3.动能定理与其他知识的综合

例3: 静置在光滑水平面上坐标原点处的小物块,在水平拉力F作用下,沿x轴方向运动,拉力F随物块所在位置坐标x的变化关系如图5所示,图线为半圆.则小物块运动到x0处时的动能为(    )

A.0     B.   C.  D.

解析  由于水平面光滑,所以拉力F即为合外力,F随位移X的变化图象包围的面积即为F做的功,由图线可知,半圆的半径为:

设x0处的动能为EK,由动能定理得:

即:,有:,

解得:,所以本题正确选项为C、D。

反思:不管是否恒力做功,也不管是否做直线运动,该动能定理都成立;本题是变力做功和力与位移图像相综合,对变力做功应用动能定理更方便、更迅捷,平时应熟练掌握。

4动能定理和牛顿第二定律相结合

例4、如图10所示,某要乘雪橇从雪坡经A点滑到B点,接着沿水平路面滑至C点停止。人与雪橇的总质量为。右表中记录了沿坡滑下过程中的有关数据,开始时人与雪橇距水平路面的高度,请根据右表中的数据解决下列问题:

  (1)人与雪橇从A到B的过程中,损失的机械能为多少?

  (2)设人与雪橇在BC段所受阻力恒定,求阻力的大小。

  (3)人与雪橇从B运动到C的过程中所对应的距离。(取)

位置
A
B
C
速度(m/s)
2.0
12.0
0
时刻(s)
0
4.0
10.0

图10

解析:(1)从A到B的过程中,人与雪橇损失的机械能为

 

代入数据解得:

(2)人与雪橇在BC段做减速运动的加速度大小 :

根据牛顿第二定律有  

解得  N  

(3)人与雪橇从B运动到C的过程中由动能定得得: 

代入数据解得: 

反思:动能定理是研究状态,牛顿第二定律是研究过程。动能定理不涉及运动过程中的加速度和时间,用它来处理问题要比牛顿定律方便,但要研究加速度就必须用牛顿第二定律。

热点1:动能定理

例1、半径的竖直放置的圆轨道与水平直轨道相连接。如图6所示。质量为的小球A以一定的初速度由直轨道向左运动,并沿圆轨道的内壁冲上去,如果A经过N点时的速度A经过轨道最高点M时对轨道的压力为,取.

求:小球A从N到M这一段过程中克服阻力做的功W.

图6

解析:解析:小球运动到M点时,速度为,轨道对球的作用力为N,

由向心力公式可得:

即:

从N到M点由动能定理:

即:

答案:

反思:应用动能定理解题时,要选取一个过程,确定两个状态,即初状态和末状态,以及与过程对应的所有外力做功的代数和.由于动能定理中所涉及的功和动能是标量,无需考虑方向.因此,无论物体是沿直线还是曲线运动,无论是单一运动过程还是复杂的运动过程,都可以求解.

热点2:机械能守恒定律

例2、如图7所示,在长为L的轻杆中点A和端点B各固定一质量均为m的小球,杆可绕无摩擦的轴O转动,使杆从水平位置无初速释放摆下。求当杆转到竖直位置时,轻杆对A、B两球分别做了多少功?

图7

本题简介:本题考查学生对机械能守恒的条件的理解,并且机械能守恒是针对A、B两球组成的系统,单独对A或B球来说机械能不守恒. 单独对A或B球只能运用动能定理解决。

解析:设当杆转到竖直位置时,A球和B球的速度分别为和。如果把轻杆、地球、两个小球构成的系统作为研究对象,那么由于杆和小球的相互作用力做功总和等于零,故系统机械能守恒。

若取B的最低点为零重力势能参考平面,可得: ①

又因A球对B球在各个时刻对应的角速度相同,故 ②

由①②式得:.

根据动能定理,可解出杆对A、B做的功。

对于A有:,即:

对于B有:,即:.

答案:、

反思:绳的弹力是一定沿绳的方向的,而杆的弹力不一定沿杆的方向。所以当物体的速度与杆垂直时,杆的弹力可以对物体做功。机械能守恒是针对A、B两球组成的系统,单独对系统中单个物体来说机械能不守恒. 单独对单个物体研究只能运用动能定理解决。学生要能灵活运用机械能守恒定律和动能定理解决问题。.

热点3:能量守恒定律

例3、如图4-4所示,质量为M,长为L的木板(端点为A、B,中点为O)在光滑水平面上以v0的水平速度向右运动,把质量为m、长度可忽略的小木块置于B端(对地初速度为0),它与木板间的动摩擦因数为μ,问v0在什么范围内才能使小木块停在O、A之间?

