2019_2020学年高中物理第4章4动能动能定理教案教科版必修2.docx

4动能动能定理学 习 目 标知 识 脉 络(教师用书独具)1.理解动能概念，知道动能的表达式2会推导动能定理，理解动能定理的物理意义(重点)3掌握动能定理，能运用动能定理解决力学问题(重点、难点)一、动能1定义物体由于运动而具有的能量2表达式Ekmv2.(1)表达式中的速度是瞬时速度(2)动能是标量(“标量”或“矢量”)，是状态(“状态”或“过程”)量3单位与功的单位相同，国际单位为焦耳1 J1_kgm2s2.二、动能定理及其应用1动能定理的推导如图物体质量为m，在水平恒力F作用下沿光滑水平面前进位移x，速度从v1增加到v2，若物体的加速度为a，此过程下做的功为W.2动能定理的内容：合外力所做的功等于物体动能的变化3表达式(1)Wmvmv.(2)WEk2Ek1Ek.4动能定理的应用动能定理不仅适用于恒力做功和直线运动，也适用于变力做功和曲线运动1思考判断(正确的打“”，错误的打“”)(1)两个物体中，速度大的动能一定大()(2)某物体的速度加倍，它的动能也加倍()(3)做匀速圆周运动的物体的动能保持不变()(4)动能定理表达式中，等号的左边一定是合外力做的功()(5)动能定理只适用于做匀变速直线运动的物体()(6)动能的改变量指的是物体末状态的动能减初状态的动能()【提示】(1)(2)(3)(4)(5)(6)2关于动能的概念，下列说法中正确的是()A物体由于运动而具有的能叫作动能B运动物体具有的能叫动能C运动物体的质量越大，其动能一定越大D速度较大的物体，具有的动能一定较大A物体由于运动而具有的能叫动能，但是运动的物体可以具有多种能量，如重力势能，内能等，故A正确，B错误；由公式Ekmv2可知，动能既与m有关，又与v有关，C、D均错误3(多选)如图所示，在“探究合外力做功和动能变化的关系”的实验中，与小车相连的足够长的且穿过打点计时器的一条纸带上的间距明显不均匀，右端间距小，左端间距大，下面的分析和判断正确的是()A若左端与小车相连，可能平衡摩擦力时，木板倾斜度太大B若右端与小车相连，可能平衡摩擦力时，木板倾斜度太大C若左端与小车相连，可能小车有一定的初速度，实验前忘记平衡摩擦力或没有完全平衡摩擦力D若右端与小车相连，可能小车运动前忘记或没有完全平衡摩擦力BC若纸带左端与小车相连，从纸带间距可以判断小车做减速运动，小车有一定的初速度，减速原因可能是忘记或没有完全平衡摩擦力，A错误，C正确若纸带右端与小车相连，小车一直做加速运动，说明可能平衡摩擦力时，倾角太大，B正确，D错误4一个物体的速度从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()AW1W2BW12W2CW23W1 DW24W1C根据动能定理可知，W1mv2，W2m(2v)2mv2mv2，因此，W23W1，选项C正确对动能、动能定理的理解1动能的特性(1)瞬时性：动能是状态量，与物体某一时刻的速度相对应速度变化时，动能不一定变化，但动能变化时，速度一定变化(2)相对性：选取不同的参考系，物体的速度不同，动能也不同，一般以地面为参考系(3)标量性：只有大小，没有方向；只有正值，没有负值2动能定理的理解(1)等值关系：某物体的动能变化量总等于合力对它做的功(2)因果关系：合力对物体做功是引起物体动能变化的原因，合力做功的过程实际上是其他形式的能与动能相互转化的过程，转化了多少由合力做了多少功来度量3求总功的两种思路特别提醒：W为合力的功或各个外力做功的代数和，有正、负之分，注意EkEk末Ek初，顺序不可颠倒【例1】(多选)甲、乙两个质量相同的物体，用大小相等的力F分别拉它们在水平面上从静止开始运动相同的距离s.如图所示，甲在光滑面上，乙在粗糙面上，则下列关于力F对甲、乙两物体做的功和甲、乙两物体获得的动能的说法中正确的是()A力F对甲物体做功多B力F对甲、乙两个物体做的功一样多C甲物体获得的动能比乙大D甲、乙两个物体获得的动能相同BC由功的公式WFxcos Fx可知，两种情况下力F对甲、乙两个物体做的功一样多，A错误，B正确；根据动能定理 ，对甲有FxEk1，对乙有FxfxEk2，可知Ek1Ek2，即甲物体获得的动能比乙大，C正确，D错误对动能定理的理解应注意以下两点WEk2Ek1Ek(1)公式中的W是指物体所受合力的功或物体所受各力做功的代数和(2)公式中Ek的正负表示的意义：Ek0，表示动能增加；Ek0，表示动能减少；Ek0，表示动能不变1一质量为m的滑块，以速度v在光滑水平面上向左滑行，从某一时刻起，在滑块上作用一向右的水平力，经过一段时间后，滑块的速度变为2v，在这段时间内，水平力所做的功为()A.mv2Bmv2C.mv2 Dmv2A由动能定理得Wm(2v)2mv2mv2.