北京市第四中学高考物理总复习 功能关系和能的转化与守恒定律知识讲解.doc

物理总复习：功能关系和能的转化与守恒定律 【考纲要求】1、理解力做功与能量转化的关系；2、理解能量守恒定律；3、掌握用能量守恒解题的思路、步骤和方法。【考点梳理】考点一、功能关系1、常见力做功与能量转化的对应关系（1）重力做功：重力势能和其它形式能相互转化；（2）弹簧弹力做功：动能和弹性势能相互转化；（3）滑动摩擦力做功：机械能转化为内能；（4）分子力做功：动能和分子势能相互转化；（5）电场力做功：电势能和其它形式能相互转化；（6）安培力做功：电能和机械能相互转化2、功能关系做功的过程就是能量转化的过程，做多少功就有多少某种形式的能转化为其它形式的能。功是能量转化的量度，这就是功能关系的普遍意义。要点诠释：功能关系的主要形式有以下几种：（1）合外力做功等于物体动能的增加量（动能定理），即。（2）重力做功对应重力势能的改变，重力做正功，重力势能减少；重力做负功，重力势能增加。（3）弹簧弹力做正功，弹性势能减少；弹力做负功，弹性势能增加。（4）除重力以外的其它力做的功与物体机械能的增量相对应，即除重力以外的其它力做多少正功，物体的机械能就增加多少；除重力以外的其它力做多少负功，物体的机械能就减少多少；除重力以外的其它力不做功，物体的机械能守恒。（5）电场力做功与电势能的关系，电场力做正功，电势能减少；电场力做负功，电势能增加。（6）安培力做正功，电能转化为其它形式的能；克服安培力做功，其它形式的能转化为电能。另外，在应用功能关系时应注意，搞清力对“谁”做功的问题，对“谁”做功就对应“谁”的位移，引起“谁”的能量变化。如子弹物块模型中，摩擦力对子弹的功必须用子弹的位移去解。功引起子弹动能的变化，但不能说功就是能，也不能说“功变成能”。功是能量转化的量度，可以说在能量转化的过程中功扮演着重要角色。考点二、能量守恒定律 能量既不会消灭，也不会创生，它只会从一种形式转化为其它形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而在转化和转移的过程中，能量的总量保持不变。这就是能量守恒定律。 用能量守恒解题的步骤：（1）首先分清有多少种形式的能在变化；（2）分别列出减少的能量和增加的能量；（3）列恒等式求解；【典型例题】类型一、摩擦力做功与产生内能的关系1静摩擦力做功的特点（1）静摩擦力可以做正功还可以做负功，也可能不做功；（2）在静摩擦力做功的过程中，只有机械能从一个物体转移到另一个物体，而没有机械能转化为其它形式的能量；（3）相互摩擦的系统，一对静摩擦力所做功的代数和总等于零。2滑动摩擦力做功的特点（1）滑动摩擦力可以对物体做正功，也可以做负功，还可以不做功（如相对运动的两物体之一相对地面静止，则滑动摩擦力对该物体不做功）；（2）在相互摩擦的物体系统中，一对相互作用的滑动摩擦力，对物体系统所做总功的多少与路径有关，其值是负值，等于摩擦力与相对位移的积，即，表示物体系统损失了机械能，克服了摩擦力做功， （摩擦生热）；（3）一对滑动摩擦力做功的过程中能量的转化和转移的情况：一是相互摩擦的物体通过摩擦力做功将部分机械能转移到另一个物体上，二是部分机械能转化为内能，此部分能量就是系统机械能的损失量。例如：如图所示，顶端粗糙的小车，放在光滑的水平地面上，具有一定速度的小木块由小车左端滑上小车，当木块与小车相对静止时木块相对小车的位移为d，小车相对于地面的位移为s，则滑动摩擦力对木块做的功为由动能定理得木块的动能增量为 滑动摩擦力对小车做的功为 同理，小车动能增量为 两式相加得 式表明木块和小车所组成系统的机械能的减少量等于滑动摩擦力与木块相对于小车的位移的乘积，这部分能量转化为内能。