专题09功和功率——学生版.docx

专题9 功和功率（教师版） 一、目标要求 目标要求 重、难点 功的基本概念 重点 恒力做功 重点 变力做功 难点 功率的基本概念 重点 机车启动问题 重难点 二、知识点解析 1．功的定义 我们把恒力作用下，物体所受的力F和它在力的方向上的位移l的乘积，叫做这个力对物体做的功．用W表示功，若F和l的夹角是α，则上述定义可表示为： 2．功的说明 (1)做功的两个必要因素：一是力，二是在这个力方向上的位移． (2)式中的F一定是恒力(大小、方向都不变)，即此式是求恒力做功的公式．若是变力，则无法直接使用此式，需要借助微积分或者图像计算． (3)功的单位：在国际单位制中，功的单位是焦耳，简称焦，符号是J．1 J等于1 N的力使物体在力的方向上发生1 m的位移时所做的功． (4)功是过程量，反映力对位移的累积效果． (5)功是标量，虽有正负之分，但却无方向． 3．正功和负功 继续对公式讨论有： (1)当0≤α<时，，，表示力对物体做正功； (2)当时，，，表示力对物体不做功； (3)当<α≤π时，，，表示力对物体做负功． 可见，一个力作用于物体，可以对物体做正功，做负功，也可能不做功． 4．恒力做功的计算 当物体在几个力的共同作用下发生一段位移时，这几个力对物体所做的总功通常可以用下述两种方法求解： (1)根据公式，先分别求出各个力F1、F2 、… 对物体所做的功W1、W2、…，再求各力所做的功的代数和，即=W1+W2+…(注意代入时应注意功正负问题，即带入W时的正负号)． (2)由力的矢量合成方法先求出这几个力的合力，再根据功的公式，其中α是合力方向与位移方向之间的夹角． 5．变力做功的计算 （1）平均值法 基本依据：当力F的大小发生变化，且F、l成线性关系时，F的平均值，可用表示力F做的功． 基本方法：先判断变力F与位移l是否成线性关系，然后求出该过程初状态的力和末状态的力，再求出每段平均力和每段过程位移，然后由求其功． （2）图像法 原理：在F-l图象中，图线与坐标轴所围成的“面积”表示功，作出变力变化的F－l图象，图象与位移轴所围的“面积”即为变力做的功． 方法：对于方向在一条直线上，大小随位移变化的力，作出F-l图象，求出图线与坐标轴所围成的“面积”，就求出了变力所做的功． 如图所示，变力的功可用F-l图线与l轴所包围的面积表示．l轴上方的面积表示力对物体做了多少正功，l轴下方的面积表示力对物体做了多少负功． F l O l l0 （3）等效变换法 基本思路：在某些情况下，通过等效变换可以将变力做功转换成恒力做功，然后用求解． 基本方法：找出不变的因素，将变力做功转换成恒力做功及与之对应的位移，然后用求功公式求解． （4）微元求和法 基本思路：当物体在变力的作用下作曲线运动时，可用微元法将曲线分成无限个小元段，每一小元段可认为恒力做功，总功即为各个小元段做功的代数和． 基本方法：求出力在每小段位移方向上的分量，求出曲线总长度，总功即为各个小段做功的代数和． 6．功率的定义 功跟完成这些功所用时间的比值．定义式：． 7．功率的说明 (1)物理意义：描述做功快慢的物理量． (2)单位：瓦特，简称瓦，用W表示．1 W=1 J/s． (3)功率是标量． (4)额定功率指机器长时间正常工作时的最大输出功率，也就是机器铭牌上的标称值；实际功率指机器工作时实际输出的功率． 8．功率的两种表达式 功率①，将带入之后，可得到功率的另一种表达式：② 公式①、②分别为平均功率和瞬时功率的计算式． (1)平均功率描述力在一段时间内做功的快慢． 是平均功率的定义式，反映时间t内做功的快慢；我们也可以用来计算平均功率，此时，v表示的是平均速度． (2)瞬时功率是表示某个时刻做功快慢的物理量． 是瞬时功率的表达式，其中v为所求时刻的瞬时速度．同样，在时，也可以表示瞬时功率． 9．恒定的功率P启动 机车以恒定的功率P启动后，若运动过程中所受的阻力f不变，由于牵引力， 根据牛顿第二定律：，有：． 可知，当速度v增大时，加速度a减小．当加速度a＝0时，机车的速度达到最大，此时有：． 此后，机车保持速度为vm做匀速直线运动． 综上：恒定功率启动过程中，整个过程变化可表示为： 变加速直线运动 匀速直线运动 用v－t图表示这一过程为(最大速度之前是一段曲线)： 10．恒定的加速度a启动 由公式和知，F恒定，所以a恒定，机车做匀加速运动，而随着v的增大，P也将不断增大，直到P达到额定功率P额，功率不能再增大了．