中职物理 第2章

第2章功和能签到扫码下载文旌课堂APP扫码签到（2022.3.2515:00至2022.3.2515:10）签到方式教师通过“文旌课堂APP”生成签到二维码，并设置签到时间，学生通过“文旌课堂APP”扫描“签到二维码”进行签到。。本章导读3人类的生活离不开能量。能量有不同的形式，如电能、化学能、太阳能、核能、机械能等，工厂需要电能，交通运输工具需要化学能，植物生长需要太阳能……本章主要介绍机械能的相关知识。学习目标 理解功和功率的概念，能用公式计算功和功率。 理解动能的概念，掌握动能定理。 了解重力势能和弹性势能的概念及特点，掌握机械能守恒定律并能进行简单计算。目录Contents2.1功与功率2.2动能定理2.3机械能守恒定律及其应用2.1功与功率2.1功与功率2.1.1功1．功的概念一个物体受到力的作用，并且在力的作用下产生了位移，我们就说这个力对物体做了功。作用在物体上的力和物体在力的作用下产生的位移，是力做功不可缺少的两个因素。例如，如下图所示一个人推汽车，汽车没有被推动，没有发生位移，因此人对汽车没有做功。力学中规定，如果力的方向与物体的运动方向一致，功就等于力的大小和位移大小的乘积。如果用F表示力的大小，用s表示位移的大小，那么该力对物体所做的功W就可以表示为2.1功与功率2．功的计算功是标量，单位是焦耳，简称焦，用符号J表示。1J表示1N的力使物体在力的方向上发生1m的位移所做的功。2.1功与功率在实际生活中，物体的运动方向并不总是与力的方向相同，而是与力成一定的角度，如下图所示。那么，这种情况下该如何计算这个力做的功呢？2.1功与功率在这种情况下，我们通常把力分解成与位移方向一致的分力和与位移方向垂直的分力，如下图所示。2.1功与功率在物体向右发生位移s的过程中，由于分力与位移垂直，物体在方向没有发生位移，因此分力所做的功为0；分力所做的功W等于，而，因此有这就是说，力对物体所做的功等于力的大小、位移的大小、力和位移间夹角的余弦三者的乘积。2.1功与功率当时，，，力的方向和位移的方向相同，力对物体做正功。当

