中職物理 第2章

第2章功和能簽到掃碼下載文旌課堂APP掃碼簽到（2022.3.2515:00至2022.3.2515:10）簽到方式教師通過“文旌課堂APP”生成簽到二維碼，并設(shè)置簽到時間，學(xué)生通過“文旌課堂APP”掃描“簽到二維碼”進行簽到。。本章導(dǎo)讀3人類的生活離不開能量。能量有不同的形式，如電能、化學(xué)能、太陽能、核能、機械能等，工廠需要電能，交通運輸工具需要化學(xué)能，植物生長需要太陽能……本章主要介紹機械能的相關(guān)知識。學(xué)習(xí)目標(biāo) 理解功和功率的概念，能用公式計算功和功率。 理解動能的概念，掌握動能定理。 了解重力勢能和彈性勢能的概念及特點，掌握機械能守恒定律并能進行簡單計算。目錄Contents2.1功與功率2.2動能定理2.3機械能守恒定律及其應(yīng)用2.1功與功率2.1功與功率2.1.1功1．功的概念一個物體受到力的作用，并且在力的作用下產(chǎn)生了位移，我們就說這個力對物體做了功。作用在物體上的力和物體在力的作用下產(chǎn)生的位移，是力做功不可缺少的兩個因素。例如，如下圖所示一個人推汽車，汽車沒有被推動，沒有發(fā)生位移，因此人對汽車沒有做功。力學(xué)中規(guī)定，如果力的方向與物體的運動方向一致，功就等于力的大小和位移大小的乘積。如果用F表示力的大小，用s表示位移的大小，那么該力對物體所做的功W就可以表示為2.1功與功率2．功的計算功是標(biāo)量，單位是焦耳，簡稱焦，用符號J表示。1J表示1N的力使物體在力的方向上發(fā)生1m的位移所做的功。2.1功與功率在實際生活中，物體的運動方向并不總是與力的方向相同，而是與力成一定的角度，如下圖所示。那么，這種情況下該如何計算這個力做的功呢？2.1功與功率在這種情況下，我們通常把力分解成與位移方向一致的分力和與位移方向垂直的分力，如下圖所示。2.1功與功率在物體向右發(fā)生位移s的過程中，由于分力與位移垂直，物體在方向沒有發(fā)生位移，因此分力所做的功為0；分力所做的功W等于，而，因此有這就是說，力對物體所做的功等于力的大小、位移的大小、力和位移間夾角的余弦三者的乘積。2.1功與功率當(dāng)時，，，力的方向和位移的方向相同，力對物體做正功。當(dāng)

時，

，W為正值，力對物體做正功。當(dāng)時，，，力和位移方向垂直，力對物體不做功。當(dāng)

