
考點(diǎn)一 動能定理的理解和基本應(yīng)用
1.動能
(1)定義:物體由于運(yùn)動而具有的能量叫作動能.
(2)公式:Ek=eq \f(1,2)mv2,單位:焦耳(J).1 J=1 N·m=1 kg·m2/s2.
(3)動能是標(biāo)量、狀態(tài)量.
2.動能定理
(1)內(nèi)容:力在一個過程中對物體做的功,等于物體在這個過程中動能的變化.
(2)表達(dá)式:W=ΔEk=Ek2-Ek1=eq \f(1,2)mv22-eq \f(1,2)mv12.
(3)物理意義:合力做的功是物體動能變化的量度.
1.如果物體所受的合外力為零,那么合外力對物體做功一定為零.( √ )
2.物體在合外力作用下做變速運(yùn)動時,動能一定變化.( × )
3.物體的動能不變,所受的合外力必定為零.( × )
4.合力對物體做正功,物體的動能增加;合力對物體做負(fù)功,物體的動能減少.( √ )
1.適用條件
(1)動能定理既適用于直線運(yùn)動,也適用于曲線運(yùn)動.
(2)動能定理既適用于恒力做功,也適用于變力做功.
(3)力可以是各種性質(zhì)的力,既可以同時作用,也可以分階段作用.
2.解題流程
3.動能定理的優(yōu)越性
應(yīng)用牛頓第二定律和運(yùn)動學(xué)規(guī)律解題時,涉及到的有關(guān)物理量比較多,對運(yùn)動過程的細(xì)節(jié)也要仔細(xì)研究,而應(yīng)用動能定理解題只需考慮外力做功和初、末兩個狀態(tài)的動能,并且可以把不同的運(yùn)動過程合并為一個全過程來處理.一般情況下,由牛頓第二定律和運(yùn)動學(xué)規(guī)律能夠解決的問題,用動能定理也可以求解,并且更為簡捷.
4.注意事項(xiàng)
(1)動能定理中的位移和速度必須是相對于同一個參考系的,一般以地面或相對地面靜止的物體為參考系.
(2)當(dāng)物體的運(yùn)動包含多個不同過程時,可分段應(yīng)用動能定理求解;也可以全過程應(yīng)用動能定理求解.
(3)動能是標(biāo)量,動能定理是標(biāo)量式,解題時不能分解動能.
考向1 動能定理的理解
例1 (多選)關(guān)于動能定理的表達(dá)式W=Ek2-Ek1,下列說法正確的是( )
A.公式中的W為不包含重力的其他力做的總功
B.公式中的W為包含重力在內(nèi)的所有力做的總功,也可通過以下兩種方式計(jì)算:先求每個力的功,再求功的代數(shù)和,或先求合力,再求合力的功
C.公式中的Ek2-Ek1為動能的變化量,當(dāng)W>0時,動能增加,當(dāng)WΔEk,A項(xiàng)正確,B項(xiàng)錯誤;W克摩與ΔEk的大小關(guān)系不確定,C、D項(xiàng)錯誤.
考向2 動能定理的簡單計(jì)算
例3 如圖所示,物體在距斜面底端5 m處由靜止開始下滑,然后滑上與斜面平滑連接的水平面,若物體與斜面及水平面間的動摩擦因數(shù)均為0.4,斜面傾角為37°.求物體能在水平面上滑行的距離.(sin 37°=0.6,cs 37°=0.8)
答案 3.5 m
解析 對物體在斜面上和水平面上受力分析如圖所示
方法一 分過程列方程:設(shè)物體滑到斜面底端時的速度為v,物體下滑階段
FN1=mgcs 37°,
故Ff1=μFN1=μmgcs 37°,
由動能定理得:
mgsin 37°·l1-μmgcs 37°·l1=eq \f(1,2)mv2-0
設(shè)物體在水平面上滑行的距離為l2,
摩擦力Ff2=μFN2=μmg
由動能定理得:-μmgl2=0-eq \f(1,2)mv2
聯(lián)立以上各式可得l2=3.5 m.
方法二 對全過程由動能定理列方程:
mgl1sin 37°-μmgcs 37°·l1-μmgl2=0
解得:l2=3.5 m.