时，

，W为正值，力对物体做正功。当时，，，力和位移方向垂直，力对物体不做功。当

时，

，W为负值，力对物体做负功。当时，，，力和位移方向相反，力对物体做负功。功是标量，没有方向，但有正负，其运算遵循代数运算法则。3．正功和负功2.1功与功率功是标量，功的正负并不表示功有方向，而是代表“谁对谁做功”。一个力对物体做负功，也可以说成物体克服这个力做了正功。2.1功与功率2.1.2功率1．功率的概念一个人分两次爬同一段楼梯，慢慢走上去和快速跑上去做的功是一样的，但是所用的时间不同，即做功的快慢不同。那么，我们如何描述做功的快慢呢？在物理学中，用功率来表示做功的快慢。一个力对物体所做的功W跟做这些功所用时间t的比值，叫作功率。若用P表示功率，则有2.1功与功率功率是标量，它的单位是瓦特，简称瓦，用符号W来表示。单位瓦比较小，在生活中，我们常用千瓦作为功率的单位，写作kW，。日常见到的各种机械上都标有额定功率。额定功率就是机械正常工作时所能达到的最大输出功率，但是，机械实际工作时的输出功率往往小于额定功率。例如，某汽车内燃机的额定功率是100kW，但在平直公路上低速行驶时，其实际输出功率可能只有20kW左右，而上坡时的输出功率虽然会大于20kW，但也远远小于100kW。2.1功与功率有些机械采用马力作为功率的单位。1马力735W。马力不是国际单位制的单位，现在已经很少使用。2.1功与功率2．功率的计算生活中我们有这样的经验，功率大的轿车比功率小的轿车跑得快，功率大的起重机比功率小的起重机牵引力大。这说明速度和牵引力都与功率有关，那么它们之间存在着怎样的关系呢？把代入功率的公式，可得到，而，因此有从上述公式可以看出，当汽车发动机的输出功率一定时，汽车的速度和牵引力成反比，若要增大牵引力就要减小速度。2.1功与功率由于发动机的功率不能无限制的增大，因此，汽车上坡时，司机要通过换挡来降低速度，以获得较大的牵引力；而在平直的公路上行驶，汽车需要的牵引力较小，就可以使用高速挡获得高速。然而，在发动机输出功率一定时，通过减小速度提高牵引力或者通过减小牵引力来提高速度，效果都是有限的。因此，如果既要保证一定的速度又要有足够大的牵引力，就需要较高输出功率的发动机。例如，公路上行驶的大排量汽车很容易超越小排量汽车，因为排量越大的汽车，发动机的输出功率就越大，就越容易使汽车获得更高的速度。2.1功与功率课后实践请在课后选择一处周围环境比较开阔的台阶，先测量好一段台阶的竖直高度，在确保安全的前提下，用不同的速度冲上这段台阶，在旁人的帮助下收集相关数据，计算冲上台阶所做的功及功率。与同学进行交流，比较彼此冲上台阶所做的功和功率的大小，并分析结果不同的原因。2.2动能定理2.2动能定理一个物体能够对外做功，就说明它具有能量，简称能。例如，流动的河水能够推动水车，说明流动的河水具有能量；风能够推动风车转动，说明风具有能量。2.2动能定理演示实验2-1探究动能与物体质量、速度的关系如下图所示，让小球A从光滑的导轨上滑下，撞击静止在水平面上的小球B，推动小球B运动，即小球A对小球B做了功。2.2动能定理（1）让小球A从不同高度滑下，可以发现，小球A的初始高度越高，到达水平面的速度就越快，小球B被撞击得越远，即A对B做功越多。（2）增大小球A的质量，使其从同一高度滑下。可以看出，小球A从同一高度滑至水平面的速度一样，但小球A的质量越大，小球B被撞击得越远，A对B做功越多。2.2动能定理2.2.1动能物体由于运动而具有的能量叫作动能。那么，动能的大小跟哪些因素有关呢？实验表明，物体的质量越大，速度越大，它的动能就越大。在物理学中，用符号表示物体的动能。一个质量为的物体，以速度运动时的动能为动能是标量，它的单位与功的单位相同，都是焦（耳），符号为J。2.2动能定理尝试用手接住别人抛过来的篮球，体会不同速度的篮球所具有的动能。2.2动能定理2.2.2动能定理具有动能的物体可以对外界做功，但这会导致物体的动能发生变化。那么做功与物体的动能有何关系呢？如下图所示，有一个质量为m的物体，初速度是，在一个与运动方向相同的恒力F的作用下发生了一段水平位移s，物体的末速度变为。2.2动能定理在这一过程中，外力对物体做了功W，这使物体的动能发生了变化。外力F所做的功可表示为又根据牛顿第二定律而综上即可得到即力在一个过程中对物体所做的功等于物体在这个过程中动能的变化，这个结论就叫作动能定理。2.2动能定理为什么骑自行车比行走和跑步感觉更轻松？请用动能定理进行解释。2.2动能定理由动能定理可知，当合外力对物体做正功时，物体的动能就增加；当合外力对物体做负功时，物体的动能就减小；当合外力做功为0或者没有力做功时，物体的动能不变。利用动能定理可以解释交通中的许多规定，例如，高速公路上都有限制车速的要求，这是因为公路上行驶的汽车发生意外碰撞是能量释放的过程，碰撞前车辆的动能大小决定了事故的严重程度，而车辆的动能取决于车辆的质量和速度的平方。因此，限制车速能有效控制事故的严重程度。2.2动能定理又如，司机在行驶中发现前方突发事件会紧急刹车，汽车从司机决定刹车到完全停止的这段时间内行驶的距离称为刹车距离。刹车距离由反应距离和制动距离两部分组成。反应距离反应距离是指从司机决定刹车到制动器开始起作用这段时间内汽车所行驶的距离，它由反应时间和车速决定制动距离制动距离是指制动器起作用后汽车经历减速直到停止的过程中所行驶的距离，它主要由汽车的制动性能决定。2.2动能定理假设轮胎与路面之间的动摩擦因数为0.8，则不同车速的刹车距离如表2-1所示。因此，为了安全起见，司机在开车时必须与前面的车辆保持一定的距离，防止发生追尾事故。2.2动能定理课后实践请在课后通过实验或查阅资料，收集自行车制动距离与自行车车速关系的数据，并尝试用动能定理进行解释。与同学进行交流，分享彼此的研究成果，并解决彼此的疑惑。2.3机械能守恒定律及其应用2.3机械能守恒定律及其应用动能和势能统称为机械能，通常用E来表示。重力或弹力对物体做功，机械能可以从一种形式转化为另一种形式。2.3.1势能势能分为重力势能和弹性势能。1．重力势能在物理学中，物体由于被举高而具有的能量叫作重力势能。我们知道动能与物体的质量和速度有关，那么，物体的重力势能又和什么因素有关呢？2.3机械能守恒定律及其应用演示实验2-2探究物体的重力势能与其质量、高度的关系如下所示，在一个透明的玻璃容器内装满沙子，准备不同质量的铁球。尝试将铁球从某一高度释放，探究铁球落入沙子中的深度。（1）将同一个铁球从不同高度释放，观察铁球落入沙子中的深度。可以发现，铁球的释放高度越高，铁球落入沙子中的深度就越深。（2）将不同质量的铁球从同一高度释放，观察铁球落入沙子中的深度。可以发现，质量越大的铁球落入沙子中的深度越深。2.3机械能守恒定律及其应用2.3机械能守恒定律及其应用在确保安全的前提下，尝试用手接住从不同高度由静止开始落下的小沙包、网球等轻软物体，体会不同高度的物体所具有重力势能的大小。2.3机械能守恒定律及其应用分析表明，物体所处的位置越高、质量越大，其重力势能就越大。若物体质量为m，距地面高度为h，用表示物体在h高度的重力势能，则有重力势能也是标量，其单位与功的单位相同，都写作J。从上述公式可以看出，物体距地面越高，重力势能越大；反之，重力势能越小。2.3机械能守恒定律及其应用高度是一个相对的量，所以物体的重力势能也是相对量。在进行计算时，应选定一个参考平面，在这个参考平面上，物体的重力势能取值为0，也称为零势能面（通常选择地面为零势能面）。对于选定的参考平面而言，参考平面上方物体的高度是正值，重力势能也是正值；参考平面下方物体的高度是负值，重力势能也是负值。这里的负值只是表示物体在这个位置的重力势能小于物体在参考平面上的重力势能。2.3机械能守恒定律及其应用【例题5】某建筑工地使用的打桩机，在工作过程中需要将质量为300kg的重锤举到距地面20m高的地方，那么重锤此时的重力势能是多少？下落到距地面15m高时，其重力势能减少了多少？落到地面之后，其重力势能是多少？（）解：在20m高处，重锤的重力势能为

