示做功快慢的物理量n如果如果v vt t 为瞬时速度，为瞬时速度，P Pt t F vF vt t cos cos，P Pt

9、t为力为力F F的瞬时功率。的瞬时功率。例例4 4：一个质量为一个质量为0.50.5千克的小球，从千克的小球，从1010米米高处以水平速度高处以水平速度v vo o 6m/s6m/s被抛出，小被抛出，小球运动了球运动了0.8s0.8s时，其重力的瞬时功率时，其重力的瞬时功率为多大？（不计空气阻力）为多大？（不计空气阻力）解：解：v vy ygt=10gt=100.80.88m/s8m/s 瞬时功率瞬时功率 P P mgvmgvy y=40 w=40 w 例例5 5：某同学质量为某同学质量为5050千克，他在原地以固定千克，他在原地以固定的周期连续地蹦跳，每次蹦跳有的周期连续地蹦跳，每次蹦跳有2

10、/52/5时间时间腾空，蹦跳中克服重力做功的平均功率腾空，蹦跳中克服重力做功的平均功率为为75W75W。设该同学的心跳周期和蹦跳周期。设该同学的心跳周期和蹦跳周期相同。则该同学心脏每分钟跳动的次数。相同。则该同学心脏每分钟跳动的次数。分析：设蹦跳周期（心跳周期）为分析：设蹦跳周期（心跳周期）为T TT=0.75sT=0.75s小结小结3 3：n在计算力的功率时，注意区别平在计算力的功率时，注意区别平均功率和瞬时功率，以免发生差均功率和瞬时功率，以免发生差错。错。二二 功能关系功能关系n1.1.动能定理：所有的外力（包括重力）动能定理：所有的外力（包括重力）对物体做的功对物体做的功 W W等于物

11、体动能的增量。等于物体动能的增量。当当 W0W0时，物体的动能增加；时，物体的动能增加；当当 W0W0时，物体的动能减少；时，物体的动能减少；当当 W W0 0时，物体的动能不变。时，物体的动能不变。利用动能定理解题的两大优势：利用动能定理解题的两大优势：n1 1）动能定理是标量关系式，与物体的运）动能定理是标量关系式，与物体的运动性质、运动轨迹均无关动性质、运动轨迹均无关 所以，在所以，在解决动力学问题时，它的适用范围比牛解决动力学问题时，它的适用范围比牛顿第二定律更宽泛；顿第二定律更宽泛；n2 2）可以用来解决变力做功问题。）可以用来解决变力做功问题。例例1 1：n一个人从一个人从20m2

12、0m高的楼上，以高的楼上，以10m/s10m/s的速度抛出一的速度抛出一个个0.5kg0.5kg的小球，此球落地时的速度为的小球，此球落地时的速度为20m/s20m/s。求：求：1 1）此人对球做了多少功？）此人对球做了多少功？2 2）球在下落过程中克服空气阻力做了多少功）球在下落过程中克服空气阻力做了多少功？解：解：例例2：如图所示，斜面的倾角为如图所示，斜面的倾角为，质量为，质量为m m的滑块距挡的滑块距挡板板P P为为S S。，滑块以初速度。，滑块以初速度v v。沿斜面上滑，滑块。沿斜面上滑，滑块与斜面间的滑动摩擦因数为与斜面间的滑动摩擦因数为，滑块所受摩擦力，滑块所受摩擦力小于滑块沿斜

13、面的下滑力。若滑块每次与挡板相小于滑块沿斜面的下滑力。若滑块每次与挡板相碰均无机械能损失，求滑块经过的路程。碰均无机械能损失，求滑块经过的路程。S。V。解：设滑块整个运动过程经历的路程解：设滑块整个运动过程经历的路程为为s，位移为，位移为s。p p例例3：在光滑水平地面上有一辆平板小车，车的一端放着在光滑水平地面上有一辆平板小车，车的一端放着一物体，物体与平板车的滑动摩擦系数为一物体，物体与平板车的滑动摩擦系数为，物体在，物体在水平拉力水平拉力F F作用下，从车的一端拉到另一端。第一次作用下，从车的一端拉到另一端。第一次把车固定在地面上，第二次没有固定，则下列说法中把车固定在地面上，第二次没有

