新教材魯科版必修第二冊-1.3-動能和動能定理-課件(69張)

1、第3節(jié)動能和動能定理 一、動能任務(wù)驅(qū)動臺風(fēng)、龍卷風(fēng)等強(qiáng)烈的空氣流動具有巨大的能量,可以拔起大樹、掀翻汽車,甚至摧毀房屋。那么臺風(fēng)、龍卷風(fēng)具有的動能和什么有關(guān)系?提示:質(zhì)量和速度。1.定義:物體由于_而具有的能量。2.表達(dá)式:_。3.單位:與功的單位相同,國際單位為_。1 J= _=_。4.特點(diǎn):動能是_,只有大小沒有方向,與物體的速度方向無關(guān)。 運(yùn)動焦耳1 Nm1 kg(m/s)2標(biāo)量二、恒力做功與動能改變的關(guān)系任務(wù)驅(qū)動保齡球撞擊球瓶時,球的動能要減小,那么外力對保齡球做了什么功?提示:外力對保齡球做了負(fù)功,使球的動能減小。1.物理量的測量:用_測物體的位移和速度,用_測物體的質(zhì)量,用_給小車

2、提供作用力。2.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路:如圖所示,用細(xì)線通過定滑輪連接小車與鉤碼,紙帶通過打點(diǎn)計(jì)時器與小車相連。實(shí)驗(yàn)中,通過改變_來改變小車所受拉力的大小,測出需要測的物理量,然后算出_及相應(yīng)的_的改變量。打點(diǎn)計(jì)時器天平鉤碼鉤碼數(shù)量每次拉力做的功小車動能三、動能定理任務(wù)驅(qū)動運(yùn)動員用力將足球踢出,足球獲得了動能;足球在草地上由于受到了阻力的作用,速度越來越小,動能越來越小。若外力對物體做功,該物體的動能總會增加嗎?提示:動能不一定會增加,當(dāng)外力做的總功為正功時,動能增加;當(dāng)外力做的總功為負(fù)功時,動能減小。1.動能定理的推導(dǎo):如圖所示,質(zhì)量為m的物體,在恒力F作用下,經(jīng)位移l后,速度由v1增加到v2。根據(jù)牛

3、頓第二定律有F=ma,根據(jù)運(yùn)動學(xué)公式有:s= 。外力做的總功W=Fs=_。2.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_。3.表達(dá)式:W=_。4.兩點(diǎn)說明:(1)如果物體受到幾個力的共同作用,式中W為_所做的功,它等于各力做功的_。 (2)如果外力對物體做正功,物體的動能_,外力對物體做負(fù)功,物體的動能_。 動能的變化量Ek2-Ek1合外力代數(shù)和增大減小5.適用范圍:不僅適用于_做功和_運(yùn)動,也適用于_做功和_運(yùn)動的情況。恒力直線變力曲線主題一科學(xué)探究:影響動能大小的因素 【實(shí)驗(yàn)情境】準(zhǔn)備三個等大的小球,其中兩個質(zhì)量相同,第三個質(zhì)量大一些?！締栴}探究】(1)把質(zhì)量相同的兩個小球用

4、細(xì)線懸掛起來,使兩球并排緊靠。拉起右邊的小球,將它從不同高度釋放去撞擊左邊的小球?？梢园l(fā)現(xiàn)右球釋放位置越高,撞擊左球的速度越大,左球擺得就越高。這個實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明什么?提示:球動能的大小跟速度有關(guān)。(2)將右球換為質(zhì)量較大的小球,拉到與(1)中各次相同的初始高度,然后釋放?？梢园l(fā)現(xiàn)左球擺得更高,且撞擊后右球還可繼續(xù)運(yùn)動。這個實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明什么?提示:球動能的大小跟質(zhì)量有關(guān)?！窘Y(jié)論生成】動能的三性(物理觀念)(1)相對性:選取不同的參考系,物體的速度不同,動能也不同。(2)標(biāo)量性:只有大小,沒有方向。只有正值,沒有負(fù)值。(3)狀態(tài)量:動能是表征物體運(yùn)動狀態(tài)的物理量,與物體的運(yùn)動狀態(tài)(或某一時刻的速度