時，

，W為負值，力對物體做負功。當(dāng)時，，，力和位移方向相反，力對物體做負功。功是標(biāo)量，沒有方向，但有正負，其運算遵循代數(shù)運算法則。3．正功和負功2.1功與功率功是標(biāo)量，功的正負并不表示功有方向，而是代表“誰對誰做功”。一個力對物體做負功，也可以說成物體克服這個力做了正功。2.1功與功率2.1.2功率1．功率的概念一個人分兩次爬同一段樓梯，慢慢走上去和快速跑上去做的功是一樣的，但是所用的時間不同，即做功的快慢不同。那么，我們?nèi)绾蚊枋鲎龉Φ目炻?？在物理學(xué)中，用功率來表示做功的快慢。一個力對物體所做的功W跟做這些功所用時間t的比值，叫作功率。若用P表示功率，則有2.1功與功率功率是標(biāo)量，它的單位是瓦特，簡稱瓦，用符號W來表示。單位瓦比較小，在生活中，我們常用千瓦作為功率的單位，寫作kW，。日常見到的各種機械上都標(biāo)有額定功率。額定功率就是機械正常工作時所能達到的最大輸出功率，但是，機械實際工作時的輸出功率往往小于額定功率。例如，某汽車內(nèi)燃機的額定功率是100kW，但在平直公路上低速行駛時，其實際輸出功率可能只有20kW左右，而上坡時的輸出功率雖然會大于20kW，但也遠遠小于100kW。2.1功與功率有些機械采用馬力作為功率的單位。1馬力735W。馬力不是國際單位制的單位，現(xiàn)在已經(jīng)很少使用。2.1功與功率2．功率的計算生活中我們有這樣的經(jīng)驗，功率大的轎車比功率小的轎車跑得快，功率大的起重機比功率小的起重機牽引力大。這說明速度和牽引力都與功率有關(guān)，那么它們之間存在著怎樣的關(guān)系呢？把代入功率的公式，可得到，而，因此有從上述公式可以看出，當(dāng)汽車發(fā)動機的輸出功率一定時，汽車的速度和牽引力成反比，若要增大牽引力就要減小速度。2.1功與功率由于發(fā)動機的功率不能無限制的增大，因此，汽車上坡時，司機要通過換擋來降低速度，以獲得較大的牽引力；而在平直的公路上行駛，汽車需要的牽引力較小，就可以使用高速擋獲得高速。然而，在發(fā)動機輸出功率一定時，通過減小速度提高牽引力或者通過減小牽引力來提高速度，效果都是有限的。因此，如果既要保證一定的速度又要有足夠大的牽引力，就需要較高輸出功率的發(fā)動機。例如，公路上行駛的大排量汽車很容易超越小排量汽車，因為排量越大的汽車，發(fā)動機的輸出功率就越大，就越容易使汽車獲得更高的速度。2.1功與功率課后實踐請在課后選擇一處周圍環(huán)境比較開闊的臺階，先測量好一段臺階的豎直高度，在確保安全的前提下，用不同的速度沖上這段臺階，在旁人的幫助下收集相關(guān)數(shù)據(jù)，計算沖上臺階所做的功及功率。與同學(xué)進行交流，比較彼此沖上臺階所做的功和功率的大小，并分析結(jié)果不同的原因。2.2動能定理2.2動能定理一個物體能夠?qū)ν庾龉Γ驼f明它具有能量，簡稱能。例如，流動的河水能夠推動水車，說明流動的河水具有能量；風(fēng)能夠推動風(fēng)車轉(zhuǎn)動，說明風(fēng)具有能量。2.2動能定理演示實驗2-1探究動能與物體質(zhì)量、速度的關(guān)系如下圖所示，讓小球A從光滑的導(dǎo)軌上滑下，撞擊靜止在水平面上的小球B，推動小球B運動，即小球A對小球B做了功。2.2動能定理（1）讓小球A從不同高度滑下，可以發(fā)現(xiàn)，小球A的初始高度越高，到達水平面的速度就越快，小球B被撞擊得越遠，即A對B做功越多。（2）增大小球A的質(zhì)量，使其從同一高度滑下?？梢钥闯觯∏駻從同一高度滑至水平面的速度一樣，但小球A的質(zhì)量越大，小球B被撞擊得越遠，A對B做功越多。2.2動能定理2.2.1動能物體由于運動而具有的能量叫作動能。那么，動能的大小跟哪些因素有關(guān)呢？實驗表明，物體的質(zhì)量越大，速度越大，它的動能就越大。在物理學(xué)中，用符號表示物體的動能。一個質(zhì)量為的物體，以速度運動時的動能為動能是標(biāo)量，它的單位與功的單位相同，都是焦（耳），符號為J。2.2動能定理嘗試用手接住別人拋過來的籃球，體會不同速度的籃球所具有的動能。2.2動能定理2.2.2動能定理具有動能的物體可以對外界做功，但這會導(dǎo)致物體的動能發(fā)生變化。那么做功與物體的動能有何關(guān)系呢？如下圖所示，有一個質(zhì)量為m的物體，初速度是，在一個與運動方向相同的恒力F的作用下發(fā)生了一段水平位移s，物體的末速度變?yōu)椤?.2動能定理在這一過程中，外力對物體做了功W，這使物體的動能發(fā)生了變化。