
?第一講 功和功率
? 知識梳理
一、功的概念
1.定義:一個物體受到力的作用,如果在力的方向上發(fā)生了一段位移,就說這個力對物體做了功。
2.物理意義:功是能量轉化的量度。
3.做功的兩個必要因素
(1)作用在物體上的力。
(2)物體在力的方向上發(fā)生了位移。
4.公式:W=Flcosα。
(1)α是力與位移方向之間的夾角,l為物體對地的位移。
(2)該公式只適用于恒力做功。
(3)功是標量,功的正負表示對物體做功的力是動力還是阻力。
5.功的正負
夾角
功的正負
0≤α
W2,A正確.
例4、某同學參加學校運動會立定跳遠項目比賽,起跳直至著地過程如圖,測量得到比賽成績是2.4 m,目測空中腳離地最大高度約0.8 m,假設該同學的質量為60 kg,忽略空氣阻力,則起跳過程該同學所做功為(g=10 m/s2)( )
A.750 J B.480 J
C.270 J D.1470 J
【答案】A
【解析】該同學起跳后至著地的過程做拋體運動,從起跳至達到最大高度的過程中,沿豎直方向做加速度為g的勻減速直線運動,則從起跳至最高所用時間t==0.4 s,豎直方向的初速度vy=gt=4 m/s,沿水平方向做勻速直線運動,則vx== m/s=3 m/s,則該同學起跳時的速度v0==5 m/s,該同學的質量為60 kg,根據動能定理得W=mv=750 J,故B、C、D錯誤,A正確。
l 課堂隨練
訓練1、用鐵錘把釘子釘入木板,設木板對釘子的阻力與釘進木板的深度成正比。已知鐵錘第一次將釘子釘進深度d,如果鐵錘第二次敲釘子時對釘子做的功與第一次相同,那么,第二次釘子進入木板的深度為( )
A. B.
C. D.
【答案】B
【解析】據題意設釘子受的阻力與進入木板深度關系為F=kx,作F-x圖像如圖所示,則圖像與橫軸所圍成圖形的面積表示阻力功的大小,由能量關系知W錘=W阻。又因為兩次W錘相等,故S△=S梯,即·d2,所以d2=(-1)d,選項B正確。
訓練2、(2021·山東卷,3)如圖所示,粗糙程度處處相同的水平桌面上有一長為L的輕質細桿,一端可繞豎直光滑軸O轉動,另一端與質量為m的小木塊相連.木塊以水平初速度v0出發(fā),恰好能完成一個完整的圓周運動.在運動過程中,木塊所受摩擦力的大小為( )
A. B.
C. D.
【答案】B
【解析】木塊做圓周運動過程中,只有摩擦力做功且做功與路徑有關,根據動能定理有-f·2πL=,可得摩擦力的大小f=,B項正確.
訓練3、如圖所示,木板可繞固定水平軸O轉動.木板從水平位置OA緩慢轉到OB位置,木板上的物塊始終相對于木板靜止.在這一過程中,物塊的重力勢能增加了2 J.用FN表示物塊受到的支持力,用Ff表示物塊受到的摩擦力.在此過程中,以下判斷正確的是( )
A.FN和Ff對物塊都不做功
B.FN對物塊做功為2 J,Ff對物塊不做功
C.FN對物塊不做功,Ff對物塊做功為2 J
D.FN和Ff對物塊所做功的代數和為0
【答案】B
【解析】物塊所受的摩擦力Ff沿木板斜向上,與物塊的運動方向垂直,故摩擦力Ff對物塊不做功,物塊在慢慢移動過程中,重力勢能增加了2 J,重力做功-2 J,支持力FN對物塊做功2 J,故B正確.
考點三、功率的分析和計算
1.平均功率的計算方法
(1)利用=.
(2)利用=F·cos α,其中為物體運動的平均速度.其中F為恒力,α不變.
2.瞬時功率的計算方法
(1)利用公式P=Fvcos α,其中v為t時刻的瞬時速度.F可為恒力,也可為變力,α為F與v的夾角,α可以不變,也可以變化.
(2)公式P=Fvcos α中,Fcos α可認為是力F在速度v方向上的分力,vcos α可認為是速度v在力F方向上的分速度.
