南方新高考2019物理（广东）一轮课件：5.4功能关系·能量转化与守恒定律

第4讲 功能关系 能量转化与守恒定律 一 功和能的关系1 功是能量转化的量度 做功的过程是能量转化的过程 做了多少功 就有多少能量发生了转化 反之 转化了多少能量就说明做了多少功 2 常见的功与能的转化关系如下表所示 Ep Ep E Ek Ep E电 E分 自我检测 1 双选 惠州2013届调研 在奥运比赛项目中 高台跳水是我国运动员的强项 质量为m的跳水运动员进入水中后受到水的阻力而做减速运动 设水对他的阻力大小恒为F 在他减速下降高度为h的过程中 下列说法正确的是 g为当地的重 力加速度 A 他的重力势能减少了mgh B 他的动能减少了Fh C 他的机械能减少了 F mg hD 他的机械能减少了Fh答案 AD 2 江门2013届调研 冬奥会自由式滑雪比赛 运动员沿着山坡上的雪道从高处滑下 如图5 4 1所示 下列说法正确 的是 图5 4 1 A 雪道对雪撬的摩擦力做正功B 运动员的重力势能增大C 运动员的机械能增大D 运动员的动能增大答案 D 二 能量转化与守恒定律 转移 不变 1 内容 能量既不会凭空产生 也不会被凭空消失 它只能从一种形式转化为另一种形式 或者从一个物体 到另一个物体 而在转化或转移的过程中 能量的总量保持 2 能量转化与守恒的两种表述 1 某种形式的能减少 一定存在其他形式的能增加 且减少量等于增加量 2 某个物体的能量减少 一定存在其他物体的能量增加 且减少量等于增加量 相互转化 3 对能量转化与守恒的理解 每一种运动形式都对应一种能量形式 通过力做功 不同形式的能可以 自我检测 3 双选 惠州市2014届调研 如图K5 4 2为某城市车站的站台 为了有效地利用能量 进站和出站的轨道都与站台构成一缓坡 关于列车在进站和出站过程中能量的转化 下列说 法正确的是 图K5 4 2A 出站时列车的动能转化为势能B 进站时列车的势能转化为动能C 出站时列车的势能转化为动能D 进站时列车的动能转化为势能答案 CD 考点1 常见的功能关系及摩擦力做功的特点 重点归纳1 两种常见的功能关系表达式 1 合外力做功等于物体动能的改变 W合 Ek2 Ek1 Ek 动能定理 2 重力做功等于物体重力势能的改变 WG Ep1 Ep2 Ep 2 除了重力和弹簧弹力之外的其他力所做的总功 等于物 体机械能的改变 W其他力 E2 E1 E 功能原理 3 静摩擦力做功的特点 1 静摩擦力既可以做正功 也可以做负功 还可以不做功 2 相互作用的一对静摩擦力做功的代数和总等于零 3 静摩擦力做功时 只有机械能的相互转移 不会转化为 内能 4 滑动摩擦力做功的特点 1 滑动摩擦力既可以做正功 也可以做负功 还可以不做 功 2 相互间存在滑动摩擦力的系统内 一对滑动摩擦力做功 将产生两种可能效果 机械能全部转化为内能 一部分机械能在相互摩擦的物体间转移 另一部分机械 能转化为内能 3 摩擦生热的计算Q fs相对 典例剖析例1 电动机带动水平传送带以速度v匀速转动 一质量为m的小木块由静止轻放在传送带上 传送带足够长 若小木块与传送带之间的动摩擦因数为 如图5 4 3所示 当小木 图5 4 3 块与传送带相对静止时 求 1 小木块的位移 2 传送带转过的路程 3 小木块获得的动能 4 摩擦过程产生的热量 小木块的位移s1 t 思维点拨 摩擦力对小木块做的功对应小木块动能的增量 而传送带克服摩擦力做的功为摩擦力与传送带的对地位移的乘积 电动机所做的功应为小木块获得的动能和由于摩擦而产生的热量之和 答题规范 小木块刚放在传送带上时速度为零 受到向右的摩擦动力作用而做匀加速直线运动 与传送带共速后不再相互滑动 整个过程中木块获得一定的能量 系统要产生摩擦热 1 由牛顿第二定律 mg ma得a g 由公式v at得t v g v2 v22 g 备考策略 求解物体在传送带上运动的问题 首先要正解分析物体的运动过程 对研究对象进行受力分析 然后利用运动学公式结合牛顿第二定律 求物体及传送带在相应时间内的位移 找出物体和传送带之间的位移关系 再利用Q fs相对求摩擦热 利用功能关系求功 触类旁通 1 一木块静止在光滑水平面上 被一水平方向飞来的子弹击中 子弹进入木块的深度为2cm 木块相对于桌面移动了1cm 设木块对子弹的阻力恒定 则产生的热能和子弹损失的动能之比是多少 解 由功能关系知 摩擦产生的热能为Q fs相对子弹损失的动能等于合外力对子弹做功的负值 即 E损 fs子弹 考点2 