推荐精选学年高中物理 第七章 机械能守恒定律 微型专题6 利用动能定理分析变力做功和多过程问.docx
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推荐精选学年高中物理第七章机械能守恒定律微型专题6利用动能定理分析变力做功和多过程问
微型专题6 利用动能定理分析变力做功和多过程问题
[学习目标]1.进一步理解动能定理,领会应用动能定理解题的优越性.2.会利用动能定理分析变力做功、曲线运动以及多过程问题.
一、利用动能定理求变力的功
1.动能定理不仅适用于求恒力做的功,也适用于求变力做的功,同时因为不涉及变力作用的过程分析,应用非常方便.
2.利用动能定理求变力的功是最常用的方法,当物体受到一个变力和几个恒力作用时,可以用动能定理间接求变力做的功,即W变+W其他=ΔEk.
例1
如图1所示,质量为m的小球自由下落d后,沿竖直面内的固定轨道ABC运动,AB是半径为d的光滑圆弧,BC是直径为d的粗糙半圆弧(B是轨道的最低点).小球恰能通过圆弧轨道的最高点C.重力加速度为g,求:
图1
(1)小球运动到B处时对轨道的压力大小;
(2)小球在BC运动过程中,摩擦力对小球做的功.
答案
(1)5mg
(2)-mgd
解析
(1)小球运动到B点的过程由动能定理得2mgd=mv2,
在B点:
FN-mg=m,得:
FN=5mg,
根据牛顿第三定律:
小球在B处对轨道的压力FN′=FN=5mg.
(2)小球恰好通过C点,则mg=m.
小球从B运动到C的过程:
-mgd+Wf=mvC2-mv2,得Wf=-mgd.
【考点】应用动能定理求变力的功
【题点】应用动能定理求变力的功
B至C的过程中摩擦力为变力(大小方向都变),求变力的功不能直接根据功的公式,通常用动能定理求解.
针对训练1 如图2所示,一半径为R的半圆形轨道竖直固定放置,轨道两端等高;质量为m的质点自轨道端点P由静止开始滑下,滑到最低点Q时,对轨道的正压力为2mg,重力加速度大小为g.质点自P滑到Q的过程中,克服摩擦力所做的功为( )
图2
A.mgRB.mgR
C.mgRD.mgR
答案 C
解析 质点经过Q点时,由重力和轨道支持力的合力提供向心力,由牛顿第二定律得FN-mg=m,由题意及牛顿第三定律知FN=2mg,可得vQ=,质点自P滑到Q的过程中,由动能定理得mgR-Wf=mvQ2,得克服摩擦力所做的功为Wf=mgR,选项C正确.
【考点】应用动能定理进行有关的计算
【题点】应用动能定理求功
二、利用动能定理分析多过程问题
一个物体的运动如果包含多个运动阶段,可以选择分段或全程应用动能定理.
(1)分段应用动能定理时,将复杂的过程分割成一个个子过程,对每个子过程的做功情况和初、末动能进行分析,然后针对每个子过程应用动能定理列式,然后联立求解.
(2)全程应用动能定理时,分析整个过程中出现过的各力的做功情况,分析每个力做的功,确定整个过程中合外力做的总功,然后确定整个过程的初、末动能,针对整个过程利用动能定理列式求解.
当题目不涉及中间量时,选择全程应用动能定理更简单,更方便.
注意:
当物体运动过程中涉及多个力做功时,各力对应的位移可能不相同,计算各力做功时,应注意各力对应的位移.计算总功时,应计算整个过程中出现过的各力做功的代数和.
例2
如图3所示,右端连有一个光滑弧形槽的水平桌面AB长L=1.5m,一个质量为m=0.5kg的木块在F=1.5N的水平拉力作用下,从桌面上的A端由静止开始向右运动,木块到达B端时撤去拉力F,木块与水平桌面间的动摩擦因数μ=0.2,取g=10m/s2.求:
图3
(1)木块沿弧形槽上升的最大高度(木块未离开弧形槽);
(2)木块沿弧形槽滑回B端后,在水平桌面上滑行的最大距离.