例1、如圖1所示,物體受到水平推力F的作用在粗糙水平面上做直線運動。監(jiān)測到推力F、物體速度v隨時間t變化的規(guī)律如圖2、3所示,g=10 m/s2,則( )
A.第1 s內推力做的功為1 J
B.第2 s內物體克服摩擦力做的功W=2 J
C.第1.5 s時推力F做功的功率為2 W
D.第2 s內推力F做功的平均功率=1.5 W
【答案】B
【解析】由題圖3可知,第1 s內物體的速度為零,物體靜止不動,故位移為零,推力不做功,A錯誤;第2 s內推力為3 N,第3 s內推力為2 N且物體做勻速直線運動,則可知摩擦力f=2 N,物體第2 s內的位移x=1 m,則克服摩擦力所做的功W=fx=2 J,B正確;第1.5 s時推力為3 N,速度v=1 m/s,則推力F做功的功率P=3×1 W=3 W,C錯誤;第2 s內平均速度=1 m/s,推力F=3 N,推力F做功的平均功率=F=3 W,D錯誤。
例2、如圖所示,AB是斜坡,BC是水平面,從斜坡頂端A以不同初速度v向左水平拋出同一小球,當初速度為v0時,小球恰好落到坡底B。不計空氣阻力,則下列圖像能正確表示小球落地(不再彈起)前瞬間重力瞬時功率P隨v變化關系的是( )
【答案】C
【解析】當平拋的初速度v≤v0時,小球均落在斜面上,具有相同的位移偏向角且均等于斜坡傾角θ,可得:tanθ===,可得平拋時間:t=,則小球落地前所受的重力的瞬時功率為:P=mg·vy=mg·gt=2mgtanθ·v,可知,P與v成正比;當平拋的初速度v>v0時,小球落在水平面上,平拋的豎直高度相同,為h,且有:h=gt2,則平拋時間為:t= ,則小球落地前所受的重力的瞬時功率為:P=mg·vy=mg·gt=mg,可知功率P為恒定值;綜合兩種情況可知C正確,A、B、D錯誤。
例3、如圖所示,細線的一端固定于O點,另一端系一小球.在水平拉力作用下,小球以恒定速率在豎直平面內由A點運動到B點.在此過程中拉力的瞬時功率的變化情況是( )
A.逐漸增大 B.逐漸減小
C.先增大,后減小 D.先減小,后增大
【答案】A
【解析】小球以恒定速率在豎直平面內由A點運動到B點,即小球做勻速圓周運動,那么小球受到的重力mg、水平拉力F、繩子拉力FT三者的合力必是沿繩子指向O點.對小球受力分析如圖,F=mgtan θ,由P=Fvcos θ,可得P=mgvsin θ,θ逐漸增大,則功率P逐漸增大,A項正確.
l 課堂隨練
訓練1、無論是遠海島礁建設,還是超大型疏浚及填海造陸工程,都離不開鋼鐵巨輪——重型絞吸船。我國自主研制的自航絞吸挖泥船“天鯤號”性能達到世界先進水平,其遠程輸送能力達15000米,居世界第一。若某段工作時間內,“天鯤號”的泥泵輸出功率恒為1.6×104 kW,排泥量為1.6 m3/s,排泥管的橫截面積為0.8 m2,則泥泵對排泥管內泥漿的推力為( )
A.5×106 N B.8×106 N
C.5×107 N D.8×107 N
【答案】B
【解析】由于功率大小P=Fv,而每秒鐘排泥管排出泥漿的體積(排泥量)Q=Sv,聯立并代入數據,解得F=8×106 N,故B正確,A、C、D錯誤。
訓練2、如圖所示,質量為m=2 kg的木塊在傾角θ=37°的斜面上由靜止開始下滑,斜面足夠長,木塊與斜面間的動摩擦因數為μ=0.5,已知sin 37°=0.6,cos 37°=0.8,g取10 m/s2,則前2 s內重力的平均功率和2 s末重力的瞬時功率分別為( )
A.48 W 24 W B.24 W 48 W
C.24 W 12 W D.12 W 24 W
【答案】B
【解析】木塊所受的合外力F合=mgsin θ-μmgcos θ=4 N
木塊的加速度a==2 m/s2
前2 s內木塊的位移x=at2=×2×22 m=4 m
所以,重力在前2 s內做的功為W=mgxsin θ=2×10×4×0.6 J=48 J
重力在前2 s內的平均功率==24 W
木塊在2 s末的速度v=at=2×2 m/s=4 m/s
2 s末重力的瞬時功率P=mgvsin θ=2×10×4×0.6 W=48 W.
故選項B正確.
