2023年高考物理总复习名师学案机械能50页WORD147381doc高中物理.docx

2023高考物理总复习名师学案--机械能（50页WORD）  ●考点指要 知识点 要求程度 1.功、功率 Ⅱ 2.动能.做功跟动能改变的关系 Ⅱ 3.重力势能.做功跟重力势能改变的关系 Ⅱ 4.弹性势能 Ⅰ 5.机械能守恒定律及其应用 Ⅱ 6.动量知识和机械能知识的应用 Ⅱ ●复习导航 功和能的概念是物理学中重要的概念.功和能量转化的关系不仅为解决力学问题开辟了一条新的重要途径，同时它也是分析解决电磁学、热学等领域中问题的重要依据.运用能量的观点分析解决有关问题时，可以不涉及过程中力的作用细节，关心的只是过程中的能量转化的关系和过程的始末状态，这往往更能把握住问题的实质，使解决问题的思路变得简捷，并且能解决一些用牛顿定律无法解决的问题. 综观近几年高考，对本章考查的热点包括：功和功率、动能定理、机械能守恒定律、能的转化和守恒定律.考查的特点是灵活性强、综合面大、能力要求高.如变力功的求法以及本章知识与牛顿运动定律、圆周运动、动量定理、动量守恒定律及电磁学（电场、磁场、电磁感应）、热学知识的综合应用等等.功、能关系及能的转化和守恒定律贯穿整个高中物理，能的观点是解决动力学问题的三个根本观点之一，且常与另外两个观点（力的观点、动量观点）交叉综合应用.涉及本章知识的命题不仅年年有、题型全（选择题、填空题、实验题、论述计算题）、份量重，而且多年的高考压轴题均与本章的功、能知识有关.这些试题的共同特点是，物理情景设置新颖，物理过程复杂，条件隐蔽，是拉开得分的关键，对学生的分析综合能力，推理能力和利用数学工具解决物理问题的能力要求均很高.解题时需对物体或系统的运动过程进行详细分析，挖掘隐含条件，寻找临界点，综合使用动量守恒定律、机械能守恒定律和能的转化和守恒定律求解.还需指出的是“弹性势能〞在“高考说明〞中只要求定性了解，是I级要求，但在近几年的高考中常出现弹性势能参与的能的转化和守恒试题，如1997年全国高考25题，2022年全国高考22题.对涉及弹性势能与其他形式的能相互转化的过程，一定要真正明了，不可掉以轻心. 本章分为三个单元组织复习：(Ⅰ)功.功率.(Ⅱ)动能定理·机械能守恒定律.(Ⅲ)动量和能量. 第Ⅰ单元 功·功率 ●知识聚焦 一、功 1.物体受到力的作用，并且在力的方向上发生一段位移，就叫做力对物体做了功. 力和在力的方向上发生的位移是做功的两个不可缺少的因素. 2.计算功的一般公式： W＝Fscosα 其中F在位移s上应是恒力，α是F与位移s的夹角. 假设α＝90°，那么F不做功；假设0°≤α＜90°，那么F做正功；假设90°＜α≤180°，那么力F做负功(或说物体克服F做了功). 3.功是标量 功的正、负表示是动力对物体做功还是阻力对物体做功，前者取正，后者取负. 当物体同时受到几个力作用时，计算合外力的功有两种方法： 一是先用平行四边形定那么求出合外力，再根据W＝F合scosα计算功.注意α应是合外力与位移s间的夹角. 二是先分别求各个外力的功： W1＝F1scosα1，W2＝F2scosα2，…再把各个外力的功代数相加. 二、功率 1.功率是表示物体做功快慢的物理量.功跟完成这些功所用时间的比叫做功率. 2.公式：①P＝.这是物体在t时间内的平均功率. ②P＝Fvcosα.当v是瞬时速度，P那么是瞬时功率；假设v是平均速度，P那么是平均功率.α是F与v方向间的夹角. 3.发动机铭牌上的额定功率，指的是该机正常工作时的最大输出功率.并不是任何时候发动机的功率都等于额定功率.实际输出功率可在零和额定值之间取值. 发动机的功率即是牵引力的功率，P＝Fv.在功率一定的条件下，发动机产生的力F跟运转速度成反比. ●疑难解析 1.功的正、负的含义. 