外力F所做的功可表示為又根據(jù)牛頓第二定律而綜上即可得到即力在一個過程中對物體所做的功等于物體在這個過程中動能的變化，這個結(jié)論就叫作動能定理。2.2動能定理為什么騎自行車比行走和跑步感覺更輕松？請用動能定理進行解釋。2.2動能定理由動能定理可知，當(dāng)合外力對物體做正功時，物體的動能就增加；當(dāng)合外力對物體做負功時，物體的動能就減?。划?dāng)合外力做功為0或者沒有力做功時，物體的動能不變。利用動能定理可以解釋交通中的許多規(guī)定，例如，高速公路上都有限制車速的要求，這是因為公路上行駛的汽車發(fā)生意外碰撞是能量釋放的過程，碰撞前車輛的動能大小決定了事故的嚴(yán)重程度，而車輛的動能取決于車輛的質(zhì)量和速度的平方。因此，限制車速能有效控制事故的嚴(yán)重程度。2.2動能定理又如，司機在行駛中發(fā)現(xiàn)前方突發(fā)事件會緊急剎車，汽車從司機決定剎車到完全停止的這段時間內(nèi)行駛的距離稱為剎車距離。剎車距離由反應(yīng)距離和制動距離兩部分組成。反應(yīng)距離反應(yīng)距離是指從司機決定剎車到制動器開始起作用這段時間內(nèi)汽車所行駛的距離，它由反應(yīng)時間和車速決定制動距離制動距離是指制動器起作用后汽車經(jīng)歷減速直到停止的過程中所行駛的距離，它主要由汽車的制動性能決定。2.2動能定理假設(shè)輪胎與路面之間的動摩擦因數(shù)為0.8，則不同車速的剎車距離如表2-1所示。因此，為了安全起見，司機在開車時必須與前面的車輛保持一定的距離，防止發(fā)生追尾事故。2.2動能定理課后實踐請在課后通過實驗或查閱資料，收集自行車制動距離與自行車車速關(guān)系的數(shù)據(jù)，并嘗試用動能定理進行解釋。與同學(xué)進行交流，分享彼此的研究成果，并解決彼此的疑惑。2.3機械能守恒定律及其應(yīng)用2.3機械能守恒定律及其應(yīng)用動能和勢能統(tǒng)稱為機械能，通常用E來表示。重力或彈力對物體做功，機械能可以從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。2.3.1勢能勢能分為重力勢能和彈性勢能。1．重力勢能在物理學(xué)中，物體由于被舉高而具有的能量叫作重力勢能。我們知道動能與物體的質(zhì)量和速度有關(guān)，那么，物體的重力勢能又和什么因素有關(guān)呢？2.3機械能守恒定律及其應(yīng)用演示實驗2-2探究物體的重力勢能與其質(zhì)量、高度的關(guān)系如下所示，在一個透明的玻璃容器內(nèi)裝滿沙子，準(zhǔn)備不同質(zhì)量的鐵球。嘗試將鐵球從某一高度釋放，探究鐵球落入沙子中的深度。（1）將同一個鐵球從不同高度釋放，觀察鐵球落入沙子中的深度。可以發(fā)現(xiàn)，鐵球的釋放高度越高，鐵球落入沙子中的深度就越深。（2）將不同質(zhì)量的鐵球從同一高度釋放，觀察鐵球落入沙子中的深度?？梢园l(fā)現(xiàn)，質(zhì)量越大的鐵球落入沙子中的深度越深。2.3機械能守恒定律及其應(yīng)用2.3機械能守恒定律及其應(yīng)用在確保安全的前提下，嘗試用手接住從不同高度由靜止開始落下的小沙包、網(wǎng)球等輕軟物體，體會不同高度的物體所具有重力勢能的大小。2.3機械能守恒定律及其應(yīng)用分析表明，物體所處的位置越高、質(zhì)量越大，其重力勢能就越大。若物體質(zhì)量為m，距地面高度為h，用表示物體在h高度的重力勢能，則有重力勢能也是標(biāo)量，其單位與功的單位相同，都寫作J。從上述公式可以看出，物體距地面越高，重力勢能越大；反之，重力勢能越小。2.3機械能守恒定律及其應(yīng)用高度是一個相對的量，所以物體的重力勢能也是相對量。在進行計算時，應(yīng)選定一個參考平面，在這個參考平面上，物體的重力勢能取值為0，也稱為零勢能面（通常選擇地面為零勢能面）。對于選定的參考平面而言，參考平面上方物體的高度是正值，重力勢能也是正值；參考平面下方物體的高度是負值，重力勢能也是負值。這里的負值只是表示物體在這個位置的重力勢能小于物體在參考平面上的重力勢能。2.3機械能守恒定律及其應(yīng)用【例題5】某建筑工地使用的打樁機，在工作過程中需要將質(zhì)量為300kg的重錘舉到距地面20m高的地方，那么重錘此時的重力勢能是多少？下落到距地面15m高時，其重力勢能減少了多少？落到地面之后，其重力勢能是多少？（）解：在20m高處，重錘的重力勢能為