例4 如圖所示,粗糙水平地面AB與半徑R=0.4 m的光滑半圓軌道BCD相連接,且在同一豎直平面內(nèi),O是BCD的圓心,BOD在同一豎直線上.質(zhì)量m=1 kg的小物塊在9 N的水平恒力F的作用下,從A點(diǎn)由靜止開始做勻加速直線運(yùn)動.已知xAB=5 m,小物塊與水平地面間的動摩擦因數(shù)為μ=0.1,當(dāng)小物塊運(yùn)動到B點(diǎn)時撤去力F,取重力加速度g=10 m/s2,求:
(1)小物塊到達(dá)B點(diǎn)時速度的大小;
(2)小物塊運(yùn)動到D點(diǎn)時,軌道對小物塊作用力的大小.
答案 (1)4eq \r(5) m/s (2)150 N
解析 (1)從A到B過程,據(jù)動能定理可得
(F-μmg)xAB=eq \f(1,2)mvB2
解得小物塊到達(dá)B點(diǎn)時速度的大小為
vB=4eq \r(5) m/s
(2)從B到D過程,據(jù)動能定理可得
-mg·2R=eq \f(1,2)mvD2-eq \f(1,2)mvB2
在D點(diǎn)由牛頓第二定律可得
FN+mg=meq \f(vD2,R)
聯(lián)立解得小物塊運(yùn)動到D點(diǎn)時,軌道對小物塊作用力的大小為FN=150 N.
考點(diǎn)二 應(yīng)用動能定理求變力做功
在一個有變力做功的過程中,當(dāng)變力做功無法直接通過功的公式求解時,可用動能定理,W變+W恒=eq \f(1,2)mv22-eq \f(1,2)mv12,物體初、末速度已知,恒力做功W恒可根據(jù)功的公式求出,這樣就可以得到W變=eq \f(1,2)mv22-eq \f(1,2)mv12-W恒,就可以求變力做的功了.
例5 質(zhì)量為m的物體以初速度v0沿水平面向左開始運(yùn)動,起始點(diǎn)A與一輕彈簧O端相距s,如圖所示.已知物體與水平面間的動摩擦因數(shù)為μ,物體與彈簧相碰后,彈簧的最大壓縮量為x,則從開始碰撞到彈簧被壓縮至最短,物體克服彈簧彈力所做的功為(重力加速度大小為g)( )
A.eq \f(1,2)mv02-μmg(s+x) B.eq \f(1,2)mv02-μmgx
C.μmgs D.μmg(s+x)
答案 A
解析 根據(jù)功的定義式可知物體克服摩擦力做功為Wf=μmg(s+x),由動能定理可得-W彈-Wf=0-eq \f(1,2)mv02,則W彈=eq \f(1,2)mv02-μmg(s+x),故選項(xiàng)A正確.
例6 如圖所示,一半徑為R的半圓形軌道豎直固定放置,軌道兩端等高,質(zhì)量為m的質(zhì)點(diǎn)自軌道端點(diǎn)P由靜止開始滑下,滑到最低點(diǎn)Q時,對軌道的壓力為2mg,重力加速度大小為g.質(zhì)點(diǎn)自P滑到Q的過程中,克服摩擦力所做的功為( )
A.eq \f(1,4)mgR B.eq \f(1,3)mgR
C.eq \f(1,2)mgR D.eq \f(π,4)mgR
答案 C
解析 在Q點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)受到的豎直向下的重力和豎直向上的支持力的合力充當(dāng)向心力,所以有FN-mg=meq \f(v2,R),F(xiàn)N=FN′=2mg,聯(lián)立解得v=eq \r(gR),下滑過程中,根據(jù)動能定理可得mgR+Wf=eq \f(1,2)mv2,解得Wf=-eq \f(1,2)mgR,所以克服摩擦力做功eq \f(1,2)mgR,選項(xiàng)C正確.
考點(diǎn)三 動能定理與圖像問題的結(jié)合
1.解決圖像問題的基本步驟
(1)觀察題目給出的圖像,弄清縱坐標(biāo)、橫坐標(biāo)所對應(yīng)的物理量及圖線所表示的物理意義.
(2)根據(jù)物理規(guī)律推導(dǎo)出縱坐標(biāo)與橫坐標(biāo)所對應(yīng)的物理量間的函數(shù)關(guān)系式.