功是标量，所以，功的正、负不表示方向.功的正、负也不表示功的大小，比较功的大小时，要看功的绝对值，绝对值大的做功多，绝对值小的做功少.功的正、负表示是动力对物体做功还是阻力对物体做功，或者说功的正、负表示是力对物体做了功，还是物体克服这个力做了功.从动能定理的角度理解，力对物体做正功，使物体的动能增加，力对物体做负功，使物体的动能减少，即功的正、负与物体动能的增、减相对应. 2.功和冲量的比较 （1）功和冲量都是表示力和累积效果的过程量，但功是表示力的效果在一段位移上的累积效应，而冲量那么是表示力的效果在一段时间内的累积效应. （2）功是标量，其正、负号表示是动力对物体做功还是阻力对物体做功.冲量是矢量，其正、负号表示方向. （3）做功的多少由力的大小、位移的大小及力和位移的夹角三个因素决定.冲量的大小只由力的大小和时间两个因素决定.力作用在物体上一段时间，力的冲量一定不为零，但力对物体做的功可能为零. （4）一对作用力、反作用力的冲量一定大小相等，方向相反；但一对作用力、反作用力做的功却没有确定的关系.由于相互作用的两个物体可能都静止，也可能同方向运动，还可能反方向运动，甚至是一个运动另一个静止，正是由于相互作用的两物体的位移关系不确定，使得一对作用力、反作用力做的功没有确定关系.可能都不做功，可能一个力做正功另一个力做负功，也可能两个力都做正功或都做负功，还可能一个力做功而另一个力不做功. 3.有些情况直接由力和位移来判断力是否做功会有困难，此时也可以从能量转化的角度来进行判断. 假设有能量的转化，那么必定有力做功.此法常用于两个相联系的物体.如图6—1—1，斜面体a放在光滑水平面上，斜面光滑，使物体b自斜面的顶端由静止滑下.假设直接由功的定义式判定a、b间弹力做功的情况就比较麻烦.从能量转化的角度看，当b沿斜面由静止滑下时，a即由静止开始向右运动，即a的动能增大了，因而b对a的弹力做了正功.由于a和b组成的系统机械能守恒，a的机械能增加，b的机械能一定减少，因而a对b的支持力对b一定做了负功. 图6—1—1 4.变力功的计算.一类是与势能相关联的力，比方重力、弹簧的弹力以及电场力等，它们的功与路径无关，只与始末位置有关，这类力对物体做正功，物体势能减少；物体克服这类力做功，物体的势能增加.因此，可以根据势能的变化求对应变力做的功. 另一类如滑动摩擦力、空气阻力等，在曲线运动或往返运动时，这类力的功等于力和路程(不是位移)的乘积.之外，有些变力的功还可以用动能定理或能的转化守恒定律来求. ●典例剖析 ［例1］质量为M的长木板放在光滑的水平面上，一个质量为m的滑块以某一速度沿木板外表从A点滑至B点在木板上前进了L，而木板前进s，如图6—1—2所示.假设滑块与木板间摩擦因数为μ，求摩擦力对滑块、对木板做功各为多少 图6—1—2 【解析】在计算功的时候，首先要分析物体的受力情况，然后再确定物体相对于地的位移，剩下的工作才是代入公式进行计算.滑块受力情况如图6—1—3(甲)所示，滑块相对于地的位移为(s+L)，摩擦力对滑块做的功为 图6—1—3 W1＝－μmg（s＋L）. 木板受力如图6—1—3(乙)，物体相对于地的位移为s.摩擦力对木板做的功为W2＝μmgs. 【思考】 (1)滑动摩擦力是否一定做负功静摩擦力是否一定不做功 (2)作用力和反作用力大小相等、方向相反，它们做的功是否也大小相等，一正一负试举例说明有哪些可能情况. 【思考提示】（1）滑动摩擦力一定与相对运动方向相反，但不一定与运动方向相反，所以，滑动摩擦力可能做正功、也可能做负功，还可能不做功.产生静摩擦力的两物体保持相对静止，但不一定都处于静止状态，所以，静摩擦力可能对物体做功. （2）作用力、反作用力由于分别作用于两个不同物体，它们的位移没有确定关系，所以，它们所做的功也就没有确定关系. 