例1、如图，质量为m、长度为l的小车静止在光滑的水平面上。质量为m的小物块放在小车的最左端。现在一水平恒力f作用在小物块上，使物块从静止开始做匀加速直线运动，物块和小车之间的摩擦力为f。经过时间t，小车运动的位移为s，物块刚好滑到小车的最右端。 ( )a此时物块的动能为(ff) (s+l) b这一过程中，物块对小车所做的功为f (s+l)c这一过程中，物块和小车增加的机械能为fsd这一过程中，物块和小车产生的内能为f l。【思路点拨】力对研究对象做功，分析研究对象的位移，分析研究对象的动能发生的变化，位移是对地的。【答案】a d【解析】对物块分析，物块在水平方向上受到恒力和摩擦力的作用，在时间内的位移是，由动能定理， 因此物块动能是。a对。 物块对小车所做的功即摩擦力对小车做的功等于摩擦力乘以小车的位移，即做正功（转化为小车的动能），b错。把物块和小车看着整体，恒力做功，摩擦力做功（摩擦力乘以相对位移），所以物块和小车增加的机械能，c错。物块克服摩擦力做功大于摩擦力对小车做功，差值即为摩擦产生的内能 ，d对。正确选项为a d。【总结升华】在应用功能关系时应注意，搞清力对“谁”做功的问题，对“谁”做功就对应“谁”的位移，引起“谁”的能量变化。如a选项中，用的是摩擦力做的总功，对应的位移就是，b选项中用的是摩擦力对小车做的功，就用小车的位移。摩擦力乘以相对位移，是损失的能量，摩擦力做功转化为内能。举一反三【变式】如图所示质量为m的木块放在光滑的水平面上，质量为m的子弹以速度沿水平射入木块，并最终留在木块中与木块一起以速度运动。已知当子弹相对木块静止时，木块前进距离l，子弹进入木块的深度为。若木块对子弹的阻力为f，则下面关系中正确的是()a. b. c. d. 【答案】acd【解析】以木块为研究对象，木块的位移为l ，子弹对木块的作用力做的功等于木块动能的变化，a对。子弹相对于地面的位移为，以子弹为研究对象， ，阻力对子弹做的功等于子弹动能的变化量（动能减少），d对。将两式相加得到 ，这是阻力乘以子弹的相对位移，右边是系统机械能的减少量，即转化为内能的数值，b错c对。类型二、功能关系的应用例2、如图所示，质量为m的物体(可视为质点)以某一速度从a点冲上倾角为30的固定斜面，其运动的加速度大小为，此物体在斜面上上升的最大高度为h，则在这个过程中物体（ ）a重力势能增加了mgh b克服摩擦力做功mghc动能损失了mgh d机械能损失了 【思路点拨】已知物体运动的加速度，根据牛顿第二定律求出阻力或动摩擦因数，再应用动能定理或功能关系。【答案】cd【解析】重力势能增加了，a错。由牛顿第二定律， 求得 克服摩擦力做功，b错。d对。摩擦力（阻力）做了多少功，机械能就损失了多少，d对。损失的动能等于增加的重力势能与损失的机械能之和，c对。正确选项为cd。【总结升华】本题给的是加速度，只能通过牛顿第二定律求阻力（或相关量），再求阻力做功。举一反三【变式】如图，质量m=60kg的高山滑雪运动员，从a点由静止开始沿滑道滑下，从b点水平飞出后又落在与水平面成倾角=370的斜坡上c点已知ab两点间的高度差为h=25m，b、c两点间的距离为s=75m，(g取10m/s2 sin370=0.6)，求：(1)运动员从b点飞出时的速度的大小(2)运动员从a到b过程中克服摩擦力所做的功【答案】(1) (2) 【解析】(1)滑雪运动员从b点水平飞出后做平抛运动 解得 (2) a到b机械能不守恒，根据动能定理,重力做正功，阻力做负功 所以 或根据能量守恒定律：克服阻力做的功等于机械能的减少量（初态的机械能减去末态的机械能）。