高考复习——能量守恒和功、功率(师).doc

追寻能量守恒、功1追寻守恒量(1) 能量:简称能.物质运动的一般量度.任何物质都离不开运动,如引力运动、机械运动、分子热运动、电磁运动、化学运动、原子核与基本粒子运动.等.对运动所能作的最一般的量度就是能量,用数学的语言说,能量是物质运动状态的一个单值函数.相应于不同形式的运动,能量分为机械能、内能、电能、磁能、化学能、原子能等.当物质的运动形式发生转变时,能量形式同时发生转变.能量可以在物质之间发生传递,这种传递过程就是作功或传递热量.例如,河水冲击水力发电机作功的过程就是河水的机械能传递给发电机,并转变为电能.自然界一切过程都服从能量转化和守恒定律,物体要对外界作功,就必须消耗本身的能量或从别处得到能量的补充.因此.一个物体的能量愈大,它对外界就有可能做更多的功.(2) 机械能:物质机械运动的量度.包括动能、重力势能和弹性势能.(3) 动能:物体由于运动而具有的能量.(4) 势能:相互作用的物体凭借其位置而具有的能量.2功的概念（1）定义：一个物体受到力的作用，如果在力的方向上发生一段位移，就说这个力做了功. （2）做功的两个必要条件：a、力； b、物体在力的方向上发生位移.（3）功的单位：在国际单位制中，功的单位是焦耳，符号J，其物理意义是：1J等于1N的力使物体在力的方向上发生1m的位移时所做的功.（4）功是标量，只有大小，没有方向.（5）功是过程量，即做功必定对应一个过程（位移）应明确是哪个力在哪个过程中对哪个物体做功.3、功的计算（1）功的一般计算公式： W=Flcos （2）条件：适用于恆力所做的功 （3）字母意义：F力 l物体对地位移 F、l正方向之间的夹角4、正负功的意义 （1）根据功的计算公式W=Flcos可得到以下几种情况： 当90o时，cos0，则W0即力对物体不做功；当000，则W0，即力对物体做正功；当90o180o时，则cosW2图5-1-6CW1W2 D条件不足，无法比较W1,W24质量为m的物体，在水平力F作用下，在粗糙的水平面上运动，下列哪些说法正确（ACD ）A如果物体做加速直线运动，F一定对物体做正功B如果物体做减速直线运动，F一定对物体做负功C如果物体做减速直线运动，F也可能对物体做正功D如果物体做匀速直线运动，F一定对物体做正功5关于力对物体做功，如下说法正确的是（ B ）A滑动摩擦力对物体一定做负功 B静摩擦力对物体可能做正功C作用力的功与反作用力的功其代数和一定为零 D合外力对物体不做功，物体一定处于平衡状态6水平力F作用在质量为m的物体上沿光滑水FR图5-1-7平面移动s，F做功W1；若F作用在质量为2m的物体上，同样沿光滑水平面移动s，F做功W2；若F作用在质量为2m的物体上，沿粗糙水平面移动s，做功为W3.那么W1、W2、W3三者的大小关系是A. W1W2W3 B. W1W2W2W3 D. W1W2W3【解析】 功的两个必要因素是力和在力的方向上发生的位移.比较力的功，就是要比较做功的两个必要因素。由题意知：三种情况下，水平力F相同，沿水平面发生的位移相同，则两个必要因素都相同，所以力对物体做的功必然相同.【答案】A7如图5-1-7所示，某个力F10N作用于半径为Rlm的转盘的边缘上，力F的大小保持不变，但方向保持在任何时刻均与作用点的切线一致，则转动一周这个力F做的总功为A. 0 B. JC. 10J D. J【解析】 本题中F的大小不变，但方向时刻发生变化，属于变力做功的问题.可以考虑把圆周分割为很多的小段采研究.当各小段的弧长足够小时，可以认为力的方向与弧长代表的位移方向一致.所求的总功为：F图5-1-8【答案】B8如图5-1-8所示，滑轮和绳的质量及摩擦不计，用力F开始提升原来静止的质量为m10kg的物体，以大小为a2ms2的加速度匀加速上升，求头3s内力F做的功.(取g10ms2) 【解析】利用wFscosa求力F的功时，要注意其中的s必须是力F作用的质点的位移.可以利用等效方法求功，要分析清楚哪些力所做的功具有等效关系.物体受到两个力的作用：拉力F和重力mg，由牛顿第二定律得 所以1010+102=120N则力=60N 物体从静止开始运动，3s内的位移为=232=9m 解法一： 力F作用的质点为绳的端点，而在物体发生9m的位移的过程中，绳的端点的位移为s/2s18m，所以，力F做的功为 6018=1080J 解法二 ：本题还可用等效法求力F的功. 