动能定理的应用1应用动能定理的解题步骤(1)确定研究对象，通常是单个物体(2)明确运动过程，可以是运动的某段过程，也可以是运动的整个过程(3)分析受力情况及各力做功情况(4)找准对应过程的始末动能(或速度)(5)依据动能定理列式求解2用动能定理求解变力做功动能定理是求变力做功的最常用的方法，这类题目中，物体受到一个变力和几个恒力作用，这时可以先求出几个恒力所做的功，然后用动能定理间接求变力做的功，即WFW其他Ek.3动能定理在多过程问题中的应用对于包含多个运动阶段的复杂运动过程，可以选择分段或全程应用动能定理(1)分段应用动能定理时，将复杂的过程分割成一个个子过程，对每个子过程的做功情况和初、末动能进行分析，然后针对每个子过程应用动能定理列式，然后联立求解(2)全程应用动能定理时，分析整个过程中出现过的各力的做功情况，分析每个力的做功，确定整个过程中合外力做的总功，然后确定整个过程的初、末动能，针对整个过程利用动能定理列式求解(3)当题目不涉及中间量时，选择全程应用动能定理更方便，但此方法的难点在于确定整个过程的总功4动能定理与牛顿运动定律的比较牛顿运动定律动能定理相同点确定研究对象，对物体进行受力分析和运动过程分析适用条件只能研究在恒力作用下物体做直线运动对于物体在恒力或变力作用下做直线或曲线运动均适用应用方法要考虑运动过程的每一个细节，结合运动学公式解题只考虑各力的做功情况及初、末状态的动能运算方法矢量运算代数运算两种思路对比可以看出应用动能定理解题不涉及加速度、时间，不涉及矢量运算，运算简单，不易出错【例2】冰壶比赛是在水平冰面上进行的体育项目，比赛场地示意图如图所示比赛时，运动员从起滑架处推着冰壶出发，在投掷线AB处放手让冰壶以一定的速度滑出，使冰壶的停止位置尽量靠近圆心O.为使冰壶滑行得更远，运动员可以用毛刷擦冰壶运行前方的冰面，使冰壶与冰面间的动摩擦因数减小设冰壶与冰面间的动摩擦因数为10.008，用毛刷擦冰面后动摩擦因数减少至20.004.在某次比赛中，运动员使冰壶在投掷线中点处以2 m/s的速度沿虚线滑出为使冰壶能够沿虚线恰好到达圆心O点，运动员用毛刷擦冰面的长度应为多少？(g取10 m/s2)思路点拨：解答本题的思路流程：解析法一：运用动能定理求解设冰壶在未被毛刷擦过的冰面上滑行的距离为x1，所受摩擦力的大小为f1；在被毛刷擦过的冰面上滑行的距离为x2，所受摩擦力的大小为f2.则有x1x2x式中x为投掷线到圆心O的距离f11mgf22mg设冰壶的初速度为v0，由动能定理得f1x1f2x20mv联立以上各式，解得x2 m10 m.法二：运用牛顿运动定律求解设冰壶在未被毛刷擦过的冰面上滑行的距离为x1，所受摩擦力的大小为f1，此段冰壶运动的加速度为a1，此时到达C点，速度为vC.则由牛顿第二定律知f11mgf1ma1a11g0.08 m/s2vv2a1x1冰壶在被毛刷擦过的冰面上滑行的距离为x2xx1，所受摩擦力为f2，运动的加速度为a2，则f22mgf2ma2a22g0.04 m/s20v2a2(xx1)将联立得x1 m20 m则x2xx130 m20 m10 m.答案10 m动能定理、牛顿运动定律与运动学公式相结合是解决力学问题的两种重要方法，有的问题既能用牛顿运动定律与运动学公式相结合的方法解决，也能用动能定理解决.(1)通常情况下，某问题若涉及时间或过程的细节，要用牛顿运动定律与运动学公式相结合的方法去解决.(2)某问题若不考虑具体细节、状态或时间，一般要用动能定理去解决.2如图所示，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(不计斜面与平面交接处的动能损失)解析(1)物体下滑过程中只有重力做功，且重力做功与路径无关，由动能定理：mghmv2，可求得物体滑至斜面底端时速度大小为v.(2)设物体在水平面上滑行的距离为x由动能定理：mgx0mv2解得：x.答案(1)(2)研究合外力做功和动能变化的关系1实验原理如图所示由重物通过滑轮牵引小车，小车运动过程中拖动纸带，打点计时器在纸带上打点记录小车的运动情况利用纸带及拉力F与小车质量m的数据，量出起始点至各计数点的距离，计算小车在打下各计数点时的瞬时速度，进而计算出小车运动到打下各计数点过程中合外力对它做的功W以及所增加的动能Ek，研究二者的关系2实验器材长木板(一端附有滑轮)、小车、小盘、砝码若干、打点计时器、纸带、复写纸、刻度尺、细线3实验步骤(1)如图所示，把纸带的一端固定在小车后面，另一端穿过打点计时器，改变木板的倾角，让小车重力的一个分力平衡小车及纸带受到的摩擦力，使小车能做匀速运动(2)把细线系在小车上并绕过定滑轮悬挂小盘，在小盘里放入适量砝码，使小车的质量远大于砝码和小盘的总质量，小车在细线的拉力作用下做匀加速运动，由于砝码和小盘质量很小，可认为小车所受拉力F的大小等于砝码和小盘所受重力的大小(3)接通电源，放开小车，让小车拖着纸带运动，打点计时器就在纸带上打下一系列点(4)重复以上实验，选择一条点迹清晰的纸带进行数据分析，由纸带可以找到位移和时间的信息，由砝码和小盘的质量可以知道小车所受的恒力(小车质量已知)(5)由实验数据得出结论4数据处理(1)小车速度及外力做功的确定通过实验获得打点的纸带，利用“匀变速直线运动中，某段时间内的平均速度等于该段时间中间时刻的瞬时速度”这一结论计算纸带上选定的点的速度，测出小车在某段时间内的位移，然后乘以重物的重力，即得外力在该段时间内对小车做的功(2)实验的数据处理计算各数据中v2，mv2 