答案
(1)0.15m
(2)0.75m
解析
(1)设木块沿弧形槽上升的最大高度为h,木块在最高点时的速度为零.从木块开始运动到沿弧形槽上升到最大高度处,由动能定理得:
FL-FfL-mgh=0
其中Ff=μFN=μmg=0.2×0.5×10N=1.0N
所以h=
=m=0.15m
(2)设木块离开B点后沿桌面滑行的最大距离为x.由动能定理得:
mgh-Ffx=0
所以:
x==m=0.75m
【考点】应用动能定理处理多过程问题
【题点】应用动能定理处理含曲线运动的多过程问题
针对训练2 如图4所示,质量m=1kg的木块静止在高h=1.2m的平台上,木块与平台间的动摩擦因数μ=0.2,用水平推力F=20N,使木块产生位移l1=3m时撤去,木块又滑行l2=1m后飞出平台,求木块落地时速度的大小.(g取10m/s2)
图4
答案 11.3m/s
解析 解法一 取木块为研究对象,其运动分三个过程,先匀加速前进l1,后匀减速前进l2,再做平抛运动,对每一过程,分别由动能定理得
Fl1-μmgl1=mv12
-μmgl2=mv22-mv12
mgh=mv32-mv22
解得v3≈11.3m/s
解法二 对全过程由动能定理得
Fl1-μmg(l1+l2)+mgh=mv2-0
代入数据解得v≈11.3m/s
【考点】应用动能定理处理多过程问题
【题点】应用动能定理处理含曲线运动的多过程问题
三、动能定理在平抛、圆周运动中的应用
动能定理常与平抛运动、圆周运动相结合,解决这类问题要特别注意:
(1)与平抛运动相结合时,要注意应用运动的合成与分解的方法,如分解位移或分解速度求平抛运动的有关物理量.
(2)与竖直平面内的圆周运动相结合时,应特别注意隐藏的临界条件:
①有支撑效果的竖直平面内的圆周运动,物体能通过最高点的临界条件为vmin=0.
②没有支撑效果的竖直平面内的圆周运动,物体能通过最高点的临界条件为vmin=.
例3
如图5所示,一可以看成质点的质量m=2kg的小球以初速度v0沿光滑的水平桌面飞出后,恰好从A点沿切线方向进入圆弧轨道,BC为圆弧竖直直径,其中B为轨道的最低点,C为最高点且与水平桌面等高,圆弧AB对应的圆心角θ=53°,轨道半径R=0.5m.已知sin53°=0.8,cos53°=0.6,不计空气阻力,g取10m/s2.
图5
(1)求小球的初速度v0的大小;
(2)若小球恰好能通过最高点C,求在圆弧轨道上摩擦力对小球做的功.
答案
(1)3m/s
(2)-4J
解析
(1)在A点由平抛运动规律得:
vA==v0.①
小球由桌面到A点的过程中,由动能定理得
mg(R+Rcosθ)=mvA2-mv02②
由①②得:
v0=3m/s.
(2)若小球恰好通过最高点C,在最高点C处有mg=,小球从桌面运动到C点的过程中,由动能定理得Wf=mvC2-mv02,
代入数据解得Wf=-4J.
【考点】应用动能定理处理多过程问题
【题点】应用动能定理处理含曲线运动的多过程问题
四、动能定理在多过程往复运动中的应用
例4
某游乐场的滑梯可以简化为如图6所示竖直面内的ABCD轨道,AB为长L=6m、倾角α=37°的斜轨道,BC为水平轨道,CD为半径R=15m、圆心角β=37°的圆弧轨道,轨道AB段粗糙,其余各段均光滑.一小孩(可视为质点)从A点以初速度v0=2m/s下滑,沿轨道运动到D点时的速度恰好为零(不计经过B点时的能量损失).已知该小孩的质量m=30kg,取sin37°=0.6,cos37°=0.8,g=10m/s2,不计空气阻力,设最大静摩擦力等于滑动摩擦力,求:
图6
(1)该小孩第一次经过圆弧轨道C点时,对圆弧轨道的压力;
(2)该小孩与AB段的动摩擦因数;
(3)该小孩在轨道AB上运动的总路程s.