这时匀加速运动结束，其最大速度为，此后机车要想继续加速就只能做恒定功率的变加速运动了． 综上：恒定加速度启动过程中，整个过程变化可表示为： 匀速直线运动 变加速直线运动 匀加速直线运动 这一启动过程的v-t关系如图所示： 图象中的v1为机车以恒定加速度启动时，匀加速运动的末速度，但并非是加速过程的最大速度，因为此后还有一个变加速运动过程．而为机车以额定功率运动时所能达到的最大速度． 三、考查方向 题型1：恒力做功的计算 典例一：用40.0 N与水平成60°角向上的力作用在质量是10.0 kg的物体上，使它在水平地面上由静止开始做匀加速直线运动．物体与地面间的动摩擦因数为0.10．当物体通过2.0 m位移时 求：(1)物体所受各力对它做的功；(2)物体所受合力对它做的功． F 题型2：变力做功——微元法 典例二：(多选)如图所示，摆球质量为m，悬线的长为L，把悬线拉到水平位置后放手．设在摆球从A点运动到B点的过程中空气阻力F阻的大小不变，则下列说法正确的是( ) A．重力做功为mgL B．绳的拉力做功为0 C．空气阻力F阻做功为-mgL D．空气阻力F阻做功为阻πL 题型3：变力做功——平均值法 典例三：一辆汽车质量为105kg，从静止开始运动，其阻力为车重的0.05倍。其牵引力的大小与车前进的距离变化关系为F=103x+f0，f0是车所受的阻力。当车前进100m时，牵引力做的功是多少？ 题型4：功率的基本概念和功率的计算 典例四：如图，质量为m=2 kg的木块在倾角θ=37°的斜面上由静止开始下滑，木块与斜面间的动摩擦因数为0.5(sin37=0.6，cos37=0.8，g=10 m/s2)求：(斜面足够长) (1)前3 s内重力做多少功？ (2)前3 s内重力的平均功率？ (3)3 s末重力的瞬时功率？ 题型5：以恒定功率启动 典例五：一辆质量为2.0×103 kg的汽车以额定功率为6.0×104 W在水平公路上行驶，汽车受到的阻力为一定值，在某时刻汽车的速度为20 m/s，加速度为0.50 m/s2，(g取10 m/s2)求： (1)汽车受到的阻力是多大？ (2)汽车所能达到的最大速度是多大？ (3)当汽车的速度为10 m/s时的加速度是多大？ 题型6：以恒定加速度启动 典例六：一质量为4.0×103 kg，发动机额定功率为60 kW的汽车从静止开始以a=0.5 m/s2的加速度做匀加速直线运动，它在水平面上运动时所受的阻力为车重的0.1倍，g取10 m/s2，求 (1)启动2 s末发动机的输出功率； (2)它以0.5 m/s2的加速度做匀加速直线运动所能行驶的时间； (3)汽车在此路面上所能行驶的最大速度． 四、模拟训练 一、基础练习 1.关于功的概念，以下说法正确的是(　　) A．力是矢量，位移是矢量，所以功也是矢量 B．功有正、负之分，所以功可能有方向性 C．功是标量 D．-10 J的功小于+5 J的功 2.(多选)一同学穿着旱冰鞋处于静止状态,推一下竖直墙壁后有了向后的速度。关于该同学推墙的过程中,下列说法正确的是(　　) A.墙壁对该同学做正功 B.墙壁对该同学没有做功 C.该同学对墙壁做正功 D.该同学对墙壁没有做功 3.(多选)把一个物体竖直向上抛出去，该物体上升的最大高度是h，若物体的质量为m，所受的空气阻力大小恒为f，则在从物体被抛出到落回抛出点的全过程中( ) A．重力所做的功为零 B．重力所做的功为2mgh C．空气阻力做的功为零 D．空气阻力做的功为﹣2fh 4.在光滑水平面上推物块和在粗糙水平面上推物块相比较，如果所用的水平推力相同，物块在推力作用下通过的位移相同，则推力对物块所做的功( ) A．一样大 B．在光滑水平面上推力所做的功较多 C．在粗糙水平面上推力所做的功较多 D．要由物块通过这段位移的时间决定 5.如图所示,一物体分别沿AO、BO轨道由静止滑到底端,物体与轨道间的动摩擦因数相同,物体克服摩擦力做功分别为W1和W2。则(　　) A.W1>W2 B.W1=W2 C.W1<W2 D.无法比较 6.如图所示，某力F=10 N作用于半径R=1m的转盘的边缘上，力F的大小保持不变，但方向始终保持与作用点的切线方向一致，则转动一周这个力F做的总功应为：( ) A、 0 J　 B、20πJ　 C 、10 J　 D、20 J 7.(多选)关于功率下列说法中正确的是(　　) A．功率大说明物体做的功多 B．功率小说明物体做功慢 C．由P=可知，机器做功越多，其功率越大 D．单位时间机器做功越多，其功率越大 8.关于功率，下列认识正确的是(　　) A．