5、)相對應(yīng)?！镜淅痉丁?多選)在下列幾種情況中,甲、乙兩物體的動能相等的是()A.甲的速度是乙的2倍,甲的質(zhì)量是乙的 B.甲的質(zhì)量是乙的2倍,甲的速度是乙的 C.甲的質(zhì)量是乙的4倍,甲的速度是乙的 D.質(zhì)量相同,速度大小也相同,但甲向東運(yùn)動,乙向西運(yùn)動【解析】選C、D。由動能的表達(dá)式Ek= mv2知選項(xiàng)A、B錯誤,選項(xiàng)C正確。動能是標(biāo)量,選項(xiàng)D正確?！咎骄坑?xùn)練】1.兩個物體質(zhì)量比為14,速度大小之比為41,則這兩個物體的動能之比為()A.11B.14C.41D.21【解析】選C。由動能的表達(dá)式Ek= mv2可知 ,C選項(xiàng)正確。2.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

6、阻力,該過程中小球的動能Ek與時間t的關(guān)系圖像是()【解析】選A。小球做豎直上拋運(yùn)動時,設(shè)初速度為v0,則v=v0-gt,小球的動能Ek= mv2,把速度v代入得,Ek= mg2t2-mgv0t+ mv02,Ek與t為二次函數(shù)關(guān)系,下落過程做自由落體運(yùn)動,此過程動能為Ek= mv2= m(gt)2= t2,即此過程,Ek與t也成二次函數(shù)關(guān)系,且開口向上,故A正確?！狙a(bǔ)償訓(xùn)練】(多選)一質(zhì)量為0.1 kg的小球,以5 m/s的速度在光滑水平面上勻速運(yùn)動,與豎直墻壁碰撞后以原速率反彈,若以彈回的速度方向?yàn)檎较?則小球碰撞過程中的速度變化和動能變化分別是()A.v=10 m/sB.v=0C.Ek=

7、1 JD.Ek=0【解析】選A、D。因?yàn)樗俣仁鞘噶?故v=v2-v1=5 m/s-(-5 m/s)=10 m/s。而動能是標(biāo)量,初、末狀態(tài)的速度大小相等,故動能相等,因此Ek=0。選項(xiàng)A、D正確。 主題二科學(xué)探究:恒力做功與動能改變的關(guān)系 【實(shí)驗(yàn)情境】1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?探究恒力做功與物體_的關(guān)系。2.實(shí)驗(yàn)器材:長木板(一端附有滑輪)、_、鉤碼若干、_、紙帶、復(fù)寫紙片、刻度尺、細(xì)線。動能改變打點(diǎn)計(jì)時器小車3.實(shí)驗(yàn)原理:在鉤碼的拉動下,小車的速度發(fā)生了變化,也就是小車的動能發(fā)生了變化。鉤碼對小車的拉力對小車做了功,只要能求出小車_。小車運(yùn)動的_以及鉤碼對小車的_(近似等于鉤碼的重力),就可以研究W=F

8、s與Ek之間的關(guān)系。動能的變化量位移拉力4.實(shí)驗(yàn)步驟:(1)將打點(diǎn)計(jì)時器固定在長木板上,把紙帶的一端固定在小車的后面,另一端穿過打點(diǎn)計(jì)時器。改變木板傾角,使小車重力_平衡小車及紙帶受到的_,使小車做勻速直線運(yùn)動。沿斜木板方向的分力摩擦力(2)用細(xì)線將木板上的小車通過一個定滑輪與懸吊的鉤碼相連。接通電源,_,讓小車拖著紙帶運(yùn)動,打點(diǎn)計(jì)時器就在紙帶上打下一系列的點(diǎn)。(3)更換紙帶,重復(fù)實(shí)驗(yàn)。選擇一條點(diǎn)跡清晰的紙帶進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。放開小車5.數(shù)據(jù)處理:(1)小車速度的測量:通過實(shí)驗(yàn)獲得打點(diǎn)的紙帶,利用“勻變速直線運(yùn)動中,某段時間內(nèi)的平均速度等于該段時間中間時刻的瞬時速度”,即vn=_ 計(jì)算紙帶上選定的

9、點(diǎn)的速度。(2)外力做功的測量:確定所掛鉤碼的重力G,即確定小車受到的合外力F(F=_),由紙帶測出位移,然后由W=_算出功的數(shù)值。GFs(3)數(shù)據(jù)記錄細(xì)線拉力_小車質(zhì)量_6.注意事項(xiàng):(1)平衡摩擦力前,不掛重物,輕推小車后,小車能做_運(yùn)動。(2)必須保證懸掛小盤和砝碼的總質(zhì)量_(選填“等于”“遠(yuǎn)大于”或“遠(yuǎn)小于”)小車的質(zhì)量。勻速遠(yuǎn)小于【問題探究】(1)小車所受拉力的大小如何測量?提示:此過程細(xì)線的拉力對小車做功,由于鉤碼質(zhì)量很小,可認(rèn)為小車所受拉力F的大小等于鉤碼所受重力的大小(忽略鉤碼加速需要的合外力)。(2)小車發(fā)生位移的大小如何測量?提示:在紙帶上記下第一個點(diǎn)O的位置,再在紙帶上任