重錘下落到15m高時，其減少的重力勢能為

重錘落到地面時，由于高度為0，所以重力勢能為

2.3機械能守恒定律及其應(yīng)用2．彈性勢能上緊的鐘表發(fā)條逐漸放開時，能帶動鐘表機件走動；擊球的球拍變形后為了恢復(fù)原狀，能把球擊起，這說明上緊的發(fā)條和變形的球拍都具有能量。這種由于物體發(fā)生彈性形變所具有的勢能叫作彈性勢能。那么，彈性勢能的大小與哪些因素有關(guān)呢？2.3機械能守恒定律及其應(yīng)用演示實驗2-3探究影響彈性勢能的因素如下圖所示，將一根原長的彈簧右端從點A拉到點B，彈簧伸長了x。根據(jù)胡克定律：在彈性限度內(nèi)，力越大，x越長。換用不同型號的彈簧，盡管拉伸量也是x，但所用的力卻不一樣。2.3機械能守恒定律及其應(yīng)用上述實驗表明，在彈性限度內(nèi)，彈簧的彈性勢能與彈簧的形變程度有關(guān)，形變程度越大，彈性勢能越大；另外，彈性勢能還與彈簧自身的彈性強度有關(guān)，彈性強度越大，單位形變產(chǎn)生的彈力越大。我們把物體發(fā)生單位形變量所產(chǎn)生的彈力大小叫作勁度系數(shù)或彈性系數(shù)，用符號k表示。因此，彈性勢能可以量化為其中，k為勁度系數(shù)，x為形變量。2.3機械能守恒定律及其應(yīng)用2.3.2機械能守恒定律1．動能和重力勢能的相互轉(zhuǎn)化在自由落體過程中，重力對物體做正功，物體的高度下降，其重力勢能減少；與此同時，物體的速度越來越大，物體的動能增加。這說明，重力做正功時，物體的重力勢能轉(zhuǎn)化為了動能。豎直向上拋出一個小球，小球在上升過程中，重力做負功，其速度越來越小，動能減?。欢母叨仍黾?，其重力勢能在增加。這說明，重力做負功時，物體的動能轉(zhuǎn)化為了重力勢能。2.3機械能守恒定律及其應(yīng)用2．機械能守恒定律演示實驗2-4觀察動能與勢能的相互轉(zhuǎn)化如下圖所示，將一個小球用細線懸掛起來，小球從A點由靜止開始釋放，小球就會擺向另一端的B點。通過測量可以發(fā)現(xiàn)，B點與A點的高度相同。如果用尺子在P點擋住擺線，小球會擺到