由，可知功率越大的机器做的功越多 B．由P=Fv，可知汽车发动机功率越大，汽车的速率越大 C．由，可知单位时间内做功越多则功率越大 D．由P=Fv，可知做功的力越大其功率越大 9.下列关于功率的说法中正确的是(　　) A．功率越大，做功越快 B．瞬时功率始终大于平均功率 C．实际功率一定等于额定功率 D．功率越大，做功越多 10.如图所示，分别用力F1、F2、F3将质量为m的物体，由静止沿同一光滑斜面以相同的加速度，从斜面底端拉到斜面的顶端，物体到达斜面顶端时，力F1、F2、F3的平均功率关系为(　　) A．P1=P2=P3 B．P1＞P2=P3 C．P3＞P2＞P1 D．P1＞P2＞P3 11.(多选)如图甲所示，一可视为质点的物块静止在倾角θ=37°的粗糙固定斜面的顶端，现对物块施加一个沿斜面向下的推力F，力F的大小随时间t的变化情况如图乙所示，物块的速率v随时间t的变化规律如图丙所示，4 s末物块恰好运动到斜面底端，取sin37°=0.6，cos37°=0.8，重力加速度g取10 m/s2．下列说法正确的是( ) A．第2 s末，力的瞬时功率为0.32 W B．第4 s内，力做功的平均功率为0.24 W C．前4 s内，力的平均功率为0.24 W D．0～4 s时间内，力的最大功率为0.32 W 12.(多选)质量为2×103 kg，发动机额定功率为80 kW的汽车在平直公路上行驶，若汽车所受阻力大小恒为4×103 N，则下列判断中正确的有( ) A．汽车的最大速度是20 m/s B．若汽车以加速度2 m/s2匀加速启动，启动后第2 s末时发动机实际功率为32 kW C．若汽车以加速度2 m/s2匀加速启动，达到最大速度时阻力做功为1×105 J D．若汽车保持额定功率启动，则当汽车速度为5 m/s时，其加速度为6 m/s2 13.用F=100 N的水平恒力拉质量m=20 kg的小木箱，使木箱在水平地面上由静止开始做匀加速直线运动，如图所示．已知木箱与地面之间的动摩擦因数μ=0.40，重力加速度g=10m/s2．求： (1)木箱的加速度a的大小； (2)木箱运动2.0 s时，它的速度v的大小； (3)从静止开始到木箱运动2.0 s的过程中，水平恒力F对木箱做的功W． 14.汽车的质量为2×103 kg，其发动机的额定功率为80 kW，汽车在水平路面上行驶时，运动过程中阻力大小不变，阻力是车重的0.2倍(g=10 m/s2)求： (1)汽车从静止启动时能达到的最大速度是多少？ (2)若汽车以2 m/s2的加速度从静止开始做匀加速直线运动，求这一过程能维持的时间及牵引力所做的功？ (3)4 s末汽车牵引力做功的瞬时功率． 二、提升练习 1.（2017·新课标Ⅱ卷）如图,一光滑大圆环固定在桌面上,环面位于竖直平面内,在大圆环上套着一个小环。小环由大圆环的最高点从静止开始下滑,在小环下滑的过程中,大圆环对它的作用力(　　) A.一直不做功 B.一直做正功 C.始终指向大圆环圆心 D.始终背离大圆环圆心 2.质量为m的物体静止在倾角为θ的斜面上，当斜面沿水平方向向右匀速移动了距离s时，如图所示，物体m相对斜面静止，则下列说法中不正确的是(　　) A．摩擦力对物体m做功为零 B．合力对物体m做功为零 C．摩擦力对物体m做负功 D．弹力对物体m做正功 3.如图所示，在水平面上，有一弯曲的槽道弧AB，槽道由半径分别为和R的两个半圆构成，现用大小恒为F的拉力将一光滑小球从A点沿滑槽道拉至B点，若拉力F的方向时时刻刻均与小球运动方向一致，则此过程中拉力所做的功为( ) A．0 B．FR C．πFR D．2πFR 4.（2018·新课标全国III卷·多选）地下矿井中的矿石装在矿车中，用电机通过竖井运送至地面。某竖井中矿车提升的速度大小v随时间t的变化关系如图所示，其中图线①②分别描述两次不同的提升过程，它们变速阶段加速度的大小都相同；两次提升的高度相同，提升的质量相等。不考虑摩擦阻力和空气阻力。对于第①次和第②次提升过程（ ） A．矿车上升所用的时间之比为4:5 B．电机的最大牵引力之比为2:1 C．电机输出的最大功率之比为2:1 D．电机所做的功之比为4:5 5.(多选)某汽车从静止开始以加速度a匀加速启动，最后做匀速运动．已知汽车的质量为m，额定功率为p，匀加速运动的末速度为v1，匀速运动的速度为vm，所受阻力为f．下图是反映汽车的速度随时间及加速度、牵引力和功率随速度变化的图象，其中正确的是(　　) A． B． C． D．