对能量守恒定律的理解和应用 重点归纳1 对定律的理解 1 某种形式的能减少 一定存在其他形式的能增加 且减少量和增加量一定相等 2 某个物体的能量减少 一定存在其他物体的能量增加 且减少量和增加量一定相等 这是列能量守恒定律方程式的两条基本思路 2 应用定律解题的步骤 1 分清有多少形式的能 如动能 势能 包括重力势能 弹 性势能 电势能 内能等 在变化 2 明确哪种形式的能量增加 哪种形式的能量减少 并且 列出减少的能量 E减和增加的能量 E增的表达式 3 列出能量守恒关系式 E减 E增 典例剖析例2 如图5 4 4所示 某人乘雪橇沿雪坡经A点滑至B点 接着沿水平路面滑至C点停止 人与雪橇的总质量为70kg 表中记录了沿坡滑下过程中的有关数据 请根据图表中的数据 解决下列问题 取g 10m s2 图5 4 4 1 人与雪橇从A到B的过程中 损失的机械能为多少 2 设人与雪橇在BC段所受的阻力恒定 求阻力大小 思维点拨 首先根据表格中的数据计算出动能的变化量及重力势能的变化量 并进一步计算出机械能的变化量 在BC段上 可根据 v at及牛顿第二定律计算出阻力 2 人与雪橇在BC段做匀减速运动的加速度为 根据牛顿第二定律得F阻 ma 70 2 N 140N负号表示阻力方向与运动方向相反 备考策略 从能量的角度来看 功是能量转化的量度 功的正 负表示了能量的传输方向 外力对物体做正功 则外界向物体传输能量 外力对物体做负功 则物体将一部分能量向外界传输 如本例中求人与雪橇从A到B的过程中损失的机械能为多少 由能量关系可知 就是求这一过程中克服阻力做了多少功 触类旁通 2 小物块A的质量为m 物块与坡道间的动摩擦因数为 水平面光滑 坡道倾角为 顶端距水平面高度为h 物块从坡道进入水平滑道时 在底端O点处无机械能损失 重力加速度为g 将轻弹簧的一端连接在水平滑道M处并固定在墙上 另一自由端恰位于坡道的底端O点 如图5 4 5所示 物块A从坡道顶端由静止滑下 求 1 物块滑到O点时的速度大小 2 弹簧为最大压缩量d时的弹性势能 3 物块A被弹回到坡道时上升的最大高度 图5 4 5 模型 用功能关系分析传送带模型 传送带模型是高中物理中比较典型的模型 有水平和倾斜两种情况 一般设问的角度有两个 一是动力学角度 求物体在传送带上运动的时间 物体在传送带上能达到的速度 物体相对传送带滑过的位移等 运用牛顿第二定律结合运动学规律求解 二是能量的角度 求传送带对物体所做的功 物体和传送带由于相对滑动而产生的热量 因放上物体而使电动机多消耗的电能等 解决传送带系统能量转化问题的方法是 明确传送带和物体的运动情况 求出物体在传送带上的相对位移 进而求出摩擦力对系统所做的总功 明确能量分配关系 由能量守恒定律建立方程求解 1 物体与传送带相对滑动时摩擦力的总功 1 摩擦力对系统做的总功等于摩擦力对物体和传送带做 的功的代数和 即W Wf1 Wf2 fx1 fx2 f x 结论 滑动摩擦力对系统总是做负功 这个功的数值等于 摩擦力与相对位移的积 2 摩擦力对系统做的总功的物理意义是 物体与传送带相 对运动过程中系统产生的热量 即Q f x 2 传送带系统能量的分配 传送带克服外力做的功W等于外界注入到传送带系统的能量E 通常情况下 这部分能量一部分转化为被传送物体的机械能E机 一部分由于相互摩擦转化为内能 由能的转化和守恒定律得 E E机 Q或W Ek Ep Q 例3 如图5 4 6所示 水平长传送带始终以速度v 3m s匀速运动 现将一质量为m 1kg的物块轻放于左端 最终物体与传送带一起以3m s的速度运动 在物块由速度为零增加至v 3m s的过程中 求 1 由于摩擦而产生的热量 2 由于放了物块 带动传送带的电动机多消耗了多少电 能 图5 4 6 审题突破 物块做初速度为零的匀加速直线运动 传送带匀速运动 电动机输入到系统的能量一部分转化为物块的动能 一部分克服摩擦力做功转化为内能 答题规范 1 小物块刚放到传送带上时其速度为零 受到传送带向右的滑动摩擦力 使物块加速 最终与传送带达到相 同速度v 物块所受的滑动摩擦力为f mg 2 电动机多消耗的电能为物块获得的动能及系统产生的 热量之和 题外拓展 在利用传送带传送物体时 因物体与传送带间存在相对滑动而产生摩擦热 故使得动力系统要多消耗一部分能量 在计算传送带动力系统因传送物体而消耗的能量时 一定不要忘记物体在传送带上运动时因相对滑动而产生的摩擦热的计算 触类旁通 3 如图5 4 7所示 绷紧的传送带与水平面的夹