高考物理一轮复习 知识点36：功和功率（原卷版）（基础版）

第六章机械能守恒定律【机械能守恒定律的单元知识体系】知识点36：功和功率考点一：做功的判断及计算【知识思维方法技巧】（1）做功正负的判断方法：①根据F的方向与位移l的方向间的夹角α来判断：常用于恒力做功的判断。②根据F的方向与瞬时速度v的方向间的夹角α来判断：常用于曲线运动中的功。0°≤α<90°时，力对物体做正功；90°<α≤180°时，力对物体做负功；α＝90°时，力对物体不做功。③根据能量守恒或功能关系：此法常用于判断两个相联系的物体之间的相互作用力做功的判断。（2）几个结论：①无论静摩擦力还是滑动摩擦力都是既可以做正功，也可以做负功，还可以不做功．一对静摩擦力所做功的代数和总等于零，一对滑动摩擦力做功的代数和总是负值。②人行走、跑步、起跳时地面对人不做功．③一对平衡力作用在同一个物体上，若物体静止，则两个力都不做功；若物体运动，则这一对力所做的功一定是数值相等，一正一负或均为零。④一对相互作用力可以都做正功、都做负功、可以一正一负，一对相互作用力做的总功W＝Flcosα。l是相对位移，α是F与l间的夹角，一对相互作用力做的总功可正、可负，也可为零。题型一：判断某个力对物体做功【典例1基础题】(多选)质量为m的物体静止在倾角为θ的斜面上，斜面沿水平方向向右匀速移动了距离s，如图所示，物体m相对斜面静止．则下列说法正确的是()A．重力对物体m做正功B．合力对物体m做功为零C．摩擦力对物体m不做功D．支持力对物体m做正功【典例1基础题对应练习】用起重机将质量为m的物体匀速吊起一段距离，那么作用在物体上的各力做功情况应是下列说法中的哪一种()A．重力做正功，拉力做负功，合力做功为零B．重力做负功，拉力做正功，合力做正功C．重力做负功，拉力做正功，合力做功为零D．重力不做功，拉力做正功，合力做正功题型二：判断物体对物体做功【知识思维方法技巧】一个物体对另一个物体的作用力就是物体对另一个物体弹力与摩擦力的合力，以物体为对象，则物体只受重力与作用力二个力的作用，再根据加速度的方向，从而可以确定作用力的大小和方向，依据W合＝F合lcosα判断。【典例2基础题】如图所示，一光滑大圆环固定在桌面上，环面位于竖直平面内，在大圆环上套着一个小环，小环由大圆环的最高点从静止开始下滑，在小环下滑的过程中，大圆环对它的作用力()A．一直不做功B．一直做正功C．始终指向大圆环圆心D．始终背离大圆环圆心考点二：恒力做功的计算【知识思维方法技巧】恒力做功的计算公式是W＝Flcosα。L为物体对地的位移，α是力与位移方向之间的夹角。（1）计算功时要指明是哪个力的功，如机车的功实际是指牵引力的功，电流做功实际是电场力做功，电场力做功也可用W＝qU＝UIt计算。（2）物体沿斜面下滑过程中克服摩擦力做的功，与底边长有关，如图甲、乙分别从顶端A、B滑至底端C克服摩擦力做的功W1＝W2＝μmgcosθ·eq\f(L,cosθ)＝μmgL。（3）合外力做的功方法一：先求合外力F合，再用W合＝F合lcosα求功．方法二：先求各个力做的功W1、W2、W3…，再应用W合＝W1＋W2＋W3＋…求合外力做的功．方法三：利用动能定理W合＝Ek2－Ek1.题型一：某个力对物体做功的计算【典例1基础题】在一次跳绳体能测试中，一位体重约为50kg的同学，一分钟内连续跳了140下，若该同学每次跳跃的腾空时间为0.2s，重力加速度g取10m/s2，则他在这一分钟内克服重力做的功约为()A．3500JB．14000JC．1000JD．