答案
(1)420N,方向向下
(2)0.25 (3)21m
解析
(1)由C到D速度减为0,由动能定理可得
-mg(R-Rcos37°)=0-mvC2,vC=2m/s
在C点,由牛顿第二定律得
FN-mg=m,FN=420N
根据牛顿第三定律,小孩对轨道的压力为420N,方向向下
(2)小孩从A运动到D的过程中,由动能定理得:
mgLsinα-μmgLcosα-mgR(1-cosβ)=0-mv02
可得:
μ=0.25
(3)在AB斜轨上,μmgcosα由动能定理:
mgLsinα-μmgscosα=0-mv02
解得s=21m.
1.在含有摩擦力的往复运动过程中,注意两种力做功的区别:
(1)重力做功只与初末位置有关,而与路径无关;
(2)滑动摩擦力(或全部阻力)做功与路径有关,克服摩擦力(或全部阻力)做的功W=Ffs(s为路程).
2.由于动能定理解题的优越性,求多过程往复运动问题中的路程,一般应用动能定理.
1.(用动能定理求变力的功)如图7所示,质量为m的物体与水平转台间的动摩擦因数为μ,物体与转轴相距R,物体随转台由静止开始转动.当转速增至某一值时,物体即将在转台上滑动,此时转台开始匀速转动.设物体的最大静摩擦力近似等于滑动摩擦力,则在整个过程中摩擦力对物体做的功是( )
图7
A.0B.2μmgR
C.2πμmgRD.
答案 D
解析 物体即将在转台上滑动但还未滑动时,转台对物体的最大静摩擦力恰好提供向心力,设此时物体做圆周运动的线速度为v,则有μmg=.①
在物体由静止到获得速度v的过程中,物体受到的重力和支持力不做功,只有摩擦力对物体做功,由动能定理得:
W=mv2-0.②
联立①②解得W=μmgR.
【考点】应用动能定理求变力的功
【题点】应用动能定理求变力的功
2.(用动能定理求变力的功)质量为m的物体以初速度v0沿水平面向左开始运动,起始点A与一轻弹簧O端相距s,如图8所示.已知物体与水平面间的动摩擦因数为μ,物体与弹簧相碰后,弹簧的最大压缩量为x,则从开始碰撞到弹簧被压缩至最短,物体克服弹簧弹力所做的功为( )
图8
A.mv02-μmg(s+x)B.mv02-μmgx
C.μmgsD.μmg(s+x)
答案 A
解析 由动能定理得-W-μmg(s+x)=0-mv02,W=mv02-μmg(s+x).
【考点】应用动能定理求变力的功
【题点】应用动能定理求变力的功
3.(利用动能定理分析多过程往复运动问题)如图9所示,ABCD为一竖直平面内的轨道,其中BC水平,A点比BC高出10m,BC长1m,AB和CD轨道光滑.一质量为1kg的物体,从A点以4m/s的速度开始运动,经过BC后滑到高出C点10.3m的D点速度为0.求:
(g取10m/s2)
图9
(1)物体与BC轨道间的动摩擦因数;
(2)物体第5次经过B点时的速度;
(3)物体最后停止的位置(距B点多少米).
答案
(1)0.5
(2)13.3m/s (3)距B点0.4m
解析
(1)由动能定理得
-mg(h-H)-μmgsBC=0-mv12,
解得μ=0.5.
(2)物体第5次经过B点时,物体在BC上滑动了4次,由动能定理得mgH-μmg·4sBC=mv22-mv12,
解得v2=4m/s≈13.3m/s.
(3)分析整个过程,由动能定理得
mgH-μmgs=0-mv12,
解得s=21.6m.
所以物体在轨道上来回运动了10次后,还有1.6m,故最后停止的位置与B点的距离为2m-1.6m=0.4m.
