新教材同步系列2024春高中物理第四章機(jī)械能及其守恒定律第一節(jié)功課件粵教版必修第二冊(cè)

第四章機(jī)械能及其守恒定律①物理觀念：能理解功、功率、動(dòng)能、重力勢能及機(jī)械能守恒定律的內(nèi)涵，定性了解彈性勢能；能用動(dòng)能定理和機(jī)械能守恒定律分析解釋生產(chǎn)、生活中的相關(guān)現(xiàn)象，解決一些相關(guān)的實(shí)際問題；能體會(huì)守恒觀念對(duì)認(rèn)識(shí)物理規(guī)律的重要性．具有初步的與功和機(jī)械能相關(guān)的能量觀念．②科學(xué)思維：能在熟悉的問題情境中運(yùn)用機(jī)械能守恒定律解決問題時(shí)建構(gòu)物理模型，會(huì)分析機(jī)械能守恒的條件；能從機(jī)械能守恒的角度分析動(dòng)力學(xué)問題，通過推理，獲得結(jié)論；能用與機(jī)械能守恒定律等相關(guān)的證據(jù)說明結(jié)論；能從不同視角解決動(dòng)力學(xué)問題．③科學(xué)探究：能完成“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”等物理實(shí)驗(yàn)．能提出實(shí)驗(yàn)中可能出現(xiàn)的物理問題；能在他人幫助下設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，獲取數(shù)據(jù)；能分析數(shù)據(jù)、驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律；能反思實(shí)驗(yàn)過程，嘗試減少實(shí)驗(yàn)誤差；能撰寫比較完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，在報(bào)告中能呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)表格及數(shù)據(jù)分析過程，嘗試對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行討論交流．④科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：通過對(duì)機(jī)械能守恒定律的驗(yàn)證，認(rèn)識(shí)科學(xué)規(guī)律的建立需要實(shí)驗(yàn)證據(jù)的檢驗(yàn)；有較強(qiáng)的學(xué)習(xí)和研究物理的興趣；能發(fā)現(xiàn)機(jī)械能守恒定律對(duì)日常生活的影響．本章重點(diǎn)①功、

功率、動(dòng)能、勢能的概念；②動(dòng)能定理、機(jī)械能守恒定律兩個(gè)重要規(guī)律．本章難點(diǎn)①動(dòng)能定理的應(yīng)用；②機(jī)械能守恒定律的應(yīng)用；③實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律．第一節(jié)功學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)法指導(dǎo)1．理解功的概念，掌握功的計(jì)算公式2．知道正功、負(fù)功及判斷方法3．掌握合力做功的計(jì)算方法4．理解做功與能量變化的關(guān)系1．理解功的概念，知道W＝Fscosα的適用范圍，會(huì)用功的公式進(jìn)行計(jì)算2．理解正、負(fù)功的意義，會(huì)根據(jù)公式計(jì)算多個(gè)力所做的總功知識(shí)導(dǎo)圖課前·自主預(yù)習(xí)1．功的概念和公式功的計(jì)算概念物體在力的作用下___________________發(fā)生了變化，那么這個(gè)力一定對(duì)物體做了功因素(1)力；(2)物體在__________上發(fā)生了位移公式(1)力F與位移s同向時(shí)，W＝______(2)力F與位移s有夾角α?xí)r，W＝________符號(hào)含義其中F、s、cosα分別表示____________、____________、力與位移夾角的余弦符號(hào)單位F的單位是_____，s的單位是_______，W的單位是_____沿力的方向的位移力的方向FsFscosα力的大小位移大小NmJ2．正功和負(fù)功功有正、負(fù)之分，但功是________(填“標(biāo)量”或“矢量”)，功的正、負(fù)只表示是動(dòng)力做功還是阻力做功．3．正功和負(fù)功的判斷標(biāo)量W>0W＝0W<04．總功的計(jì)算(1)W合＝____________(α為F合與位移s的夾角)．(2)W合＝W1＋W2＋…＋Wn(即總功為各個(gè)分力所做功的________)．F合scosα代數(shù)和物體受力的同時(shí)又有位移發(fā)生，那么力一定做功嗎？【答案】不一定，還要看力與位移是否垂直．如圖所示，在大小和方向都相同的力F1和F2的作用下，物體m1和m2沿水平方向移動(dòng)了相同的距離．已知質(zhì)量m1<m2，F(xiàn)1做的功為W1，F(xiàn)2做的功為W2，則(