2500J【典例1基础题对应练习】如图所示，两个物体与水平地面间的动摩擦因数相等，它们的质量也相等。在甲图中用力F1拉物体，在乙图中用力F2推物体，夹角均为α，两个物体都做匀速直线运动，通过相同的位移。设F1和F2对物体所做的功分别为W1和W2，物体克服摩擦力做的功分别为W3和W4，下列判断正确的是()A．F1＝F2 B．W1＝W2C．W3＝W4 D．W1－W3＝W2－W4题型二：物体对物体做功的计算【知识思维方法技巧】物体对物体做功的计算方法：物体对物体做功就是一个物体对另一个物体作用力做功，就是物体对另一个物体弹力与摩擦力合力的功，以物体为对象，则物体只受重力与作用力二个力的作用，再根据加速度的方向，从而可以确定作用力的大小和方向，依据W合＝F合lcosα计算。【典例2基础题】如图所示，某起重机利用抓钩提升重物，当钢绳对抓钩的拉力为F＝2.02×104N时，重物由静止开始竖直向上运动，历时3s．已知抓钩的总质量为20kg，重物的质量为2×103kg，重力加速度g＝9.8m/s2，求此过程中抓钩对重物做的功．题型三：含动滑轮的细绳拉力做功的计算【知识思维方法技巧】含动滑轮的细绳拉力做功的计算方法：方法一：用W＝Flcosα求，其中l为力F作用点的位移，α为F与l之间的夹角。注意物体与力的作用点的位移、速度、作用力间的大小关系。方法二：用两段细绳拉力分别所做功的代数和求解。注意：不计摩擦和滑轮质量时，滑轮两侧细绳拉力大小相等。类型一：动滑轮两侧细绳平行模型【典例3a基础题】如图甲所示，滑轮质量、摩擦均不计，质量为2kg的物体在拉力F作用下由静止开始向上做匀加速运动，其速度随时间的变化关系如图乙所示，由此可知()A．物体加速度大小为2m/s2B．F的大小为21NC．4s内F的功为84JD．4s内F的的功为42J类型二：动滑轮两侧细绳不平行模型【典例3b基础题】一木块前端有一滑轮，轻绳的一端系在右方固定处，水平穿过滑轮，另一端用恒力F拉住，保持两股绳之间的夹角θ不变，如图所示。当用力F拉绳使木块前进位移s时，力F做的功(不计滑轮摩擦)是()A．FscosθB．Fs(1＋cosθ)C．2Fscosθ D．2Fs考点三：变力做功的计算及分析题型一：用动能定理法计算变力做功【知识思维方法技巧】动能定理是求变力做功的首选，在一个有，可用动能定理，W变＋W恒＝eq\f(1,2)mv22－eq\f(1,2)mv12，物体初、末速度已知，恒力做功W恒可根据功的公式求出，这样就可以得到W变＝eq\f(1,2)mv22－eq\f(1,2)mv12－W恒，就可以求变力做的功了．类型一：曲线运动中变力做功的计算【典例1a基础题】如图，一半径为R的半圆形轨道竖直固定放置，轨道两端等高，质量为m的质点自轨道端点P由静止开始滑下，滑到最低点Q时，对轨道的正压力为2mg，重力加速度大小为g。质点自P滑到Q的过程中，克服摩擦力所做的功为()A．eq\f(1,4)mgRB．eq\f(1,3)mgRC．eq\f(1,2)mgR D．eq\f(π,4)mgR类型二：人对物体做功的计算【典例1b基础题】在篮球比赛中，某位同学获得罚球机会，他站在罚球线处用力将篮球投出，篮球以约1m/s的速度撞击篮筐。已知篮球质量约为0.6kg，篮筐离地高度约为3m，忽略篮球受到的空气阻力，则该同学罚球时对篮球做的功大约为()A．1JB．10JC．50J D．100J【典例1b基础题对应练习】一同学将地面上一质量m＝400g的足球沿与水平方向成θ＝45°角踢出，足球与脚分开时的速度大小为10m/s，不计空气阻力，足球可看做质点，重力加速度g＝10m/s2。