【考点】应用动能定理处理多过程问题
【题点】应用运动定理处理含曲线运动的多过程问题
4.(动能定理在平抛、圆周运动中的应用)如图10所示,一个质量为m=0.6kg的小球以初速度v0=2m/s从P点水平抛出,从粗糙圆弧ABC的A点沿切线方向进入(不计空气阻力,进入圆弧时无动能损失)且恰好沿圆弧通过最高点C,已知圆弧的圆心为O,半径R=0.3m,θ=60°,g=10m/s2.求:
图10
(1)小球到达A点的速度vA的大小;
(2)P点到A点的竖直高度H;
(3)小球从圆弧A点运动到最高点C的过程中克服摩擦力所做的功W.
答案
(1)4m/s
(2)0.6m (3)1.2J
解析
(1)在A点由速度的合成得vA=,
代入数据解得vA=4m/s
(2)从P点到A点小球做平抛运动,竖直分速度vy=v0tanθ
由运动学规律有vy2=2gH
解得H=0.6m
(3)恰好过C点满足mg=
由A点到C点由动能定理得
-mgR(1+cosθ)-W=mvC2-mvA2
代入数据解得W=1.2J.
【考点】应用动能定理处理多过程问题
【题点】应用运动定理处理含曲线运动的多过程问题
一、选择题
考点一 利用动能定理求变力的功
1.在离地面高为h处竖直上抛一质量为m的物块,抛出时的速度为v0,当它落到地面时速度为v,用g表示重力加速度,则在此过程中物块克服空气阻力所做的功等于( )
A.mgh-mv2-mv02
B.mv2-mv02-mgh
C.mgh+mv02-mv2
D.mgh+mv2-mv02
答案 C
解析 选取物块从刚抛出到落地时的过程,由动能定理可得:
mgh-Wf克=mv2-mv02
解得:
Wf克=mgh+mv02-mv2.
【考点】应用动能定理求变力的功
【题点】应用动能定理求变力的功
2.如图1所示,AB为四分之一圆弧轨道,BC为水平直轨道,圆弧的半径为R,BC的长度也是R.一质量为m的物体,与两个轨道间的动摩擦因数都为μ,它由轨道顶端A从静止开始下滑,恰好运动到C处停止,不计空气阻力,那么物体在AB段克服摩擦力所做的功为( )
图1
A.μmgRB.mgR
C.mgRD.(1-μ)mgR
答案 D
解析 设物体在AB段克服摩擦力所做的功为WAB,对物体从A到C的全过程,由动能定理得mgR-WAB-μmgR=0,故WAB=mgR-μmgR=(1-μ)mgR.
【考点】应用动能定理进行有关的计算
【题点】应用动能定理求功
3.一质量为m的小球,用长为l的轻绳悬挂于O点,小球在水平拉力F作用下,从平衡位置P点很缓慢地移动到Q点,如图2所示,则拉力F所做的功为( )
图2
A.mglcosθ
B.mgl(1-cosθ)
C.Flcosθ
D.Flsinθ
答案 B
解析 小球缓慢移动,时时都处于平衡状态,由平衡条件可知,F=mgtanθ,随着θ的增大,F也在增大,是一个变化的力,不能直接用功的公式求它所做的功,所以这道题要考虑用动能定理求解.由于物体缓慢移动,动能保持不变,由动能定理得:
-mgl(1-cosθ)+W=0,所以W=mgl(1-cosθ).
【考点】应用动能定理求变力的功
【题点】应用动能定理求变力的功
4.如图3所示,一木块沿竖直放置的粗糙曲面从高处滑下,当它滑过A点的速度大小为5m/s时,滑到B点的速度大小也为5m/s.若使它滑过A点的速度大小变为7m/s,则它滑到B点的速度大小为( )
图3
A.大于7m/s
B.等于7m/s
C.小于7m/s
D.无法确定
答案 C
解析 第一次从A点到B点的过程中:
mgh-Wf1=ΔEk=0,Wf1=mgh
第二次速度增大,木块对轨道的压力增大,Wf2>Wf1,故mgh-Wf2<0,B点动能小于A点动能,C正确.