14、固定，则下列说法中正确的是（正确的是（）A.A.物体所受的摩擦力一样大物体所受的摩擦力一样大 B.B.物体获得的动能一样大物体获得的动能一样大 C.C.第一次第一次F F对物体所做的功少对物体所做的功少 D.D.第二次物体获得的动能多第二次物体获得的动能多F例例3：在光滑水平地面上有一辆平板小车，车的一在光滑水平地面上有一辆平板小车，车的一端放着一物体，物体与平板车的滑动摩擦系数端放着一物体，物体与平板车的滑动摩擦系数为为，物体在水平拉力，物体在水平拉力F F作用下，从车的一端拉作用下，从车的一端拉到另一端。第一次把车固定在地面上，第二次到另一端。第一次把车固定在地面上，第二次没有固定，则下列

15、说法中正确的是（没有固定，则下列说法中正确的是（）A.A.物体所受的摩擦力一样大物体所受的摩擦力一样大 B.B.物体获得的动能一样大物体获得的动能一样大 C.C.第一次第一次F F对物体所做的功少对物体所做的功少 D.D.第二次物体获得的动能多第二次物体获得的动能多F分析：分析：ACDACD2.2.机械能守恒定律机械能守恒定律n1 1）内容：如果只有重力和弹簧弹力对物）内容：如果只有重力和弹簧弹力对物体做功，在发生动能与势能相互转化时，体做功，在发生动能与势能相互转化时，机械能的总量保持不变。机械能的总量保持不变。n2 2）表达式：）表达式：E EK1K1+E+EP1P1=E=EK2K2+E+

16、EP2P2 或或 E E1 1=E=E2 2 又或又或 E EK K=-=-E EP P 例例1 1：质量为质量为m的球的球A在通过如图所示的半径为在通过如图所示的半径为R的光滑圆轨道最高点时，对轨道的压力的光滑圆轨道最高点时，对轨道的压力是其重力的是其重力的2倍，则小球应从高倍，则小球应从高h为多少为多少的光滑轨道滚下？的光滑轨道滚下？hRBA由牛顿第二定律：由牛顿第二定律：又：又：N=2mg再由机械能守恒定律可知：再由机械能守恒定律可知：mgmgN N例例2 2：如图所示，如图所示，B B物体的质量是物体的质量是A A物体质量的物体质量的一半，在不计摩擦阻力的情况下，一半，在不计摩擦阻力的

17、情况下，A A物体物体自自H H高处由静止开始下落，且物体高处由静止开始下落，且物体B B始终在始终在水平台面上。若以地面为零势能面，当水平台面上。若以地面为零势能面，当A A物体的动能与其势能相等时，物体的动能与其势能相等时，A A物体距地物体距地面的高度是（面的高度是（）A.H/5 B.2H/5 C.4H/5 D.H/3A.H/5 B.2H/5 C.4H/5 D.H/3而而v vB B=v=vA A,mgh=,mgh=mvmvA A2 2/2/2 解：解：B BHB BA A例例3 3：如图所示，光滑圆柱体被固定在水平平台如图所示，光滑圆柱体被固定在水平平台上，质量为上，质量为m m1 1

18、的小球用轻绳跨过圆柱体与小的小球用轻绳跨过圆柱体与小球球m m2 2相连，开始时将相连，开始时将m m1 1放在平台上，两边轻放在平台上，两边轻绳竖直，绳竖直，m m1 1和和m m2 2分别由静止开始上升和下降。分别由静止开始上升和下降。当当m m1 1上升到圆柱体的最高点时，绳子突然断上升到圆柱体的最高点时，绳子突然断了，发现了，发现m m1 1恰能做平抛运动，则恰能做平抛运动，则m m2 2应为应为m m1 1的的多少倍？多少倍？m1m2解：当解：当m m1 1上升上升2R2R到达圆柱体最高点时到达圆柱体最高点时v v2 2=gR=gR ，而，而m m2 2下降下降R+R+R/2R/2由