)A．W1>W2B．W1<W2C．W1＝W2 D．無法確定【答案】C

【解析】根據(jù)W＝Flcosθ，因F1＝F2，l1＝l2，夾角θ也相等，可知W1＝W2，C正確，A、B、D錯(cuò)誤．課堂·重難探究1．正功、負(fù)功的意義功的計(jì)算和正功、負(fù)功的判斷正功力對(duì)物體做正功，這個(gè)力對(duì)物體來說是動(dòng)力負(fù)功力對(duì)物體做負(fù)功，這個(gè)力是阻力，對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)起阻礙作用，也可以說物體克服該力做功，取正值說明(1)不能把負(fù)功的負(fù)號(hào)理解為力與位移方向相反，更不能錯(cuò)誤地認(rèn)為功是矢量，負(fù)功的方向與位移方向相反(2)一個(gè)力對(duì)物體做了負(fù)功，往往說成物體克服這個(gè)力做了功(取絕對(duì)值)，即力F做負(fù)功，－Fl等效于物體克服力F做功Fl2．合力做功的求法(1)先求各力做功，再求代數(shù)和：W總＝W1＋W2＋…＋Wn，式中W1、W2、…、Wn分別表示為F1、F2、…、Fn對(duì)物體所做的功．(2)先根據(jù)力的合成法則求合力，再求合力的功：W總＝F合lcosα，公式中F合為n個(gè)力F1、F2、…、Fn的合力，l為物體的位移，α為F合與位移l的夾角，僅適用于受力恒定的情況．例1

如圖所示，人站在臺(tái)階式自動(dòng)扶梯上，隨扶梯勻速向上運(yùn)動(dòng)，下列說法正確的是

(

)A．人所受的重力做負(fù)功B．人所受的重力不做功C．人對(duì)梯面的壓力不做功D．梯面對(duì)人的支持力不做功【答案】A

【解析】對(duì)人受力分析，受到豎直向下的重力和梯面對(duì)人垂直于接觸面向上的支持力，

根據(jù)W＝Fscosθ可知，重力做負(fù)功，支持力做正功，根據(jù)牛頓第三定律可知，人對(duì)梯面的壓力豎直向下，人對(duì)梯面的壓力做負(fù)功，A正確，B、C、D錯(cuò)誤．變式1

(2023年肇慶一中期中)某校高三年級(jí)的體育生積極進(jìn)行體育學(xué)科的高考備考，體育生在體育訓(xùn)練中拖著舊橡膠輪胎跑步是身體耐力訓(xùn)練的一種有效方法(如圖)．如果體育生拖著輪胎在水平直道上跑了200m，那么下列說法正確的是

(

)A．摩擦力對(duì)輪胎做了負(fù)功B．重力對(duì)輪胎做了正功C．拉力對(duì)輪胎不做功D．支持力對(duì)輪胎做了正功【答案】A

【解析】輪胎受到地面的摩擦力方向水平向左，而位移水平向右，兩者夾角為180°，則輪胎受到地面的摩擦力對(duì)輪胎做負(fù)功，故A正確；輪胎受到的重力方向豎直向下，而輪胎的位移水平向右，則輪胎在豎直方向上沒有發(fā)生位移，重力不做功，故B錯(cuò)誤；設(shè)拉力與水平方向的夾角為α，由于α是銳角，所以輪胎受到的拉力對(duì)輪胎做正功，故C錯(cuò)誤；輪胎受到地面的支持力豎直向上，而輪胎的位移水平向右，則輪胎在豎直方向上沒有發(fā)生位移，支持力不做功，故D錯(cuò)誤．1．求恒力做功時(shí)，要先對(duì)物體進(jìn)行受力分析，求出力的大小和方向，然后再應(yīng)用功的公式求解．2．求合力的功時(shí)，可以先求合力再求功，也可以先求各力做的功，再求各力做功的代數(shù)和．1．平均值法變力做功的幾種求法2．圖像法變力做的功W可用F-s圖線與s軸所圍成的面積表示．s軸上方的面積表示力對(duì)物體做正功的多少，s軸下方的面積表示力對(duì)物體做的負(fù)功．3．分段法(或微元法)當(dāng)力的大小不變，力的方向時(shí)刻與速度同向(或反向)時(shí)，把物體的運(yùn)動(dòng)過程分為很多小段，這樣每一小段可以看成直線，先求力在每一小段上的功，再求和，總功W＝Fs路或W＝－Fs路．4．等效替換法若判斷出某一變力做功和某一恒力做功相等，則可以求出恒力做的功來替代變力做的功．例2一列火車質(zhì)量為1.0×105kg，從靜止開始運(yùn)動(dòng)，其阻力為車重的0.05倍，其牽引力的大小與火車前進(jìn)的距離是線性關(guān)系，且F＝103x＋f0(f0是火車所受的阻力)．當(dāng)此火車前進(jìn)100m時(shí)，牽引力所做的功是多少？(g取10m/s2)【答案】1×107J