(3)將推導(dǎo)出的物理規(guī)律與數(shù)學(xué)上與之相對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)關(guān)系式相對比,找出圖線的斜率、截距、圖線的交點(diǎn)、圖與坐標(biāo)軸圍成的面積等所表示的物理意義,分析解答問題,或者利用函數(shù)圖線上的特定值代入函數(shù)關(guān)系式求物理量.
2.圖像所圍“面積”和圖像斜率的含義
考向1 Ek-x(W-x)圖像問題
例7 (2019·全國卷Ⅲ·17)從地面豎直向上拋出一物體,物體在運(yùn)動過程中除受到重力外,還受到一大小不變、方向始終與運(yùn)動方向相反的外力作用.距地面高度h在3 m以內(nèi)時,物體上升、下落過程中動能Ek隨h的變化如圖所示.重力加速度取10 m/s2.該物體的質(zhì)量為( )
A.2 kg B.1.5 kg C.1 kg D.0.5 kg
答案 C
解析 法一:特殊值法
畫出運(yùn)動示意圖.
設(shè)該外力的大小為F,據(jù)動能定理知
A→B(上升過程):-(mg+F)h=EkB-EkA
B→A(下落過程):(mg-F)h=EkA′-EkB′
整理以上兩式并代入數(shù)據(jù)得物體的質(zhì)量m=1 kg,選項(xiàng)C正確.
法二:寫表達(dá)式根據(jù)斜率求解
上升過程:-(mg+F)h=Ek-Ek0,
則Ek=-(mg+F)h+Ek0
下落過程:(mg-F)h=Ek′-Ek0′,
則Ek′=(mg-F)h+Ek0′,
結(jié)合題圖可知mg+F=eq \f(72-36,3-0) N=12 N,
mg-F=eq \f(48-24,3-0) N=8 N
聯(lián)立可得m=1 kg,選項(xiàng)C正確.
考向2 F-x圖像與動能定理的結(jié)合
例8 (多選)在某一粗糙的水平面上,一質(zhì)量為2 kg的物體在水平恒定拉力的作用下做勻速直線運(yùn)動,當(dāng)運(yùn)動一段時間后,拉力逐漸減小,且當(dāng)拉力減小到零時,物體剛好停止運(yùn)動,圖中給出了拉力隨位移變化的關(guān)系圖像.已知重力加速度g取10 m/s2.根據(jù)以上信息能精確得出或估算得出的物理量有( )
A.物體與水平面間的動摩擦因數(shù)
B.合外力對物體所做的功
C.物體做勻速運(yùn)動時的速度
D.物體運(yùn)動的時間
答案 ABC
解析 物體做勻速直線運(yùn)動時,受力平衡,拉力F0與滑動摩擦力Ff大小相等,物體與水平面間的動摩擦因數(shù)為μ=eq \f(F0,mg)=0.35,A正確;減速過程由動能定理得WF+Wf=0-eq \f(1,2)mv2,根據(jù)F-x圖像中圖線與坐標(biāo)軸圍成的面積可以估算力F做的功WF,而Wf=-μmgx,由此可求得合外力對物體所做的功,及物體做勻速運(yùn)動時的速度v,B、C正確;因?yàn)槲矬w做變加速運(yùn)動,所以運(yùn)動時間無法求出,D錯誤.
考向3 其他圖像與動能定理的結(jié)合
例9 (2018·江蘇卷·4)從地面豎直向上拋出一只小球,小球運(yùn)動一段時間后落回地面.忽略空氣阻力,該過程中小球的動能Ek與時間t的關(guān)系圖像是( )
答案 A
解析 小球做豎直上拋運(yùn)動,設(shè)初速度為v0,則v=v0-gt
小球的動能Ek=eq \f(1,2)mv2,把速度v代入得
Ek=eq \f(1,2)mg2t2-mgv0t+eq \f(1,2)mv02,
Ek與t為二次函數(shù)關(guān)系,故A正確.