和相应的合外力做功W的数值并填入下表编号数据物理量123456速度v2/(m2s2)动能mv2/J合外力做功W/J比较各次实验中合外力做的功和物体动能变化的数值，从而得到合外力对物体做的功和物体动能变化之间的关系5误差分析(1)没有满足砝码盘及砝码的质量远小于小车质量带来系统误差(2)未能恰好平衡摩擦力带来系统误差(3)测量长度时带来偶然误差6注意事项(1)平衡摩擦力时，不挂重物，轻推小车后，小车能做匀速直线运动(2)计算牵引力做功时，可以不必算出具体数值，只用位移的数值与符号G的乘积表示即可【例3】某实验小组采用如图所示的装置探究功与速度变化的关系，图中小车中可放置砝码，实验中，打点计时器的工作频率为50 Hz.(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(2)如图所示是钩码质量为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x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纸带的测量结果测量点x/cmv/(ms1)O0.000.35A1.510.40B3.200.45CD7.150.53E9.410.60(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：_；_.解析(1)将小车停在打点计时器附近后，需先接通电源，再释放小车，让其拖动纸带，待打点计时器在纸带上打下一系列点后，关闭打点计时器电源(2)在验证C点时，由题图可知，C点与刻度尺上的6.18 cm(6.16 cm6.20 cm均可)对齐，所以C点距O点的距离是xOC5.18 cm(5.16 cm5.20 cm均可)从纸带上可知C点的速度就是BD段的平均速度，vC102 m/s0.49 m/s.(3)平衡摩擦力后，细线上的拉力就等于小车受到的合外力当钩码的重力远小于小车及砝码的重力和时，细线上的拉力就近似等于钩码的重力答案(1)先接通电源再释放小车关闭打点计时器电源(2)5.18(5.165.20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3某同学为探究“恒力做功与物体动能改变的关系”，设计了如下实验，他的操作步骤是：连接好实验装置如图所示将质量为200 g的小车拉到打点计时器附近，并按住小车在质量为10 g、30 g、50 g的三种钩码中，他挑选了一个质量为50 g的钩码挂在拉线的挂钩P上释放小车，接通打点计时器的电源，打出一条纸带(1)在多次重复实验得到的纸带中取出自认为满意的一条经测量、计算，得到如下数据：第一个点到第N个点的距离为40.0 cm.打下第N个点时小车的速度大小为1.00 m/s.该同学将钩码的重力当做小车所受的拉力，拉力对小车做的功为_J，小车动能的增量为_J.(2)此次实验探究结果，他没能得到“恒力对物体做的功等于物体动能的增量”，且误差很大，显然，在实验探究过程中忽视了各种产生误差的的因素请你根据该同学的实验装置和操作过程帮助他分析一下，造成较大误差的主要原因有：_.(至少写出两条原因)解析(1)拉力Fmg0.0509.8 N0.49 N，拉力对小车做的功WFx0.490.400 J0.196 J小车动能的增量Ekmv20.2001.002 J0.100 J.(2)误差很大的可能原因：小车质量不满足远大于钩码质量；没有平衡摩擦力；先放小车后接通电源，使打第一个点时，小车已有了一定的初速度答案(1)0.1960.100(2)小车质量没有远大于钩码质量；没有平衡摩擦力；操作错误：先放小车后接通电源(任选其二)1关于物体的动能，下列说法中正确的是()A一个物体的动能可能小于零B一个物体的动能与参考系的选取无关C动能相同的物体速度一定相同D两质量相同的物体，若动能相同，其速度不一定相同D由公式Ekmv2知动能不会小于零，故A错；因v的大小与参考系的选取有关，故动能的大小也应与参考系的选取有关，故B错；动能是标量，速度是矢量，故D对，C错2在探究“合外力做功和动能变化的关系”实验中作出的下列Wv2图像，符合实际的是 ()ABCDB实验证明，力做的功W与物体速度v的二次方成正比，即Wv2，故作