變式2如圖所示，某人用力F轉(zhuǎn)動(dòng)半徑為R的磨盤，力F的大小不變，且力的方向始終與力的作用點(diǎn)的切線一致，則在轉(zhuǎn)動(dòng)一周的過程中，力F做功為(

)A．0

B．F(2πR)C．FR D．－F(2πR)【答案】B

【解析】在轉(zhuǎn)動(dòng)磨盤一周的過程中，力F的方向時(shí)刻變化，但每一瞬時(shí)力F總是與該瞬時(shí)的速度同向(切線方向)，即轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)過的每段極小位移Δs1，Δs2，Δs3，…，都與當(dāng)時(shí)的力F方向同向，因而在轉(zhuǎn)動(dòng)一周過程中，力F做的功應(yīng)等于在各極小位移段所做功的代數(shù)和，即W＝FΔs1＋FΔs2＋FΔs3＋FΔs4＋…＋FΔsn＝F(Δs1＋Δs2＋Δs3＋Δs4＋…＋Δsn)＝F×2πR，所以B正確．從量度能量變化的觀點(diǎn)看，做了多少功，就有多少能量發(fā)生了轉(zhuǎn)化；反之，能量轉(zhuǎn)化了多少，可以用功的多少來衡量．W＝Fscosα是計(jì)算功的公式，同時(shí)也是可以看成能量轉(zhuǎn)化的度量式，所以，能量的變化與做功相聯(lián)系，從能量轉(zhuǎn)化觀點(diǎn)看，功是能量轉(zhuǎn)化的度量，做功的過程就是能量轉(zhuǎn)化的過程．探究做功與能量變化的關(guān)系例3

(多選)(2023年潮州期末)將一可以視為質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量為m的鐵塊放在一長為L、質(zhì)量為M的長木板的最左端，整個(gè)裝置放在光滑的水平面上，現(xiàn)給鐵塊一水平向右的初速度，當(dāng)鐵塊運(yùn)動(dòng)到長木板的最右端時(shí)，長木板沿水平方向前進(jìn)的距離為x(x>L)，如圖所示．已知鐵塊與長木板之間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ，重力加速度為g．下列說法正確的是(

)A．摩擦力對(duì)長木板所做的功為μmg(x＋L)B．摩擦力對(duì)長木板所做的功為μmgxC．系統(tǒng)因摩擦力做功轉(zhuǎn)化的內(nèi)能為μmgLD．摩擦力對(duì)長木板所做的功為μmg(x－L)【答案】BC

【解析】根據(jù)功的定義，摩擦力對(duì)長木板所做的功等于摩擦力與木板對(duì)地面位移的乘積，即W＝μmgx，故B正確，A、D錯(cuò)誤；系統(tǒng)因摩擦力做功轉(zhuǎn)化的內(nèi)能為μmgL，C正確．變式3如圖所示，滑雪者由靜止開始沿斜坡從A點(diǎn)自由滑下，然后在水平面上前進(jìn)至B點(diǎn)停下．已知斜坡、水平面與滑雪板之間的動(dòng)摩擦因數(shù)均為μ，滑雪者(包括滑雪板)的質(zhì)量為m，A、B兩點(diǎn)間的水平距離為L．在滑雪者經(jīng)過AB段的過程中，因摩擦力所做功轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的大小為