【考点】应用动能定理求变力的功
【题点】应用动能定理求变力的功
5.质量为m的小球被系在轻绳一端,在竖直平面内做半径为R的圆周运动,如图4所示,运动过程中小球受到空气阻力的作用.设某一时刻小球通过轨道的最低点,此时绳子的张力为7mg,在此后小球继续做圆周运动,经过半个圆周恰好能通过最高点,则在此过程中小球克服空气阻力所做的功是( )
图4
A.mgRB.mgR
C.mgRD.mgR
答案 C
解析 小球通过最低点时,设绳的张力为FT,则
FT-mg=m,6mg=m①
小球恰好过最高点,绳子拉力为零,这时mg=m②
小球从最低点运动到最高点的过程中,由动能定理得
-mg·2R-Wf=mv22-mv12③
由①②③式联立解得Wf=mgR,选C.
【考点】应用动能定理求变力的功
【题点】应用动能定理求变力的功
6.(多选)如图5所示,某中学科技小组制作的利用太阳能驱动小车的装置.当太阳光照射到小车上方的光电板,光电板中产生的电流经电动机带动小车前进.若太阳光照射到小车上方的光电板,小车在平直的水泥路上从静止开始加速行驶,经过时间t前进距离s,速度达到最大值vm,设这一过程中电动机的功率恒为P,小车所受阻力恒为F,那么( )
图5
A.这段时间内电动机所做的功为Pt
B.这段时间内小车先加速运动,然后匀速运动
C.这段时间内电动机所做的功为mvm2+Fs
D.这段时间内电动机所做的功为mvm2
答案 AC
解析 根据W=Pt知,这段时间内电动机所做的功为Pt,故A正确;电动机的功率不变,速度增大,则牵引力减小,加速度减小,先做加速度减小的加速运动,当加速度减为零后,做匀速直线运动,而在t时间内做加速运动,故B错误;根据动能定理得,W-Fs=mvm2,则这段时间内电动机做的功W=Fs+mvm2,故C正确,D错误.
【考点】应用动能定理求变力的功
【题点】应用动能定理求变力的功
考点二 利用动能定理分析多过程问题
7.(多选)在平直公路上,汽车由静止开始做匀加速直线运动,当速度达到vmax后,立即关闭发动机直至静止,v-t图象如图6所示,设汽车的牵引力为F,受到的摩擦力为Ff,全过程中牵引力做功为W1,克服摩擦力做功为W2,则( )
图6
A.F∶Ff=1∶3B.W1∶W2=1∶1
C.F∶Ff=4∶1D.W1∶W2=1∶3
答案 BC
解析 对汽车运动的全过程,由动能定理得:
W1-W2=ΔEk=0,所以W1=W2,选项B正确,D错误;由动能定理得Fx1-Ffx2=0,由图象知x1∶x2=1∶4.所以
F∶Ff=4∶1,选项A错误,C正确.
【考点】应用动能定理处理多过程问题
【题点】应用动能定理处理仅含直线运动的多过程问题
8.如图7所示,一薄木板斜搁在高度一定的平台和水平地板上,其顶端与平台相平,末端置于地板的P处,并与地板平滑连接.将一可看成质点的滑块自木板顶端无初速度释放,沿木板下滑,接着在地板上滑动,最终停在Q处.滑块和木板及地板之间的动摩擦因数相同.现将木板截短一半,仍按上述方式搁在该平台和水平地板上,再次将滑块自木板顶端无初速度释放(设滑块在木板和地面接触处平滑过渡),则滑块最终将停在( )
图7
A.P处B.P、Q之间
C.Q处D.Q的右侧
答案 C
【考点】应用动能定理处理多过程问题
【题点】应用动能定理处理仅含直线运动的多过程问题
9.(多选)如图8所示为一滑草场.某条滑道由上、下两段高均为h,与水平面倾角分别为45°和37°的滑道组成,滑草车与草地之间的动摩擦因数为μ.质量为m的载人滑草车从坡顶由静止开始下滑,经过上、下两段滑道后,最后恰好静止于滑道的底端(不计滑草车在两段滑道交接处的能量损失,sin37°=0.6,cos37°=0.8).则( )
图8
A.动摩擦因数μ=
B.载人滑草车最大速度为
C.载人滑草克服摩擦力做功为mgh
D.载人滑草车在下段滑道上的加速度大小为g
答案 AB
解析 根据动能定理有2mgh-Wf=0,即2mgh-μmgcos45°·-μmgcos37°·=0,得动摩擦因数μ=,则A项正确;载人滑草车克服摩擦力做的功为Wf=2mgh,则C项错误;载人滑草车在上、下两段的加速度分别为a1=g(sin45°-μcos45°)=g,a2=g(sin37°-μcos37°)=-g,则载人滑草车在上、下两段滑道上分别做加速运动和减速运动,因此在上段滑道底端时达到最大速度v,由运动学公式有2a1=v2得,v==,故B项正确,D项错误.