10、意點(diǎn)開始選取n個點(diǎn)1、2、3、4并量出各點(diǎn)到位置O的距離,即為小車運(yùn)動的位移s?！窘Y(jié)論生成】恒力所做的功與動能變化的關(guān)系(科學(xué)思維)在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi),恒力做的功等于物體動能的改變量?！镜淅痉丁?多選)在“探究恒力做功和物體動能變化關(guān)系”實(shí)驗(yàn)中。某同學(xué)的實(shí)驗(yàn)方案如圖所示,他想用鉤碼的重力表示小車受到的合外力,為了減小這種做法帶來的實(shí)驗(yàn)誤差,正確的措施是:_(選出所有正確選項(xiàng))。A.取下鉤碼,抬高木板一端,讓小車勻速下滑,平衡摩擦力B.實(shí)驗(yàn)中要保持鉤碼質(zhì)量遠(yuǎn)大于小車的質(zhì)量C.實(shí)驗(yàn)中要保持鉤碼質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量D.要先接通電源,然后釋放小車【解析】選A、C。用如圖裝置做探究恒力做功和物體動

11、能變化關(guān)系實(shí)驗(yàn)時,為減少實(shí)驗(yàn)誤差,要先平衡摩擦力,實(shí)驗(yàn)中要保持鉤碼質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量。故選A、C,D是正確的實(shí)驗(yàn)步驟,但不是減少本實(shí)驗(yàn)誤差的方法?！菊`區(qū)警示】探究恒力做功和物體動能變化關(guān)系實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)(1)實(shí)驗(yàn)時,要先平衡摩擦力。(2)實(shí)驗(yàn)中要保持鉤碼的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量。(3)實(shí)驗(yàn)中要注意先接通電源,然后釋放小車。【探究訓(xùn)練】在“探究恒力做功和物體動能變化之間的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)中。(1)某同學(xué)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如甲圖所示,該實(shí)驗(yàn)用鉤碼的重力表示小車受到的合外力,實(shí)驗(yàn)在安裝正確、操作規(guī)范的前提下(已平衡摩擦力)進(jìn)行,還需要滿足的條件是:_。(2)實(shí)驗(yàn)中,除位移、速度外,還要測出的物理量有:_。(3

12、)在上述實(shí)驗(yàn)中,打點(diǎn)計(jì)時器使用的交流電頻率為50 Hz。某同學(xué)平衡摩擦力時打出的一段紙帶如圖乙所示,則小車勻速運(yùn)動時的速度大小為_m/s。(計(jì)算結(jié)果保留三位有效數(shù)字)【解析】(1)實(shí)驗(yàn)時應(yīng)保證小車的質(zhì)量遠(yuǎn)大于鉤碼的質(zhì)量。因?yàn)楫?dāng)小車質(zhì)量遠(yuǎn)大于鉤碼質(zhì)量時,可認(rèn)為小車所受拉力F的大小等于鉤碼重力。(2)小車用細(xì)繩跨過滑輪與鉤碼連接,使小車在鉤碼的拉動下在木板上做由靜止開始的勻加速運(yùn)動,通過紙帶信息,測出鉤碼下落的高度(小車的位移)及小車對應(yīng)的速度,計(jì)算出拉力所做的功及小車具有的動能,分析比較,即可得出拉力做功與小車動能改變的關(guān)系。要求拉力的功和動能還需要測鉤碼和小車的質(zhì)量。(3)小車先加速后勻速運(yùn)動

13、,勻速運(yùn)動的速度可由DE段求得。v= =1.40 m/s。答案:(1)鉤碼的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量(2)鉤碼和小車的質(zhì)量(3)1.40【補(bǔ)償訓(xùn)練】某實(shí)驗(yàn)小組利用拉力傳感器和速度傳感器探究恒力做功與動能改變的關(guān)系。如圖甲,他們將拉力傳感器固定在小車上,用不可伸長的細(xì)線將其通過一個定滑輪與鉤碼相連,用拉力傳感器記錄小車受到拉力的大小。在水平桌面上相距50.0 cm的A、B兩點(diǎn)各安裝一個速度傳感器,記錄小車通過A、B點(diǎn)時的速度大小。小車中可以放置砝碼。(1)實(shí)驗(yàn)主要步驟如下:測量_和拉力傳感器的總質(zhì)量M1;把細(xì)線的一端固定在拉力傳感器上,另一端通過定滑輪與鉤碼相連;正確連接所需電路。將小車停在C點(diǎn),_