(

)A．大于μmgLB．小于μmgLC．等于μmgLD．以上三種情況都有可能【答案】C

【解析】設(shè)水平部分的長度為x1，斜坡的長度為x2，斜坡與水平面的夾角為θ，則下滑的過程中摩擦力做功為W＝μmgx1＋μmgcosθ·x2＝μmg(x1＋x2cosθ)＝μmgL．摩擦力做功的特點(diǎn)類型靜摩擦力滑動(dòng)摩擦力對(duì)單個(gè)物體做功既可以做正功，也可以做負(fù)功，還可以不做功既可以做正功，也可以做負(fù)功，還可以不做功能量的轉(zhuǎn)化在靜摩擦力做功的過程中，只有機(jī)械能從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體(靜摩擦力起著傳遞機(jī)械能的作用)而沒有機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能相互摩擦的物體通過滑動(dòng)摩擦力做功，將部分機(jī)械能從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，同時(shí)有部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，此部分能量就是系統(tǒng)機(jī)械能的損失量類型靜摩擦力滑動(dòng)摩擦力一對(duì)相互作用的摩擦力做的總功一對(duì)相互作用的靜摩擦力所做功的代數(shù)和等于零一對(duì)相互作用的滑動(dòng)摩擦力對(duì)物體系統(tǒng)所做的總功是負(fù)值，等于摩擦力與相對(duì)路程的乘積，即Wf＝－Ff·s相對(duì)，說明物體克服摩擦力做功，系統(tǒng)損失的機(jī)械能轉(zhuǎn)變成內(nèi)能類型靜摩擦力滑動(dòng)摩擦力認(rèn)識(shí)誤區(qū)例如人走路、起跑、爬竿等情況，靜摩擦力并未在施力的過程中有位移的積累，所以這三種情況下靜摩擦力都是沒有做功的斜面模型中滑動(dòng)摩擦力做功與斜面傾角無關(guān)，只與斜面在水平方向的投影位移和摩擦系數(shù)有關(guān)，即Wf＝fs＝μmgscosθ＝μmgx水平核心素養(yǎng)應(yīng)用科學(xué)思維——傳送帶做功模型分析如圖所示，將工件放在傳送帶上，傳送帶勻速運(yùn)動(dòng)，由于工件受摩擦力作用而被傳遞到末端．若工件和傳送帶相對(duì)靜止，則涉及靜摩擦力做功，若工件和傳送帶有相對(duì)滑動(dòng)，則涉及滑動(dòng)摩擦力做功．例4

(多選)(2023年常德一中?？?傳送帶在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中都有廣泛的應(yīng)用，例如在港口用傳送帶裝卸貨物，在機(jī)場用傳送帶裝卸行李等，為人們的生活帶來了很多的便利．如圖甲所示為一傳送帶輸送貨物的簡化模型，長為L的傳送帶與水平面間的夾角為θ，傳送帶以速度v0逆時(shí)針勻速轉(zhuǎn)動(dòng)．在傳送帶的上端輕輕放置一個(gè)質(zhì)量為m的小物塊，小物塊與傳送帶之間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ(設(shè)最大靜摩擦力等于滑動(dòng)摩擦力)，重力加速度為g．圖乙為小物塊運(yùn)動(dòng)的v-t圖像．根據(jù)以上信息可以判斷出(

)A．小物塊開始運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度為gsinθ＋μgcosθB．小物塊與傳送帶之間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ<tanθC．傳送帶始終對(duì)小物塊做正功D．若題中傳送帶以速度2v0逆時(shí)針勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，則小物塊運(yùn)動(dòng)到底端的時(shí)間更短【答案】AD

【解析】0～t0時(shí)間段，小物塊相對(duì)皮帶向上運(yùn)動(dòng)，滑動(dòng)摩擦力沿斜面向下，對(duì)小物塊進(jìn)行分析，由牛頓第二定律有mgsinθ＋μmgcosθ＝ma，解得a＝gsinθ＋μgcosθ，A正確；t0時(shí)刻之后小物塊做勻速運(yùn)動(dòng)，則有mgsinθ≤μmgcosθ，即有μ≥tanθ，B錯(cuò)誤；根據(jù)上述分析，0～t0時(shí)間段，物塊所受滑動(dòng)摩擦力沿傳送帶向下，傳送帶對(duì)物塊做正功，t0時(shí)刻之后，小物塊做勻速運(yùn)動(dòng)，物塊所受靜摩擦力沿傳送帶向上，傳送帶對(duì)物塊做負(fù)功，C錯(cuò)誤；若傳送帶以更大速度運(yùn)動(dòng)，小物塊加速運(yùn)動(dòng)時(shí)間更長，平均速度更大，運(yùn)動(dòng)到底端的時(shí)間更短，D正確．例5某快遞公司分揀郵件的水平傳輸裝置示意圖如圖所示，皮帶在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下保持v＝1m/s的恒定速度向右運(yùn)動(dòng)，現(xiàn)將一質(zhì)量m＝2kg的郵件輕放在皮帶上，郵件和皮帶間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ＝0.5．設(shè)皮帶足夠長，g取10m/s2，在郵件與皮帶發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)的過程中，求：(1)郵件滑動(dòng)的時(shí)間t．(2)郵件對(duì)地的位移大小x．(3)郵件與皮帶間的摩擦力對(duì)皮帶做的功W．【答案】(1)0.2s