由于滑轮和绳的质量及摩擦均不计，所以拉力F做的功和拉力F对物体做的功相等.即1209=1080J功率基础知识回顾1.功率的概念（1）功W跟完成这些功所用的时间t的比值叫做功率.（2）物理意义：描述做功的快慢.（3）单位：在国际单位制中，功率的单位是瓦特，符号W.2.功率的计算（1）功率的计算公式（2）平均功率与瞬时功率式中当v是平均速度时，功率P是平均功率；当v是瞬时速度时，功率P是瞬时功率；其区别在于：平均功率粗略描述做功的快慢；瞬时功率精确描述做功快慢.3.机械的额定功率与实际功率 任何机械都有一个标牌，标牌上所注功率为这部机械的额定功率.它是提供人们对机械进行选择、配置的一个重要参数，它反映了机械的做功能力或机械所能承担的“任务”.机械运行过程中的功率是实际功率.机械的实际功率可以小于其额定功率(称机械没吃饱)，可以等于其额定功率(称满负荷运行)，还可以在短时间内略大于其额定功率(称超负荷运行).机械不能长时间处于超负荷运行，这样会损坏机械设备，缩短其使用寿命. 重点难点例析一、 功率的计算图5-2-11.平均功率即某一过程的功率，其计算既可用,也可用P= Fv2.瞬时功率即某一时刻的功率，其计算只能用P= Fv【例1】一个质量为m的物体，从高度为h，长度为L的光滑斜面顶端由静止开始下滑，求物体到达斜面底端时重力做功的功率？【解析】本题所求重力做功的功率，应为瞬时功率 P=mgv cos，而速度v是沿着斜面向下的.如图5-2-1，设斜面的倾角为，根据 而=（90），所以【点拨】本题主要考查对瞬时功率的计算，要求同学们对三角关系理解通彻，并且灵活运用公式 拓展从空中以40m/s的初速度沿着水平方向抛出一个重为10N的物体，不计空气阻力，取g=10m/s2，求（1）在抛出后3s内重力的功率.（2）在抛出后3s时重力的功率(设3s时未落地).【解析】 (1)3s内的功率是指平均功率，3s内重力做功，(2) 3s时的功率是指瞬时功率，应用求解，结合平抛知识得mggt=10103=300W二、机车的启动问题发动机的额定功率是指牵引力的功率，而不是合外力的功率.P=Fv中，F指的是牵引力.在P一定时，F与v成反比；在F一定时，P与v成正比.1.在额定功率下启动对车在水平方向上受力分析如图5-2-2，由公式P=Fv和F-f=ma知，由于P恒定，随着v的增大，F必将减小，a也必将减小，汽车做加速度不断减小的加速运动，直到F=f，a=0，这时v达到最大值vmt0v图5-2-3vafF图5-2-2图5-2-5mgF图5-2-4t2t1vv/0tvm图5-2-2Ffav图5-2-3v0tvm图5-2-1图5-1-1可见，恒定功率的加速一定不是匀加速这种加速过程发动机做的功只能用W=Pt计算，不能用W=Fs计算（因为F为变力）其速度图象如图5-2-3所示2.以恒定加速度a启动:vmt0v/vt1t2图5-2-4由公式P=Fv和Ff=ma知，由于a恒定，所以F恒定，汽车做匀加速运动，而随着v的增大，P也将不断增大，直到P达到额定功率Pm，功率不能再增大了这时匀加速运动结束，此时速度为，此后汽车要想继续加速就只能做恒定功率的变加速运动了，由于机车的功率不变，速度增大，牵引力减小，从而加速度也减小，直到F=f时，a=0，这时速度达到最大值.可见，恒定牵引力的加速，即匀加速运动时，功率一定不恒定.这种加速过程发动机做的功只能用W=Fs计算，不能用W=Pt计算（因为P为变功率）.其速度图象如图5-2-4所示.要注意两种加速运动过程的最大速度的区别.【例2】质量是2000kg、额定功率为80kW的汽车，在平直公路上行驶中的最大速度为20m/s.若汽车从静止开始做匀加速直线运动，加速度大小为2m/s2，运动中的阻力不变.求：汽车所受阻力的大小.3s末汽车的瞬时功率.汽车做匀加速运动的时间。汽车在匀加速运动中牵引力所做的功.【解析】 所求的是运动中的阻力，若不注意“运动中的阻力不变”，则阻力不易求出.以最大速度行驶时，根据P=Fv，可求得F=4000N.而此时牵引力和阻力大小相等. 由于3s时的速度v=at=6m/s，而牵引力由FFf=ma得F=8000N，故此时的功率为P= Fv =4.8104W. 设匀加速运动的时间为t，则t时刻的速度为v=a t=2t，这时汽车的功率为额定功率.由P=Fv，将F=8000N和v=2 t代入得t=5s. 