14、,小車在細(xì)線拉動下運(yùn)動,記錄細(xì)線的拉力及小車通過A、B點(diǎn)時的速度。在小車中增加砝碼或_,重復(fù)的操作。(2)如表是他們測得的一組數(shù)據(jù),其中M是M1與小車中砝碼質(zhì)量之和。| - |是兩個速度傳感器記錄速度的平方差的絕對值,可以據(jù)此計(jì)算出動能的變化量Ek,F是拉力傳感器受到的拉力,W是F在A、B間所做的功。表格中的Ek3=_,W3=_。(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)數(shù)據(jù)記錄表(3)根據(jù)表格,請?jiān)趫D乙中的方格紙上作出Ek-W圖線?！窘馕觥?1)實(shí)驗(yàn)的研究對象是小車(包括砝碼和拉力傳感器),所以應(yīng)測量小車及拉力傳感器的質(zhì)量(砝碼質(zhì)量已知);為使小車穩(wěn)定運(yùn)行,小車最好由靜止釋放;重復(fù)實(shí)驗(yàn),可通過增減砝碼的數(shù)量即

15、改變研究對象的質(zhì)量來實(shí)現(xiàn)。(2)由表中數(shù)據(jù)解得:Ek3= M( )=0.600 J,W3=F3s=1.220.500 J=0.610 J。(3)Ek-W圖線是一條過原點(diǎn)的傾斜直線。答案:(1)小車由靜止開始釋放減少砝碼(2)0.600 J0.610 J(3)Ek-W圖線如圖所示主題三動能定理的理解和應(yīng)用 【生活情境】如圖所示,木箱(可視為質(zhì)點(diǎn))從長為L、傾角為的光滑斜面頂端由靜止滑下。 【問題探究】(1)木箱受幾個力作用?各做什么功?怎么求合力的功?提示:木箱受重力和支持力兩個力。重力做正功,支持力不做功,合力做的功等于重力做的功。(2)如何求木箱到達(dá)斜面底端時的速度?能用多種方法求解木箱到達(dá)

16、斜面底端時的速度嗎?哪種方法簡單?提示:解法一:先求物體加速度a,再根據(jù)公式v2=2ax得物體到達(dá)斜面底端的速度。解法二:根據(jù)動能定理mgLsin= mv2,可以求得物體到達(dá)斜面的底端的速度。比較兩種求法,應(yīng)用動能定理求解比較簡單。【結(jié)論生成】動能定理公式中體現(xiàn)的三個關(guān)系(科學(xué)思維)(1)數(shù)量關(guān)系:合力所做的功與物體動能的變化具有等量代換關(guān)系。可以通過計(jì)算物體動能的變化,求合力做的功,進(jìn)而求得某一力做的功。(2)單位關(guān)系:等式兩側(cè)物理量的國際單位都是焦耳。(3)因果關(guān)系:合力的功是引起物體動能變化的原因。【典例示范】(2019全國卷)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

17、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 kgB.1.5 kgC.1 kgD.0.5 kg【解析】選C。對上升過程,由動能定理,-(F+mg)h=Ek-Ek0,得Ek=Ek0-(F+mg)h,即F+mg=-k=12 N;下落過程中,設(shè)物體從最高處下落到地面的距離為l,由動能定理可得(mg-F)(l-h)=Ek,轉(zhuǎn)換可得Ek=(mg-F)l-(mg-F)h,即mg-F=-k=8 N,聯(lián)立兩公式,得到m=1 kg、F=2 N,故只有C正確?！疽?guī)律方法】應(yīng)用動能定理

18、的思路(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)應(yīng)用動能定理時,必須明確各力做功的正、負(fù)。(3)應(yīng)用動能定理解題,關(guān)鍵是對研究對象進(jìn)行準(zhǔn)確的受力分析及運(yùn)動過程分析,并畫出物體運(yùn)動過程的草圖,借助草圖理解物理過程和各量關(guān)系?！咎骄坑?xùn)練】1.如圖所示,固定斜面傾角為,整個斜面分為AB、BC兩段,AB=2BC。小物塊P(可視為質(zhì)點(diǎn))與AB、BC兩段斜面間的動摩擦因數(shù)分別為1、2。已知P由靜止開始從A點(diǎn)釋放,恰好能滑動到C點(diǎn)而停下,那么、1、2間應(yīng)滿足的關(guān)系是()A.tan = B.tan = C.tan =21-2D.tan =22+1【解析】選B。由動能定理得mgACsin -1mgcos AB-2mgcos BC=0,則有tan = ,B項(xiàng)正確。2.(多選)人通過滑輪將質(zhì)量為m的物體沿粗糙的斜面由靜止開始勻加速