(2)0.1m

(3)－2J【解析】(1)設(shè)郵件放到皮帶上與皮帶發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)的過程中受到的滑動(dòng)摩擦力為F，則F＝μmg．根據(jù)牛頓第二定律，有F＝ma．又v＝at，解得t＝0.2s．(3)郵件與皮帶發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)的過程中，設(shè)皮帶相對(duì)地面的位移為s，則s＝vt．摩擦力對(duì)皮帶做的功W＝－Fs，代入數(shù)據(jù)，得W＝－2J．小練·隨堂鞏固1．(2023年中山二中月考)滑板運(yùn)動(dòng)是青少年喜愛的一項(xiàng)運(yùn)動(dòng)，一塊滑板由板面、滑板支架和四個(gè)輪子等部分組成．如圖，一位練習(xí)者踩著滑板在水平地面上向右減速滑行，若練習(xí)者的腳受到的摩擦力為f1，腳對(duì)滑板的摩擦力為f2，下列說法正確的是

(

)A．f1做正功，f2做負(fù)功B．f1做負(fù)功，f2做正功C．f1、f2均做正功D．因?yàn)槭庆o摩擦力，f1、f2都不做功【答案】B

【解析】由題意可知練習(xí)者和滑板一起向右減速滑行，即加速度方向向左，由牛頓第二定律可知，練習(xí)者的腳受到的摩擦力f1方向向左，由牛頓第三定律可知，滑板受到腳的摩擦力f2方向向右，人和滑板一起向右運(yùn)動(dòng)，故練習(xí)者的腳受到的摩擦力f1做負(fù)功，腳對(duì)滑板的摩擦力f2做正功，A、C、D錯(cuò)誤，B正確．2．(2023年廣州番禺區(qū)期末)引體向上是《國家學(xué)生體質(zhì)健康標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的男生測試項(xiàng)目之一．如圖所示，引體向上分為兩個(gè)過程：身體從最低點(diǎn)升到最高點(diǎn)的“上引”過程，身體從最高點(diǎn)回到最低點(diǎn)的“下放”過程．某同學(xué)在30s內(nèi)連續(xù)做了10個(gè)完整的引體向上，已知該同學(xué)質(zhì)量約為60kg，g取10m/s2則

(

)A．“上引”過程重力對(duì)人做正功B．“下放”過程重力對(duì)人做負(fù)功C．在30s內(nèi)重力對(duì)人做的總功約為3000JD．在30s內(nèi)克服重力做功3000J【答案】D

【解析】“上引”過程，重力向下，位移向上，則重力對(duì)人做負(fù)功，A錯(cuò)誤；“下放”過程，重力向下，位移向下，則重力對(duì)人做正功，B錯(cuò)誤；在30s內(nèi)人回到原來的位置，重力的位移為零，則重力對(duì)人做的總功為零，C錯(cuò)誤；“上引”過程，人的重心大約上升h＝0.5m，則在30s內(nèi)克服重力做功W＝10mgh＝10×60×10×0.5J＝3000J，D正確．3．如圖所示，擺球質(zhì)量為m，懸線的長為L，把懸線拉到水平位置后放手．設(shè)在擺球從A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)的過程中空氣阻力f的大小不變，則下列說法正確的是

(

)A．重力做功為mgLB．懸線拉力做負(fù)功C．空氣阻力做功為－fLD．空氣阻力f做功為－πfL【答案】A

4．(多選)(2023年東莞階段檢測)如圖所示，三個(gè)固定的斜面底邊長度都相等，斜面傾角分別為3