则该同学踢球时对足球做的功为()A．200JB．100JC．20J D．10J题型二：用结论法（微元法）计算变力做功【知识思维方法技巧】当力的大小不变，而方向始终与运动方向相同或相反时，这类力的功等于力和路程（不是位移）的乘积，如滑动摩擦力做功、空气阻力做功等。【典例2基础题】如图所示，一个人推磨，其推磨杆的力的大小始终为F，与磨杆始终垂直，作用点到轴心的距离为r，磨盘绕轴缓慢转动．则在转动一周的过程中推力F做的功为()A．0B．2πrFC．2FrD．－2πrF【典例2基础题对应练习】小明以初速度v0=10m/s竖直向上抛出一个质量m=0.1kg的小皮球，最后在抛出点接住，假设小皮球在空气中所受阻力大小为重力的0.1倍，求小皮球（1）上升的最大高度；（2）从抛出到接住的过程中重力和空气阻力所做的功；（3）上升和下降的时间。题型三：用图象法计算变力做功【知识思维方法技巧】用图象法计算变力做功的特点：（1）F－x图象：由公式W＝Fx可知，F－x图线与x坐标轴围成的面积表示力所做的功。且位于x轴上方的“面积”为正，位于x轴下方的“面积”为负，但此方法只适用于便于求图线所围面积的情况(如三角形、矩形、圆等规则的几何图形)．（2）P(功率)－t图象：由公式W＝Pt可知，P－t图线与t坐标轴围成的面积表示力所做的功。（3）p(压强)－V图像中图线与横坐标轴所围面积表示功【典例3基础题】如图所示，静止于光滑水平面上坐标原点处的小物块，在水平拉力F作用下，沿x轴方向运动，拉力F的大小随物块所在位置坐标x的变化关系如图乙所示，图线为半圆．则小物块运动到x0处时F所做的总功为()A．0B．eq\f(1,2)Fmx0C.eq\f(π,4)Fmx0 D．eq\f(π,4)xeq\o\al(2,0)【典例3基础题对应练习】轻质弹簧右端固定在墙上，左端与一质量m＝0.5kg的物块相连，如图7甲所示，弹簧处于原长状态，物块静止，物块与水平面间的动摩擦因数μ＝0.2。以物块所在处为原点，水平向右为正方向建立x轴，现对物块施加水平向右的外力F，F随x轴坐标变化的情况如图乙所示，物块运动至x＝0.4m处时速度为零，则此时弹簧的弹性势能为(g＝10m/s2)()A．3.1J B．3.5J C．1.8J D．2.0J题型四：用平均力法计算变力做功【知识思维方法技巧】若物体受到的力方向不变，而大小随位移呈线性变化，即F＝kx＋b时，则可以认为物体受到一大小为F＝eq\f(F1＋F2,2)的恒力作用，F1、F2分别为物体初、末态所受到的力，然后用公式W＝Flcosα求此力所做的功．比如弹簧由伸长x1被继续拉至伸长x2的过程中，克服弹力做功W＝eq\f(kx1＋kx2,2)·(x2－x1)【典例4基础题】（多选）如图所示，A、B质量分别为m和M，B系在固定于墙上的水平轻弹簧的另一端，并置于光滑的水平面上，弹簧的劲度系数为k，将B向右拉离平衡位置x后，无初速度释放，在以后的运动中A、B保持相对静止，则在弹簧恢复原长的过程中()A．A受到的摩擦力最大值为eq\f(mkx,M)B．A受到的摩擦力最大值为eq\f(mkx,M＋m)C．摩擦力对A做功为eq\f(mkx2,2M)D．摩擦力对A做功为eq\f(mkx2,2（M＋m）)【典例4基础题对应练习】铁锹、斧头、锄头是常用农具，其长柄多为木制。为其安装木制手柄的过程基本一致，以斧头为例对该过程进行简化：距地面一定高度，金属头在上，用手抓住手柄向下快速砸向地面，手柄碰到地面立即停止运动，反复4次，金属头“砸入”手柄的总深度为d。