【高清课堂：功能关系和能的转化和守恒定律例2】例3、如图所示，物体以100j的初动能从斜面底端向上滑行，第一次经过p点时，它的动能比最初减少了60j，势能比最初增加了45j，可以推测如果物体从斜面返回底端出发点，末动能为（ ） a60j b50j c48j d20jp【思路点拨】分析第一次经过p点时机械能损失了多少，滑到最高点还要损失多少，即求出从开始到最高点损失的机械能，乘以2，就是总共损失的机械能，最初的动能减去损失的机械能就是题目所求。【答案】b【解析】由题意物体从斜面底端滑到p点，动能减少了60j，势能比最初增加了45j，即机械能损失了15j，剩下的40j的动能要滑到最高点还要损失x 的机械能。列出比例式 由底端到最高点损失了25j的机械能，再返回到底端还要损失25j的机械能，总共损失50j的机械能，所以剩余的动能（机械能）为100j-50j=50j。【总结升华】理解比例式的意义，就能算的又快又对。动能减少60j，机械能损失了15j；剩下的40j动能减少到零，还要损失多少j机械能。举一反三【变式】将物体以60j的初动能竖直向上抛出，当它上升到某点p时，动能减为10j，机械能损失10j，若空气阻力大小不变，则物体落回到抛出点时的动能为 ( )a36j b40jc48jd50j【答案】a【解析】损失了50j的动能，上升到最高点还要损失j的动能， 从抛出到最高点损失的机械能为10j+2j=12j,落回到抛出点还要损失12j,即一共损失24j的机械能，所以剩下的动能为。故选a 。【高清课堂：功能关系和能的转化和守恒定律例3】例4、如图所示，电动机带动绷紧的传送皮带，始终保持v0=2m/s的速度运行。传送带与水平面的夹角为300。先把质量为m=10的工件轻放在皮带的底端，经一段时间后，工件被传送到高h=2m的平台上。则在传送过程中产生的内能是_j，电动机增加消耗的电能是_j。（已知工件与传送带之间的动摩擦因数=，不计其他损耗，取g=10m/s2）300mv0h【思路点拨】在传送过程中产生的内能就是克服摩擦力做的功，求摩擦力做的功要用相对位移。电动机增加消耗的电能：传送带对工件做的功（工件动能的增加量和重力势能的增加量之和）加上克服摩擦力做的功。【答案】60j；280j；【解析】在传送过程中产生的内能就是摩擦力做的功，一开始，工件要加速运动，速度达到传送带速度以后，与传送带相对静止。加速运动时： 工件加速运动的位移： 加速的时间： （或） 传送带的位移： 摩擦力做功的相对位移： 摩擦力做功： 传送带对工件做的功等于工件动能的增加量和重力势能的增加量之和。 电动机增加消耗的电能等于以上两部分功之和 【总结升华】注重运动分析，求摩擦力做的功要用相对位移。电动机增加消耗的电能：根据能量守恒定律，一是要克服摩擦力做功，二是使物体获得动能，这里由于传送带倾斜，还有物体增加的重力势能。举一反三【变式】如图所示，由电动机带动的水平传送带以速度为v=2.0m/s匀速运行，a端上方靠近传送带料斗中装有煤，打开阀门，煤以流量为q=50kg/s落到传送带上，煤与传送带达共同速度后被运至b端，在运送煤的过程中，下列说法正确的是（ ）a电动机应增加的功率为100wb电动机应增加的功率为200wc在一分钟内因煤与传送带摩擦产生的热为6.0103jd在一分钟内因煤与传送带摩擦产生的热为1.2104j【答案】bc【解析】每秒钟煤的质量为50kg，电动机应增加的功率有两部分：一是使煤获得动能，,二是克服摩擦力做功转化为内能，其大小 （都是每秒钟增加的能量）所以电动机应增加的功率为200w。