訓練3、一滑塊在水平地面上沿直線滑行,t=0時其速度為1 m/s,從此刻開始在滑塊運動方向上再施加一水平作用力F,力F和滑塊的速度v隨時間t的變化規(guī)律分別如圖甲、乙所示,則以下說法正確的是( )
A.第1 s內,F對滑塊做的功為3 J
B.第2 s內,F對滑塊做功的平均功率為4 W
C.第3 s末,F對滑塊做功的瞬時功率為1 W
D.前3 s內,F對滑塊做的總功為零
【答案】C
【解析】由題圖可知,第1 s內,滑塊位移為1 m,F對滑塊做的功為2 J,A錯誤;第2 s內,滑塊位移為1.5 m,F對滑塊做的功為4.5 J,平均功率為4.5 W,B錯誤;第3 s內,滑塊位移為1.5 m,F對滑塊做的功為1.5 J,第3 s末,F對滑塊做功的瞬時功率P=Fv=1 W,C正確;前3 s內,F對滑塊做的總功為8 J,D錯誤.
考點四 機車啟動問題
1.兩種啟動方式
兩種方式
以恒定功率啟動
以恒定加速度啟動
P-t圖像
和v-t圖像
OA
段
過程
分析
v↑?F=↓?a=↓
a=不變?F不變P=Fv↑直到P=P額=Fv1
運動
性質
加速度減小的加速直線運動
勻加速直線運動,持續(xù)時間t0=
AB
段
過程
分析
F=F阻?a=0?vm=
v↑?F=↓?a=↓
運動
性質
以vm做勻速直線運動
加速度減小的加速直線運動
BC段
F=F阻?a=0?以vm=做勻速直線運動
2.三個重要關系式
(1)無論哪種啟動過程,機車的最大速度都等于其勻速運動時的速度,即vm=.
(2)機車以恒定加速度啟動的過程中,勻加速過程結束時,功率最大,但速度不是最大,v=P2 B.W1>W2,P1=P2
C.W1>W2,P1>P2 D.W1=W2,P1=P2
【答案】A
【解析】根據功的定義,兩次水平恒力F做的功相等,即W1=W2;第一次是在光滑水平面上,第二次是在粗糙水平面上,第二次受到摩擦力作用,作用同樣大小的力F,第一次的加速度較大,由x=at2可知,使物體沿力的方向發(fā)生相同的位移,第一次需要的時間較短,根據功率的定義,可知第一次的平均功率較大,即P1>P2,選項A正確.
2、(2021·浙江6月選考) 中國制造的某一型號泵車如圖所示,表中列出了其部分技術參數。已知混凝土密度為2.4×103 kg/m3,假設泵車的泵送系統(tǒng)以150 m3/h的輸送量給30 m高處輸送混凝土,則每小時泵送系統(tǒng)對混凝土做的功至少為( )
發(fā)動機最大輸出功率(kW)
332
最大輸送高度(m)
63
整車滿載質量(kg)
5.4×104
最大輸送量(m3/h)
180
A.1.08×107 J B.5.04×107 J
C.1.08×108 J D.2.72×108 J
【答案】C
【解析】泵車的泵送系統(tǒng)以150 m3/h的輸送量給30 m高處輸送混凝土,每小時泵送系統(tǒng)對混凝土做的功至少為W=mgh=ρVgh=2.4×103×150×10×30 J=1.08×108 J,故選C。
3、(2022·馬鞍山一模)一輛質量為m的汽車在水平路面上以速度v勻速行駛,此時發(fā)動機功率為P,汽車運動過程中所受阻力恒定不變。當汽車功率突然變?yōu)镻的瞬間,加速度大小為( )
A.0 B.