19、系统机械能守恒：由系统机械能守恒：小结小结5 5：n1 1）只有重力对物体做功，不是只受重力）只有重力对物体做功，不是只受重力作用；作用；n2 2）对于相互作用的物体系，只有重力对）对于相互作用的物体系，只有重力对物体系做功，其它内力和外力对系统都物体系做功，其它内力和外力对系统都不做功，内力对系统做功之和为零，系不做功，内力对系统做功之和为零，系统的机械能守恒。统的机械能守恒。3.3.功能原理：功能原理：n除重力外，其它外力对物体所做除重力外，其它外力对物体所做的功等于物体机械能的变化。的功等于物体机械能的变化。例例4 4：如图所示，在减速下降的电梯中如图所示，在减速下降的电梯中的固定斜面上

20、放一滑块，若滑块保的固定斜面上放一滑块，若滑块保持相对静止，则（持相对静止，则（）A.A.斜面对滑块的弹力对滑块所做斜面对滑块的弹力对滑块所做的功等于滑块重力势能的增量；的功等于滑块重力势能的增量；B.B.斜面对滑块的摩擦力对滑块做斜面对滑块的摩擦力对滑块做负功；负功；C.C.斜面对滑块的弹力对滑块所做斜面对滑块的弹力对滑块所做的功小于滑块机械能的增量；的功小于滑块机械能的增量；D.D.滑块所受合外力对滑块所做的滑块所受合外力对滑块所做的功等于滑块机械能的增量。功等于滑块机械能的增量。avB CB C例例5 5：如图所示，物体以如图所示，物体以100J100J的初的初动能从斜面的底端向上运动，

21、动能从斜面的底端向上运动，当它通过斜面上的当它通过斜面上的M M点时，其动点时，其动能减少了能减少了80J80J，机械能减少了，机械能减少了32J32J。如果物体能从斜面上返回。如果物体能从斜面上返回底端，则物体达到底端时的动底端，则物体达到底端时的动能为（能为（）A.20J B.48J A.20J B.48J C.60J D.68J C.60J D.68JV。MA AV。M分析：物体由底部到达分析：物体由底部到达M M点点物体从物体从M M继续上升到速度为零处继续上升到速度为零处由分析可知：物体从底端滑至最高点克服摩由分析可知：物体从底端滑至最高点克服摩擦阻力做功为擦阻力做功为W Wf f=

22、40J=40J因此，整个过程中动能减小因此，整个过程中动能减小80J80J，到达底端时，到达底端时动能为动能为20J20J。例例6 6：滑块以速率滑块以速率v v1 1靠惯性沿固定斜面由底端向靠惯性沿固定斜面由底端向上运动，当它回到出发点时速率变为上运动，当它回到出发点时速率变为v v2 2 ，且，且v v2 2 vv1 1 ，若滑块向上运动的位移中点为，若滑块向上运动的位移中点为A A，取斜面，取斜面底端重力势能为零，则（底端重力势能为零，则（）A.A.上升时机械能减小，下降时机械能增大上升时机械能减小，下降时机械能增大B.B.上升时机械能减小，下降时机械能也减小上升时机械能减小，下降时机械

23、能也减小C.C.上升过程中动能和势能相等的位置在上升过程中动能和势能相等的位置在A A点上方点上方D.D.上升过程中动能和势能相等的位置在上升过程中动能和势能相等的位置在A A点下方点下方Bc分析：到达最高点到达最高点位移为位移为S动能等于势能时，动能等于势能时，位移为位移为s 小结小结6：n动能定理、机械能守恒定律和功能原理动能定理、机械能守恒定律和功能原理都是标量式，运用它们来解题都与物体都是标量式，运用它们来解题都与物体运动性质无关。由于它们使用条件不同，运动性质无关。由于它们使用条件不同，所以必须根据题意选取公式。所以必须根据题意选取公式。n用能量及其转化的观点来分析和解决问用能量及其转化的观点来分析和解决问题的方法是物理学中最重要的方法之一题的方法是物理学中最重要的方法之一,不仅在力学中，而且在热学、电磁学、不仅在力学中，而且在热学、电磁学、光学和原子物理中有着广泛的应用。光学和原子物理中有着广泛的应用。