已知金属头所受阻力与其进入手柄的深度成正比，每次动作完全相同，全程认为斧头只有竖直方向运动。则第一次金属头“砸入”手柄的深度为（）A． B． C． D．题型五：用等效转换法计算变力做功【知识思维方法技巧】若某一变力的功和某一恒力的功相等，即效果相同，则可以通过计算该恒力做的功，求出该变力做的功，从而使问题变得简单，也就是说通过定滑轮，将变力做功转化为恒力做功，这种方法称为等效转换法．如轻绳通过定滑轮拉动物体运动过程中拉力做功的问题．【典例5基础题】某位工人师傅用如图所示的装置，将重物从地面沿竖直方向拉到楼上，在此过程中，工人师傅沿地面以速度v向右匀速直线运动，当质量为m的重物G上升高度为h时轻绳与水平方向成α角，(重力加速度大小为g，滑轮的质量和摩擦均不计)在此过程中，下列说法正确的是()A．人的速度比重物的速度小B．轻绳对重物的拉力大于重物的重力C．重物做匀速直线运动D．绳的拉力对重物做的功为mgh＋eq\f(1,2)mv2【典例5基础题对应练习】如图所示，用细绳通过定滑轮拉物体，使物体在水平面上由静止开始从A点运动到B点，已知H＝3m，m＝25kg，F＝50N恒定不变，到B点时的速度v＝2m/s，滑轮到物体间的细绳与水平方向的夹角在A、B两处分别为30°和45°。此过程中物体克服阻力所做的功为()A．50(5－3eq\r(2))JB．50(7－3eq\r(2))JC．50(3eq\r(3)－4)J D．50(3eq\r(3)－2)J题型六：圆周运动摩擦变力做功的分析【知识思维方法技巧】接触面弹力发生了变化，则滑动摩擦力大小也发生了变化，滑动摩擦力做功也发生了变化。如图小球能沿粗糙半圆周从P经最低点Q到R，由于机械能的损失，在前半程的速度（摩擦力）总是大于后半程等高处的速度（摩擦力），P到Q克服摩擦力所做的功大于Q到R克服摩擦力所做的功．【典例6基础题】如图一半径为R、粗糙程度处处相同的半圆形轨道竖直固定放置，直径POQ水平．一质量为m的质点自P点上方高度R处由静止开始下落，恰好从P点进入轨道．质点滑到轨道最低点N时，对轨道的压力为4mg，g为重力加速度的大小．用W表示质点从P点运动到N点的过程中克服摩擦力所做的功。则()A．W＝eq\f(1,2)mgR，质点恰好可以到达Q点B．W＞eq\f(1,2)mgR，质点不能到达Q点C．W＝eq\f(1,2)mgR，质点到达Q点后，继续上升一段距离D．W＜eq\f(1,2)mgR，质点到达Q点后，继续上升一段距离考点四：功率的计算及分析题型一：功率的计算【知识思维方法技巧】求解功率时应注意的三个问题：（1）首先要明确所求功率是平均功率还是瞬时功率。（2）平均功率与一段时间(或过程)相对应，计算时应明确是哪个力在哪段时间(或过程)内做功的平均功率。平均功率的计算方法：eq\o(P,\s\up6(－))＝eq\f(W,t)或eq\o(P,\s\up6(－))＝Feq\o(v,\s\up6(－))cosα，其中eq\o(v,\s\up6(－))为物体运动的平均速度。（3）瞬时功率计算时应明确是哪个力在哪个时刻(或状态)的功率。瞬时功率的计算方法：P＝Fvcosα，其中v为t时刻的瞬时速度，α是F与v的夹角。