【设计意图】 通过本例说明（1）求力对物体做的功时，W=Fscosα中的s是力F所作用的物体质点的位移；（2）摩擦力既可做正功，也可做负功；（3）一对作用力、反作用力做的功没有确定关系. ［例2］质量m=5.0 kg的物体，以10 m/s的速度水平抛出.求抛出后第1 s内重力做功的平均功率和抛出后第1 s末重力的瞬时功率. 【解析】根据功率的概念，重力的功率等于重力与重力方向上速度的乘积，水平方向分速度的大小与功率无关.P=Fv中的速度v是物体竖直方向的平均速度时，所对应的P那么是平均功率；当v是瞬时速度时，所对应的P那么是瞬时功率.物体平抛后在竖直方向上做的是自由落体运动.所以第1 s内竖直方向的平均速度为： m/s=5 m/s 所以第1 s内物体所受重力的平均功率为： W=250 W 物体第1 s末竖直方向的瞬时速度为： v=gt=10×1 m/s=10 m/s 所以第1 s末重力的瞬时功率为： P=mgv=5.0×10×10 W=500 W 【说明】 在计算平均功率时首选公式应是P=，其实P=和P=Fv都可以计算平均功率，也都可以计算瞬时功率.匀速行驶的汽车，用P=算出的牵引力的功率，既是t时间的平均功率，也是任一时刻的瞬时功率.在计算瞬时功率时的首选公式应是P=Fv，从此题求解也可看出，对于恒力做功的功率，P=Fv在计算平均功率和瞬时功率时也是等效的. 【设计意图】 通过本例说明求瞬时功率和平均功率的方法. ［例3］人在A点拉着绳通过一定滑轮吊起质量m=50 kg的物体，如图6—1—4所示，开始绳与水平方向夹角为60°，当人匀速提起重物由A点沿水平方向运动s=2 m而到达B点，此时绳与水平方向成30°角，求人对绳的拉力做了多少功 图6—1—4 【解析】人对绳的拉力大小虽然始终等于物体的重力，但方向却时刻在变，而的位移s又是人沿水平方向走的距离，所以无法利用W＝Fscosα直接求拉力的功.假设转换一下研究对象那么不难发现，人对绳的拉力的功与绳对物体的拉力的功是相同的，而绳对物体的拉力那么是恒力.这种转换研究对象的方法也是求变力功的一个有效途径. 设滑轮距地面的高度为h，那么： h(cot30°-cot60°)=sAB ① 人由A走到B的过程中，重物G上升的高度Δh等于滑轮右侧绳子增加的长度，即： Δh＝ ② 人对绳子做的功为 W＝Fs＝GΔh ③ 代入数据可得： W≈732 J 【思考】 (1)重物匀速上升的过程中，人对地面的压力如何变摩擦力大小如何变 (2)重物匀速上升时，人的运动是匀速吗假设人由A以速度v匀速运动到B，人对绳做的功还是732 J吗 【思考提示】 （1）压力逐渐增大，摩擦力逐渐增大.（2）重物匀速上升时，人的速度为v′=，随着α减小，人的速度逐渐减小.假设人从A到B匀速运动，那么物体加速上升，人对绳做的功大于732 J. 【设计意图】 通过本例说明可以利用等效法改变研究对象求变力的功. ［例4］汽车发动机的额定牵引功率为60 kW，汽车质量为5 t,汽车在水平路面上行驶时，阻力是车重的0.1倍，试问： （1）汽车保持以额定功率从静止起动后能到达的最大速度是多少？ （2）假设汽车从静止开始，保持以0.5 m/s2的加速度做匀加速直线运动，这一过程能维持多长时间？ 【解析】（1）汽车受力如图6—1—5所示，汽车一开始就保持额定功率，那么它运动中的各个量（牵引力、加速度、速度）是怎样变化呢？下面是这个动态过程的简单方框图. 图6—1—5 所以汽车到达最大速度时，a=0,此时， vm=p/μmg=6.0×105/0.1×5×103×10 m/s=12 m/s. （2）汽车以恒定加速度起动后的各个量（牵引功率、牵引力、加速度、速度）的变化如下（方框图所示）： 所以v在到达最大值之前已经历了两个过程：匀加速变加速. 匀加速运动的加速度a=(F-