匀加速运动阶段牵引力为恒力，牵引力所做的功【点拨】中的时间，有的学生用v=at，得t=vm/a=10s，这是错误的.要注意，汽车不是一直匀加速到最大速度的. 拓展汽车质量5t，额定功率为60kW，当汽车在水平路面上行驶时，受到的阻力是车重的0.1倍，问：（1）汽车在此路面上行驶所能达到的最大速度是多少？（2）若汽车从静止开始，保持以0.5m/s2的加速度作匀加速直线运动，这一过程能维持多长时间？ 【解析】(1) 当汽车达到最大速度时，加速度a=0，此时 由、解得(2) 汽车作匀加速运动，故F牵-mg=ma，解得F牵=7.5103N设汽车刚达到额定功率时的速度为v，则P = F牵v，得v=8m/s设汽车作匀加速运动的时间为t，则v=at得t=16s三、利用求变力做功问题如果汽车是以恒定功率起动，则牵引力是变力，发动机做功为变力做功，但抓住汽车的功率不变，由可求汽车牵引力做的功. 易错门诊【例3】卡车在平直公路上从静止开始加速行驶，经时间t前进距离s，速度达到最大值vm。设此过程中发动机功率恒为P，卡车所受阻力为f，则这段时间内，发动机所做的功为（ ）APt Bfs CPtfs Dfvmt【错解】功W=FS,卡车达到最大速度时,牵引力等于阻力,故选B.【错因】学生错误的主要原因是不清楚发动机的牵引力是变力,不能直接用功的计算公式.【正解】发动机所做的功是指牵引力的功.由于卡车以恒定功率运动，所以发动机所做的功应等于发动机的功率乘以卡车行驶的时间，A对.B项给出的是卡车克服阻力做的功，在这段时间内，牵引力的功不等于克服阻力做功，B错.C项给出的是卡车所受外力的总功.D项中，卡车以恒定功率前进，将做加速度逐渐减小的加速运动，达到最大速度时牵引力等于阻力，阻力f乘以最大速度vm是发动机的功率，再乘以t恰是发动机在t时间内做的功.故A D是正确的.课堂自主训练1.下列有关功率的说法，正确的是：A 做功越多，功率越大B 由P = W/t知P与t成反比C 功率越大，做功越快 D 完成相同的功，所花时间越短，则功率越大Fmg图5-2-5【解析】功率是描述做功快慢的物理量，物体做功越快功率越大.功率的定义是功与完成这些功所用时间之比值，比值大，功率就大，所以本题正确答案为C D.【答案】CD2.质量是2kg的物体，受到24N竖直向上的拉力，由静止开始运动，经过5s；求：5s内拉力的平均功率5s末拉力的瞬时功率（g取10m/s2）【解析】物体受力情况如图5-2-5所示，其中F为拉力，mg为重力由牛顿第二定律有 Fmg=ma解得 2m/s25s内物体的位移 =2.5m所以5s内拉力对物体做的功 W=FS=2425=600J5s内拉力的平均功率为=120W5s末拉力的瞬时功率P=Fv=Fat=2425=240W课后创新演练1汽车以恒定功率P由静止出发，沿平直路面行驶，最大速度为v，则下列判断正确的是（C ）A汽车先做匀加速运动，最后做匀速运动B汽车先做加速度越来越大的加速运动，最后做匀速运动C汽车先做加速度越来越小的加速运动，最后做匀速运动D汽车先做加速运动，再做减速运动，最后做匀速运动2物体所受到的合外力为一恒力，由静止开始运动，该力的作用时间越长，则（ACD ）A物体的瞬时速度越大B物体的瞬时加速度越大C在单位时间内对物体所做的功越多 D该力的瞬时功率越大3质量为5kg的小车在光滑的水平面上做匀加速直线运动若它在2s内从静止开始速度增加到4ms，则在这一段时间里外力对小车做功的平均功率是（ B ）A40W B20W C10W D5W4质量为5t的汽车，在水平路面上以加速度a = 2m/s2起动，所受阻力为1.0103N，汽车起动后第1秒末的即时功率是（ B ）A2kW B22kW C1.1kW D20kW5从距地面相同高度处，水平抛出两个质量相同的球A和B，抛出A球的初速为v0，抛出B球的初速为2v0，则两球运动到落地的过程中（ A ）A重力的平均功率相同，落地时重力的即时功率相同B重力的平均功率相同，落地时重力的即时功率不同C重力的平均功率不同，落地时重力的即时功率相同D重力的平均功率不同，落地时重力的即时功率不同6一列火车在功率恒定的牵引力牵引下由静止从车站出发，沿直线轨道运动，行驶5min后速度达到20m/s， 设列车所受阻力恒定，则可以判定列车在这段时间内行驶的距离（ A ）A一定大于3km B可能等于3kmC一定小于3km D条件不足， 无法确定7质量m为5.0106kg的列车以恒定不变的功