例10 (多選)放在粗糙水平地面上質(zhì)量為0.8 kg的物體受到水平拉力的作用,在0~6 s內(nèi)其速度與時間的關(guān)系圖像和該拉力的功率與時間的關(guān)系圖像分別如圖甲、乙所示.下列說法中正確的是(g取10 m/s2)( )
A.0~6 s內(nèi)拉力做的功為140 J
B.物體在0~2 s內(nèi)所受的拉力為4 N
C.物體與粗糙水平地面間的動摩擦因數(shù)為0.5
D.合外力在0~6 s內(nèi)做的功與0~2 s內(nèi)做的功相等
答案 AD
解析 由P=Fv可知,物體在0~2 s內(nèi)所受的拉力F=eq \f(P,v)=eq \f(60,10) N=6 N,在2~6 s內(nèi)所受的拉力F′=eq \f(P′,v′)=eq \f(20,10) N=2 N,B錯誤;拉力在0~6 s內(nèi)做的總功W=Fx1+F′x2=6×eq \f(10,2)×2 J+2×10×4 J=140 J,A正確;由物體在2~6 s內(nèi)做勻速運(yùn)動可知,F(xiàn)′=μmg,可求得μ=0.25,C錯誤;由動能定理可知,物體所受的合外力在0~6 s內(nèi)所做的功與0~2 s內(nèi)所做的功均為eq \f(1,2)mv2=40 J,D正確.
課時精練
1.(多選)如圖所示,電梯質(zhì)量為M,在它的水平地板上放置一質(zhì)量為m的物體.電梯在鋼索的拉力作用下豎直向上加速運(yùn)動,當(dāng)電梯的速度由v1增大到v2時,上升高度為H,重力加速度為g,則在這個過程中,下列說法正確的是( )
A.對物體,動能定理的表達(dá)式為W=eq \f(1,2)mv22-eq \f(1,2)mv12,其中W為支持力做的功
B.對物體,動能定理的表達(dá)式為W合=0,其中W合為合力做的功
C.對物體,動能定理的表達(dá)式為W-mgH=eq \f(1,2)mv22-eq \f(1,2)mv12,其中W為支持力做的功
D.對電梯,其所受的合力做功為eq \f(1,2)Mv22-eq \f(1,2)Mv12
答案 CD
解析 電梯上升的過程中,對物體做功的有重力mg、支持力FN,這兩個力的總功(即合力做的功)才等于物體動能的增量,即W合=W-mgH=eq \f(1,2)mv22-eq \f(1,2)mv12,其中W為支持力做的功,A、B錯誤,C正確;對電梯,無論有幾個力對它做功,由動能定理可知,其合力做的功一定等于其動能的增量,即eq \f(1,2)Mv22-eq \f(1,2)Mv12,D正確.
2.如圖所示,運(yùn)動員把質(zhì)量為m的足球由靜止從水平地面踢出,足球在空中達(dá)到的最高點(diǎn)高度為h,在最高點(diǎn)時的速度為v,不計(jì)空氣阻力,重力加速度為g,下列說法正確的是( )
A.運(yùn)動員踢球時對足球做功eq \f(1,2)mv2
B.足球上升過程重力做功mgh
C.運(yùn)動員踢球時對足球做功mgh+eq \f(1,2)mv2
D.足球上升過程克服重力做功mgh+eq \f(1,2)mv2
答案 C
解析 足球被踢起后,在運(yùn)動過程中只受到重力作用,只有重力做功,重力做功為-mgh,即克服重力做功mgh,B、D錯誤;由動能定理有W人-mgh=eq \f(1,2)mv2,因此運(yùn)動員對足球做功W人=mgh+eq \f(1,2)mv2,故A錯誤,C正確.
3.如圖所示,光滑斜面的頂端固定一彈簧,一質(zhì)量為m的小球向右滑行,并沖上固定在地面上的斜面.設(shè)小球在斜面最低點(diǎn)A的速度為v,壓縮彈簧至C點(diǎn)時彈簧最短,C點(diǎn)距地面高度為h,重力加速度為g,則小球從A到C的過程中彈簧彈力做功是( )
A.mgh-eq \f(1,2)mv2
B.eq \f(1,2)mv2-mgh
C.-mgh
D.-(mgh+eq \f(1,2)mv2)
答案 A
解析 小球從A到C過程中,由動能定理可得WG+WF=0-eq \f(1,2)mv2,WG=-mgh,解得WF=mgh-eq \f(1,2)mv2,故選A.