a错b对。在一分钟内因煤与传送带摩擦产生的热为 , c对d错。故选bc。例5、半径r=20 cm的竖直放置的圆轨道与平直轨道相连接，如图所示质量m=50 g的小球a以一定的初速度由直轨道向左运动，并沿圆轨道的内壁冲上去如果a经过n点时速度，a经过轨道最高点m时对轨道的压力为0.5 n，取，求：（1）小球落地点p与n之间的距离s；（2）小球从n运动到m这一段过程中阻力做的功。【思路点拨】物理过程分析：从n到m有阻力做功，物理规律用动能定理或能量守恒定律， 最高点m时对轨道的压力为已知，应用牛顿第二定律求出m点的速度，从最高点m到p做平抛运动，根据平抛运动求解。【答案】（1） （2）【解析】（1）根据牛顿第二定律，经过m时轨道对球的压力为0.5 n设小球在n点的速度为，小球在m点的速度为， 有 根据平抛运动规律有 联立方程解得 （2）小球从n到m过程，据动能定理 解得 。 【总结升华】小球从n到m过程中有阻力做功，机械能不守恒，求阻力做的功一般用动能定理，也可以利用功能关系或能量守恒定律，但列出的方程是不同的（数学形式相同，只不过是需要移项），物理意义完全不同。根据能量守恒定律列出的方程为 其物理意义是：克服阻力做的功等于机械能的减少量，就是初态具有的机械能减去末态剩余的机械能。举一反三【变式】在竖直平面内有一个粗糙的圆弧轨道，其半径r=0.4m，轨道的最低点距地面高度h=0.8m。一质量m=0.1kg的小滑块从轨道的最高点由静止释放，到达最低点时以一定的水平速度离开轨道，落地点距轨道最低点的水平距离x=0.8m。空气阻力不计，g取10m/s2，求：（1）小滑块离开轨道时的速度大小；（2）小滑块运动到轨道最低点时，对轨道的压力大小；（3）小滑块在轨道上运动的过程中，克服摩擦力所做的功。hx【答案】 (1) 2m/s (2) 2n (3) 0.2j【解析】（1）小滑块从轨道的最高点滑下，有阻力，不能根据机械能守恒定律求小滑块离开轨道时的速度大小；小滑块离开轨道后做平抛运动，水平距离、高度都已知，因此根据平抛运动求速度。水平方向： 竖直方向： 代入数据求得 （2）求小滑块对轨道的压力，根据牛顿运动定律 由牛顿第三定律知，小滑块对轨道的压力为2牛，方向竖直向下。（3）根据动能定理 所以克服摩擦力做的功 （或：根据能量守恒定律或功能关系 求解）。类型三、功能关系和能量守恒定律的综合应用例6、风能是一种环保型能源。风力发电是风吹过风轮机叶片，使发电机工作，将风的动能转化为电能。设空气的密度为，水平风速为，风力发电机每个叶片长为l，叶片旋转形成圆面，设通过该圆面的风的动能转化为电能的效率恒为。某风力发电机的风速为6 m/s时，发电机的电功率为8 kw，若风速为9m/s，则发电机的电功率为（ ）a12kwb18kwc27kwd36kw【思路点拨】对流体问题必须写出质量的表达式，本题应写出每秒钟的动能的表达式，就是功率，实际上就是写出功率的表达式，分析功率与哪些因数有关，按比例计算。【答案】c【解析】 通过空气的质量（是长度）每秒钟通过空气的质量每秒钟的动能 发电机的电功率 显然与速度的三次方成正比 解得 故选c。【总结升华】处理立体问题经常用“管道模型”（或叫“长方体模型”），面积就是圆面积（或长方体的截面积），用表示长度，进而表示出，最后表示出。举一反三【变式】某