图4-4

本题简介:本题是考查运用能量守恒定律解决问题,因为有滑动摩擦力做功就有一部分机械能转化为内能。在两个接触面上因相对滑动而产生的热量,其中为滑动摩擦力,为接触物的相对路程。

解析:木块与木板相互作用过程中合外力为零,动量守恒.

设木块、木板相对静止时速度为 v,则 (M +m)v = Mv0        ①

能量守恒定律得:   ②

滑动摩擦力做功转化为内能:      ③

              ④

由①②③④式得: v0 的范围应是:

≤v0≤.

答案:≤v0≤

反思:只要有滑动摩擦力做功就有一部分机械能转化为内能,转化的内能:,其中为滑动摩擦力,为接触物的相对路程。

考点1:平均功率和瞬时功率

例1、物体m从倾角为α的固定的光滑斜面由静止开始下滑,斜面高为h,当物体滑至斜面底端时,重力做功的功率为(  )

A.  B.  C. D.

解析:由于光滑斜面,物体m下滑过程中机械能守恒,滑至底端是的瞬时速度,根据瞬时功率。

图1

由图1可知,的夹角则滑到底端时重力的功率是,故C选项正确。

答案:C

 点拨:计算功率时,必须弄清是平均功率还是瞬时功率,若是瞬时功率一定要注意力和速度之间的夹角。瞬时功率(为,的夹角)当,有夹角时,应注意从图中标明,防止错误。

考点2:机车起动的问题

例2质量的汽车,发动机的额定功率为,汽车从静止以的加速度行驶,所受阻力,则汽车匀加速行驶的最长时间为多少?汽车可能达到的最大速度为多少?

解析:汽车从静止开始,以恒定加速度a做匀加速直线运动.

汽车匀加速行驶时,设汽车发动的牵引力为,汽车匀加速运动过程的末速度为,汽车匀加速运动的时间为根据牛顿第二定律:   ①

由于发动机的功率:     ②

根据运动学公式:       ③

由①②③式得:

当汽车加速度为零时,汽车有最大速度,则:

点拨:汽车的速度达到最大时,一定是机车的加速度为零,弄清了这一点,利用平衡条件就很容易求出机车的最大速度。汽车匀加速度运动能维持多长时间,一定是机车功率达到额定功率的时间,弄清了这一点,利用牛顿第二定律和运动学公式就很容易求出机车匀加速度运动能维持的时间。

考点3:动能定理的应用

例3如图2所示,斜面足够长,其倾角为α,质量为m的滑块,距挡板P为,以初速度沿斜面上滑,滑块与斜面间的动摩擦因数为μ,滑块所受摩擦力小于滑块沿斜面方向的重力分力,若滑块每次与挡板相碰均无机械能损失,求滑块在斜面上经过的总路程为多少?

图2

解析:滑块在滑动过程中,要克服摩擦力做功,其机械能不断减少;又因为滑块所受摩擦力小于滑块沿斜面方向的重力分力,所以最终会停在斜面底端。

在整个过程中,受重力、摩擦力和斜面支持力作用,其中支持力不做功。设其经过和总路程为L,

对全过程,由动能定理得: 

得:

点拨:物体在某个运动过程中包含有几个运动性质不同的小过程(如加速、减速的过程),此时可以分段考虑,也可以对全过程考虑,但如能对整个过程利用动能定理列式则使问题简化。

考点4:会用解物理问题

    例4如图4-2所示,小车的质量为,后端放一质量为的铁块,铁块与小车之间的动摩擦系数为,它们一起以速度沿光滑地面向右运动,小车与右侧的墙壁发生碰撞且无能量损失,设小车足够长,则小车被弹回向左运动多远与铁块停止相对滑动?铁块在小车上相对于小车滑动多远的距离?

图4-2

解析:小车反弹后与物体组成一个系统满足动量守恒,规定小车反弹后的方向作向左为正方向,设共同速度为,则:

解得:

以车为对象,摩擦力始终做负功,设小车对地的位移为,

则:

即:;

系统损耗机械能为:

;

点拨:两个物体相互摩擦而产生的热量Q(或说系统内能的增加量)等于物体之间滑动摩擦力f与这两个物体间相对滑动的路程的乘积,即.利用这结论可以简便地解答高考试题中的“摩擦生热”问题。

 0  246551  246559  246565  246569  246575  246577  246581  246587  246589  246595  246601  246605  246607  246611  246617  246619  246625  246629  246631  246635  246637  246641  246643  246645  246646  246647  246649  246650  246651  246653  246655  246659  246661  246665  246667  246671  246677  246679  246685  246689  246691  246695  246701  246707  246709  246715  246719  246721  246727  246731  246737  246745  447090 

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