4.一質(zhì)量為m=0.2 kg的物體,在合外力F作用下由靜止開始做直線運(yùn)動,F(xiàn)與位移x的關(guān)系圖像如圖所示,由圖像可知( )
A.在x=0到x=1 m過程中,物體做勻加速直線運(yùn)動,運(yùn)動時間t=0.2 s
B.在x=0到x=2 m過程中,物體做變加速直線運(yùn)動,F(xiàn)做功5 J
C.物體運(yùn)動到x=2 m時,物體的瞬時速度為5 m/s
D.物體運(yùn)動到x=2 m時,物體的瞬時速度為2 m/s
答案 C
解析 由題圖可知在x=0到x=1 m過程中,F(xiàn)為恒力,所以物體做勻加速直線運(yùn)動,其加速度大小為a=eq \f(F,m)=5 m/s2,根據(jù)運(yùn)動學(xué)公式可得運(yùn)動時間為t=eq \r(\f(2x,a))=eq \r(0.4) s,故A錯誤;在x=0到x=2 m過程中,物體先做勻加速直線運(yùn)動,后做變加速直線運(yùn)動,根據(jù)F-x圖像的面積表示功可知此過程中F做功為W=1×1 J+eq \f(1,2)×(1+2)×1 J=eq \f(5,2) J,故B錯誤;設(shè)物體運(yùn)動到x=2 m時的瞬時速度為v,根據(jù)動能定理可得eq \f(1,2)mv2=W,解得v=5 m/s,故C正確,D錯誤.
5.如圖所示,質(zhì)量為m的物體置于光滑水平面上,一根繩子跨過定滑輪一端固定在物體上,另一端在力F作用下,物體由靜止開始運(yùn)動到繩與水平方向的夾角α=45°時繩以速度v0豎直向下運(yùn)動,此過程中,繩的拉力對物體做的功為( )
A.eq \f(1,4)mv02 B.eq \f(1,2)mv02
C.mv02 D.eq \f(\r(2),2)mv02
答案 C
解析 將物體的運(yùn)動分解為沿繩子方向的運(yùn)動以及垂直繩子方向的運(yùn)動,則當(dāng)物體運(yùn)動到繩與水平方向的夾角α=45°時物體的速度為v,則vcs 45°=v0,可得v=eq \r(2)v0,物體由靜止開始運(yùn)動到繩與水平方向的夾角α=45°過程中,只有繩子拉力對物體做功,由動能定理得繩的拉力對物體做的功:W=eq \f(1,2)mv2-0=mv02,故C正確,A、B、D錯誤.
6.(2022·湖南懷化市模擬)如圖所示,DO是水平面,AB是斜面,初速度為v0的物體從D點(diǎn)出發(fā)沿DBA滑動到頂點(diǎn)A時速度剛好為零,如果斜面改為AC,讓該物體從D點(diǎn)出發(fā)沿DCA滑動到A點(diǎn)且速度剛好為零,則物體具有的初速度(已知物體與斜面及水平面之間的動摩擦因數(shù)處處相同且不為零,不計(jì)B、C處能量損失)( )
A.等于v0 B.大于v0
C.小于v0 D.取決于斜面
答案 A
解析 物體從D點(diǎn)滑動到頂點(diǎn)A過程中,由動能定理可得-mg·xAO-μmg·xDB-μmgcs α·xAB=0-eq \f(1,2)mv02,α為斜面傾角,由幾何關(guān)系有xABcs α=xOB,因而上式可以簡化為-mg·xAO-μmg·xOD=0-eq \f(1,2)mv02,從上式可以看出,物體的初速度與路徑無關(guān).故選A.
7.如圖所示,一質(zhì)量為m=0.5 kg的小滑塊,在F=4 N水平拉力的作用下,從水平面上的A處由靜止開始運(yùn)動,滑行x=1.75 m后由B處滑上傾角為37°的光滑固定斜面,滑上斜面后拉力的大小保持不變,方向變?yōu)檠匦泵嫦蛏?,滑動一段時間后撤去拉力.已知小滑塊沿斜面上滑到的最高點(diǎn)C距B點(diǎn)為L=2 m,小滑塊最后恰好停在A處.不計(jì)B處能量損失,g取10 m/s2,已知sin 37°=0.6,cs 37°=0.8.試求:
(1)小滑塊與水平面間的動摩擦因數(shù)μ;
(2)小滑塊在斜面上運(yùn)動時,拉力作用的距離x0;
(3)小滑塊在斜面上運(yùn)動時,拉力作用的時間t.