类型一：功率的计算【典例1a基础题】水平恒力F两次作用在同一静止物体上，使物体沿力的方向发生相同的位移，第一次是在光滑水平面上，第二次是在粗糙水平面上，两次力F做的功和功率的大小关系是()A.W1＝W2，P1>P2 B.W1>W2，P1＝P2C.W1>W2，P1>P2 D.W1＝W2，P1＝P2【典例1a基础题对应练习】如图所示，分别用力F1、F2、F3将质量为m的物体由静止沿同一光滑斜面以相同的加速度从斜面底端拉到斜面的顶端，在此过程中F1、F2、F3的平均功率分别为P1、P2、P3，则()A.P1＝P2＝P3 B.P1＞P2＝P3C.P3＞P2＞P1 D.P1＞P2＞P3类型二：平均功率的估算【典例1b基础题】某同学进行体能训练，用了100s时间跑上20m高的高楼，试估算他登楼时的平均功率最接近的数值是()A．10WB．100WC．1kW D．10kW【典例1b基础题对应练习】“双摇跳绳”是指每次在双脚跳起后，绳连续绕身体两周的跳绳方法。在比赛中，高三某同学1min摇轻绳240圈，跳绳过程脚与地面接触的时间约为总时间的eq\f(2,5)，则他在整个跳绳过程中克服重力做功的平均功率约为()A．15WB．60WC．120W D．300W题型二：功率的分析【典例2基础题】如图所示，细线的一端固定于O点，另一端系一小球．在水平拉力作用下，小球以恒定速率在竖直平面内由A点运动到B点．在此过程中拉力的瞬时功率的变化情况是()A．逐渐增大 B．逐渐减小C．先增大，后减小 D．先减小，后增大考点五：机车功率的问题【知识思维方法技巧】（1）机车启动问题的两种求解思路：①机车以恒定功率启动：②机车以恒定加速度启动：（2）解决机车启动问题的两点注意：①分清是匀加速启动还是恒定功率启动：匀加速启动过程中，机车功率是不断增大的，当功率达到额定功率时匀加速运动速度达到最大，但不是机车能达到的最大速度。以额定功率启动的过程中，牵引力是不断减小的，机车做加速度减小的加速运动，牵引力的最小值等于阻力。②无论哪种启动方式，最后达到最大速度时，均满足P＝Ffvm，P为机车的额定功率。题型一：机车功率的计算问题类型一：机车在水平面运动模型【典例1a基础题】(多选)某汽车质量为5t，发动机的额定功率为60kW，汽车在运动过程中所受阻力的大小恒为车重的0.1倍．若汽车以0.5m/s2的加速度由静止开始匀加速启动，经过24s，汽车达到最大速度．取重力加速度g＝10m/s2，在这个过程中，下列说法正确的是()A．汽车的最大速度为12m/sB．汽车匀加速运动的时间为24sC．汽车启动过程中的位移为120mD．4s末汽车发动机的输出功率为60kW【典例1a基础题对应练习】“复兴号”动车组用多节车厢提供动力，从而达到提速的目的．总质量为m的动车组在平直的轨道上行驶．该动车组有四节动力车厢，每节车厢发动机的额定功率均为P，若动车组所受的阻力与其速率成正比（F阻＝kv，k为常量），动车组能达到的最大速度为vm.下列说法正确的是()A.动车组在匀加速启动过程中，牵引力恒定不变B.若四节动力车厢输出功率均为额定值，则动车组从静止开始做匀加速运动C.若四节动力车厢输出的总功率为2.25P，则动车组匀速行驶的速度为eq\f(3,4)vmD.若四节动力车厢输出功率均为额定值，动车组从静止启动，经过时间t达到最大速度vm，则这一过程中该动车组克服阻力做的功为eq\f(1,2)mvm2－Pt类型二：机车在斜面运动模型【典例1b基础题】（多选）一辆质量为m的汽车在平直公路上以功率P、速度v0匀速行驶时，牵引力为F0.现汽车以恒定的功率P驶上倾角为30°的斜坡，已知汽车在斜坡上行驶时所受的摩擦阻力是在平直路面上的eq\f(3,4)，重力加速度为g，则下列说法中正确的是()A．汽车在斜坡上达到最大速度时牵引力为eq\f(3,4)F0B．