C. D.
【答案】B
【解析】汽車勻速行駛時,有F=f,P=Fv,汽車功率突然變?yōu)镻的瞬間,牽引力發(fā)生變化,速度不變,則有P=F′v,此時加速度由牛頓第二定律有f-F′=ma,由上面幾式解得a=,所以B正確,A、C、D錯誤。
4、(2022·廣東選考模擬)高鐵在高速行駛時,受到的阻力f與速度v的關系為f=kv2(k為常量)。若某高鐵以160 km/h的速度勻速行駛時機車的輸出功率為P,則該高鐵以320 km/h的速度勻速行駛時機車的輸出功率為( )
A.8P B.4P
C.2P D.P
【答案】A
【解析】當高鐵勻速行駛時,牽引力F與阻力f大小相等,由題意可知當高鐵以v1=160 km/h行駛時機車的輸出功率為P=Fv1=kv,所以當高鐵以v2=320 km/h 行駛時機車的輸出功率為P′=Fv2=kv=8kv=8P。
5、 (2021·湖南省郴州市第三次教學質監(jiān))一質量m=2 kg的物體在粗糙的水平面上受到水平拉力作用,在一段時間內的速度隨時間變化情況如圖所示。已知物體與水平面間的動摩擦因數為0.5,則拉力的功率最大值是( )
A.30 W B.50 W
C.60 W D.120 W
【答案】C
【解析】由v-t圖像可知,前5 s物體的加速度a== m/s2=1 m/s2,由牛頓第二定律可知,F-f=ma,又f=0.5mg,解得F=12 N;當速度達到5 m/s時物體勻速運動,此時拉力的功率最大,由P=Fv可得,最大功率Pmax=12×5 W=60 W,故C正確,A、B、D錯誤。
6、(2021·廣東省廣州市高三二模)已知動車組列車每節(jié)動車的額定功率相同,每節(jié)動車與拖車質量相等,動車組運行時所受阻力與其重力成正比。若某動車組由4節(jié)動車加8節(jié)拖車組成,其運行的最大速率為240 km/h,則由該4節(jié)動車加4節(jié)拖車組成的動車組,運行的最大速率為( )
A.480 km/h B.360 km/h
C.320 km/h D.240 km/h
【答案】B
【解析】設每節(jié)車質量為m,每節(jié)車廂所受阻力為f,則4節(jié)動車加8節(jié)拖車時4Pm=12fvm1,其中vm1=240 km/h,4節(jié)動車加4節(jié)拖車時4Pm=8fvm2,解得vm2=360 km/h,故選B。
7、(2022·湖南高考模擬)如圖,小物塊P在沿斜面向上的拉力F作用下沿固定光滑斜面勻速上滑?,F將力F的方向變?yōu)樗较蛴遥允筆保持原來的速度沿斜面勻速上滑。則變化后與變化前比較( )
A.斜面對物塊的支持力不變
B.力F變大
C.力F變小
D.力F的功率變大
【答案】B
【解析】對物塊受力分析可知,物塊受重力、支持力和拉力,根據受力平衡可得FN=mgcos θ,當力F的方向變?yōu)樗较蛴遥鶕芰ζ胶饪傻肍N′=mgcos θ+Fsin θ,因此支持力變大,故A錯誤;力F沿斜面方向時,根據受力平衡可得mgsin θ=F,當力F的方向變?yōu)樗较蛴視r,由受力平衡可得mgsin θ=Fcos θ,因此F變大,故B正確,C錯誤;一開始F的功率為P=Fv=mgsin θ·v,變化之后功率為P′=Fcos θ·v=mgsin θ·v,拉力F的功率不變,故D錯誤。
8、(多選)地下礦井中的礦石裝在礦車中,用電機通過豎井運送至地面.某豎井中礦車提升的速度大小v隨時間t的變化關系如圖所示,其中圖線①②分別描述兩次不同的提升過程,它們變速階段加速度的大小都相同;兩次提升的高度相同,提升的質量相等.不考慮摩擦阻力和空氣阻力.對于第①次和第②次提升過程,( )
A.礦車上升所用的時間之比為4∶5
B.電機的最大牽引力之比為2∶1
C.電機輸出的最大功率之比為2∶1
D.電機所做的功之比為4∶5
【答案】AC
【解析】由題圖可得,變速階段的加速度大小a=,設第②次所用時間為t2,根據速度-時間圖像與時間軸所圍的面積等于位移(此題中為提升的高度)可知,×2t0×v0=[t2+(t2-2×)]×v0,解得:t2=,所以第①次和第②次礦車上升所用時間之比為2t0∶=4∶5 ,選項A正確;由于兩次提升過程變速階段的加速度大小相同,在勻加速階段,由牛頓第二定律,F-mg=ma,可得電機的最大牽引力之比為1∶1,選項B錯誤;由功率公式,P=Fv,電機輸出的最大功率之比等于最大速度之比,為2∶1,選項C正確;加速上升過程的加速度a1=,加速上升過程的牽引力F1=ma1+mg=m(+g),減速上升過程的加速度a2=-,減速上升過程的牽引力F2=ma2+mg=m(g-),勻速運動過程的牽引力F3=mg.第①次提升過程做功W1=F1××t0×v0+F2××t0×v0=mgv0t0;第②次提升過程做功W2=F1××t0×v0+F3×t0×v0+F2××t0×v0=mgv0t0,兩次做功相同,選項D錯誤.