答案 (1)eq \f(24,35) (2)1.25 m (3)0.5 s
解析 (1)小滑塊由C運(yùn)動到A,由動能定理得
mgLsin 37°-μmgx=0
解得μ=eq \f(24,35)
(2)小滑塊在斜面上運(yùn)動時,設(shè)拉力作用的距離為x0
小滑塊由A運(yùn)動到C,由動能定理得
Fx-μmgx+Fx0-mgLsin 37°=0
解得x0=1.25 m
(3)小滑塊由A運(yùn)動到B,由動能定理得
Fx-μmgx=eq \f(1,2)mv2
在斜面上,由牛頓第二定律得F-mgsin 37°=ma
由運(yùn)動學(xué)公式得x0=vt+eq \f(1,2)at2
聯(lián)立解得t=0.5 s.
8.(2022·湖北高三月考)質(zhì)量為2 kg的物塊放在粗糙水平面上,在水平拉力的作用下由靜止開始運(yùn)動,物塊的動能Ek與其發(fā)生的位移x之間的關(guān)系如圖所示.已知物塊與水平面間的動摩擦因數(shù)μ=0.2,重力加速度g取10 m/s2,則下列說法正確的是( )
A.x=1 m時速度大小為2 m/s
B.x=3 m時物塊的加速度大小為2.5 m/s2
C.在前4 m位移過程中拉力對物塊做的功為9 J
D.在前4 m位移過程中物塊所經(jīng)歷的時間為2.8 s
答案 D
解析 由題圖圖像可知x=1 m時動能為2 J,v1=eq \r(\f(2Ek,m))=eq \r(2) m/s,故A錯誤.同理,當(dāng)x=2 m時動能為4 J,v2=2 m/s;當(dāng)x=4 m時動能為9 J,v4=3 m/s,則2~4 m內(nèi)有2a2x2=v42-v22,解得2~4 m內(nèi)物塊的加速度為a2=1.25 m/s2,故B錯誤.對物塊運(yùn)動全過程,由動能定理得:WF+(-μmgx4)=Ek末-0,解得WF=25 J,故C錯誤.0~2 m過程,t1=eq \f(2x1,v2)=2 s;2~4 m過程,t2=eq \f(x2,\f(v2+v4,2))=0.8 s,故總時間為2 s+0.8 s=2.8 s,D正確.
9.(多選)如圖所示,半圓形光滑軌道BC與水平光滑軌道平滑連接.小物體在水平恒力F作用下,從水平軌道上的P點(diǎn),由靜止開始運(yùn)動,運(yùn)動到B點(diǎn)撤去外力F,小物體由C點(diǎn)離開半圓軌道后落在P點(diǎn)右側(cè)區(qū)域.已知PB=3R,重力加速度為g,F(xiàn)的大小可能為( )
A.eq \f(1,2)mg B.eq \f(5mg,6)
C.mg D.eq \f(7mg,6)
答案 BC
解析 小物體能通過C點(diǎn)應(yīng)滿足meq \f(vC2,R)≥mg,
且由C點(diǎn)離開半圓軌道后落在P點(diǎn)右側(cè)區(qū)域,則有2R=eq \f(1,2)gt2,vCteq \f(1,2)mgR,小球不能到達(dá)Q點(diǎn)
C.W=eq \f(1,2)mgR,小球到達(dá)Q點(diǎn)后,繼續(xù)上升一段距離
D.W
這是一份新高考物理一輪復(fù)習(xí)精品學(xué)案第3章第2講牛頓第2定律的基本應(yīng)用(含解析),共16頁。
這是一份人教版高考物理一輪總復(fù)習(xí)第6章第2講動能和動能定理的應(yīng)用課時學(xué)案,共12頁。學(xué)案主要包含了動能,動能定理等內(nèi)容,歡迎下載使用。
這是一份魯科版高考物理一輪總復(fù)習(xí)第4章第2講動能和動能定理的應(yīng)用課時學(xué)案,共10頁。學(xué)案主要包含了動能,動能定理等內(nèi)容,歡迎下載使用。
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