汽车在斜坡上达到最大速度时牵引力为eq\f(3,4)F0＋eq\f(1,2)mgC．汽车能达到的最大速度为v0D．汽车能达到的最大速度为eq\f(4P,3F0＋2mg)【典例1b基础题对应练习】(多选)如图所示，载有防疫物资的无人驾驶小车，在水平MN段以恒定功率200W、速度5m/s匀速行驶，在斜坡PQ段以恒定功率570W、速度2m/s匀速行驶．已知小车总质量为50kg，MN＝PQ＝20m，PQ段的倾角为30°，重力加速度g取10m/s2，不计空气阻力．下列说法正确的有()A．从M到N，小车牵引力大小为40NB．从M到N，小车克服摩擦力做功800JC．从P到Q，小车重力势能增加1×104JD．从P到Q，小车克服摩擦力做功700J类型三：竖直提升重物模型【典例1c基础题】如图甲所示，用起重机将地面上静止的货物竖直向上吊起，货物由地面运动至最高点的过程中，其v－t图像如图乙所示，下列说法正确的是()A．在0～t1时间内，起重机拉力逐渐变大B．在t1～t2时间内，起重机拉力的功率保持不变C．在t1～t2时间内，货物的机械能保持不变D．在t2～t3时间内，起重机拉力对货物做负功【典例1c基础题对应练习】（多选）图甲是全球最大回转自升塔式起重机，它的开发标志着中国工程用超大吨位塔机打破长期依赖进口的局面，也意味着中国桥梁及铁路施工装备进一步迈向世界前列。该起重机某次从时刻由静止开始提升质量为的物体，其图像如图乙所示，内起重机的功率为额定功率，不计其他阻力，重力加速度为g，则以下说法正确的是（）A．该起重机的额定功率为B．该起重机的额定功率为C．和时间内牵引力做的功之比为D．和时间内牵引力做的功之比为题型二：与图像结合的机车功率的计算问题类型一：与v－t图像结合的机车启动问题【典例2a基础题】一辆小汽车在水平路面上由静止启动，在前5s内做匀加速直线运动，5s末达到额定功率，之后保持额定功率继续运动，其v­t图像如图所示。已知汽车的质量为m＝1×103kg，汽车受到地面的阻力为车重的eq\f(1,10)，则下列说法正确的是()A．汽车在前5s内的牵引力为5×102NB．汽车速度为25m/s时的加速度为5m/s2C．汽车的额定功率为100kWD．汽车的最大速度为80m/s【典例2a基础题对应练习】一辆小汽车在水平路面上由静止启动，在前5s内做匀加速直线运动，5s末达到额定功率，之后保持以额定功率运动，其v­t图像如图所示。已知汽车的质量为m＝1×103kg，汽车受到地面的阻力为车重的0.1倍，g取10m/s2，则以下说法正确的是()A．汽车在前5s内的牵引力为5×102NB．汽车速度为25m/s时的加速度为5m/s2C．汽车的额定功率为100kWD．汽车的最大速度为80m/s类型二：与a－eq\f(1,v)图像结合的机车启动问题【知识点的理解与运用】由F－Ff＝ma，P＝Fv可得：a＝eq\f(P,m)·eq\f(1,v)－eq\f(Ff,m)，则斜率k＝eq\f(P,m)；纵截距b＝－eq\f(Ff,m)；横截距eq\f(1,vm)＝eq\f(Ff,P)。【典例2b基础题】（多选）质量为400kg的赛车在平直赛道上以恒定功率加速，受到的阻力不变，其加速度a与速度的倒数eq\f(1,v)的关系如图所示，则赛车()A．速度随时间均匀增大B．加速度随时间均匀增大C．输出功率为160kWD．所受阻力大小为1600N【典例2b基础题对应练习】一辆汽车在平直的公路上以某一初速度运动，运动过程中保持恒定的牵引功率，其加速度a和速度的倒数e