9、(2022·東北三省四市質檢)“ETC”是高速公路上電子不停車收費系統(tǒng)的簡稱。若某汽車以恒定功率勻速行駛,為合理通過收費處,司機在t1時刻使汽車功率減半,并保持該功率行駛,到t2時刻又做勻速運動;通過收費處后,逐漸增加功率,使汽車做勻加速運動直到恢復原來功率,以后保持該功率行駛。設汽車所受阻力大小不變,則在該過程中,汽車的速度隨時間變化的圖像可能正確的是( )
【答案】選C
【解析】0~t1時間內,汽車以恒定功率勻速行駛,則有F=f,P=Fv1,t1時刻使汽車功率減半,則有=F1v1,解得F1==,則汽車做減速運動,速度減小,t1到t2時刻保持該功率行駛,所以牽引力增大,由牛頓第二定律可得f-F1=ma,則汽車做加速度逐漸減小的減速運動,t1到t2時間內圖像的斜率逐漸減??;t2到 t3時間內做勻速運動則速度保持不變;t3到 t4時間內先做勻加速運動有F2-f=ma2,P2=F2v2,由于牽引力不變,速度增大,功率增大,當P2=P時,保持功率不變,則汽車繼續(xù)加速運動,其牽引力減小,由牛頓第二定律可知,汽車做加速度逐漸減小的加速運動,加速度為0時,汽車的速度達到最大值,最后做勻速運動,所以在t3到 t4時間內圖像斜率先保持不變,再逐漸減小,最后為0,所以C正確,A、B、D錯誤。
10、風力發(fā)電是一種環(huán)保的電能獲取方式。某風力發(fā)電機的葉片轉動形成的圓面積為S,某時間風的速度大小為v,風向恰好跟此圓面垂直;此時空氣的密度為ρ,該風力發(fā)電機將空氣動能轉化為電能的效率為η,則風力發(fā)電機發(fā)電的功率為( )
A.ηρSv2 B.ηρSv2
C.ηρSv3 D.ηρSv3
【答案】D
【解析】時間t內,通過風力發(fā)電機葉片轉動形成的圓面的空氣的動能為Ek=mv2=ρtSv3,故該風力發(fā)電機發(fā)電的功率為P===ηρSv3,故D正確。
11、(多選)質量為2×103 kg的汽車由靜止開始沿平直公路行駛,行駛過程中牽引力F和車速倒數的關系圖像如圖所示.已知行駛過程中最大車速為30 m/s,設阻力恒定,則( )
A.汽車所受阻力為6×103 N
B.汽車的車速為5 m/s時,加速度為3 m/s2
C.汽車的車速為15 m/s時,加速度為1 m/s2
D.汽車在行駛過程中的最大功率為6×104 W
【答案】CD
【解析】當牽引力等于阻力時,速度最大,由題圖可知阻力大小Ff=2 000 N,故A錯誤;車速為5 m/s時,汽車的加速度a= m/s2=2 m/s2,故B錯誤;由題圖可知P=Ffv=2 000×30 W=6×104 W,汽車的最大功率為6×104 W,故D正確;當車速為15 m/s時,牽引力F== N=4 000 N,則加速度a′== m/s2=1 m/s2,故C正確.
12、(2022·青島黃島區(qū)期末)校園農業(yè)實踐基地里安裝了一個灌溉噴頭,裝置示意圖如圖所示。已知地面與水面的距離為H,用水泵從水池抽水,噴頭與地面的距離為h,水管橫截面積為S,水的密度為ρ,重力加速度為g,不計空氣阻力。水從管口以不變的速度源源不斷地沿水平方向噴出,水落地的位置到噴頭出口的水平距離為4h,設管口橫截面上各處水的速度都相同。
(1)求水從噴頭噴出時的速度大小;
(2)若水泵的工作效率為η,則水泵的功率為多大?
【答案】(1)2 (2)(H+5h)
【解析】(1)設水噴出管口時的速度為v0,落地時間為t,水做平拋運動有h=gt2,4h=v0t,解得v0=2。
(2)設時間t0內噴出的水的質量為m,則m=ρv0t0S
水泵t0時間內輸出的功W=mg(H+h)+mv
水泵t0時間內輸出的功率
P==2ρgS (H+5h)
水泵的功率P0==(H+5h)。
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