重锤下落到15m高时，其减少的重力势能为

重锤落到地面时，由于高度为0，所以重力势能为

2.3机械能守恒定律及其应用2．弹性势能上紧的钟表发条逐渐放开时，能带动钟表机件走动；击球的球拍变形后为了恢复原状，能把球击起，这说明上紧的发条和变形的球拍都具有能量。这种由于物体发生弹性形变所具有的势能叫作弹性势能。那么，弹性势能的大小与哪些因素有关呢？2.3机械能守恒定律及其应用演示实验2-3探究影响弹性势能的因素如下图所示，将一根原长的弹簧右端从点A拉到点B，弹簧伸长了x。根据胡克定律：在弹性限度内，力越大，x越长。换用不同型号的弹簧，尽管拉伸量也是x，但所用的力却不一样。2.3机械能守恒定律及其应用上述实验表明，在弹性限度内，弹簧的弹性势能与弹簧的形变程度有关，形变程度越大，弹性势能越大；另外，弹性势能还与弹簧自身的弹性强度有关，弹性强度越大，单位形变产生的弹力越大。我们把物体发生单位形变量所产生的弹力大小叫作劲度系数或弹性系数，用符号k表示。因此，弹性势能可以量化为其中，k为劲度系数，x为形变量。2.3机械能守恒定律及其应用2.3.2机械能守恒定律1．动能和重力势能的相互转化在自由落体过程中，重力对物体做正功，物体的高度下降，其重力势能减少；与此同时，物体的速度越来越大，物体的动能增加。这说明，重力做正功时，物体的重力势能转化为了动能。竖直向上抛出一个小球，小球在上升过程中，重力做负功，其速度越来越小，动能减小；而它的高度增加，其重力势能在增加。这说明，重力做负功时，物体的动能转化为了重力势能。2.3机械能守恒定律及其应用2．机械能守恒定律演示实验2-4观察动能与势能的相互转化如下图所示，将一个小球用细线悬挂起来，小球从A点由静止开始释放，小球就会摆向另一端的B点。通过测量可以发现，B点与A点的高度相同。如果用尺子在P点挡住摆线，小球会摆到