【考点】应用动能定理处理多过程问题
【题点】应用动能定理处理仅含直线运动的多过程问题
二、非选择题
10.(应用动能定理分析多过程问题)如图9所示,自然伸长的轻弹簧左端固定在竖直墙上,右端在O位置,质量为m的物块A(可视为质点)以初速度v0从距O点x0的P点处向左运动,与弹簧接触后压缩弹簧,将弹簧右端压到O′点位置后,A又被弹簧弹回.A离开弹簧后,恰好回到P点,物块A与水平面间的动摩擦因数为μ,重力加速度为g.
图9
(1)求物块A从P点出发又回到P点的过程中,克服摩擦力所做的功.
(2)求O点和O′点间的距离x1.
答案
(1)mv02
(2)-x0
解析
(1)A从P开始运动,最后回到P的过程,根据动能定理得:
摩擦力所做的功为Wf=0-mv02=-mv02,即克服摩擦力做功为mv02.
(2)A从P开始运动,最后回到P的全过程,根据动能定理,有-2μmg(x1+x0)=0-mv02,得x1=-x0.
【考点】应用动能定理处理多过程问题
【题点】应用动能定理处理含弹力做功的多过程问题
11.(应用动能定理分析多过程问题)如图10所示,光滑水平面AB与一半圆形轨道在B点平滑连接,轨道位于竖直面内,其半径为R,一个质量为m的物块静止在水平面上,现向左推物块使其压紧弹簧,然后放手,物块在弹力作用下获得一速度,当它经B点进入半圆形轨道瞬间,对轨道的压力为其重力的7倍,之后向上运动恰能完成半圆周运动到达C点,重力加速度为g.求:
图10
(1)弹簧弹力对物块做的功;
(2)物块从B到C克服阻力所做的功;
(3)物块离开C点后,再落回到水平面上时的动能.
答案
(1)3mgR
(2)mgR (3)mgR
解析
(1)由动能定理得W=mvB2
在B点由牛顿第二定律得7mg-mg=m
解得W=3mgR
(2)物块从B到C由动能定理得
-2mgR+W′=mvC2-mvB2
物块在C点时mg=m
解得W′=-mgR,即物块从B到C克服阻力做功为mgR.
(3)物块从C点平抛到水平面的过程中,由动能定理得
2mgR=Ek-mvC2,解得Ek=mgR.
【考点】应用动能定理处理多过程问题
【题点】应用动能定理处理含弹力做功的多过程问题
12.(应用动能定理分析多过程问题)如图11所示,光滑斜面AB的倾角θ=53°,BC为水平面,BC长度lBC=1.1m,CD为光滑的圆弧,半径R=0.6m.一个质量m=2kg的物体,从斜面上A点由静止开始下滑,物体与水平面BC间的动摩擦因数μ=0.2,轨道在B、C两点平滑连接.当物体到达D点时,继续竖直向上运动,最高点距离D点的高度h=0.2m.不计空气阻力,sin53°=0.8,cos53°=0.6,g取10m/s2.求:
图11
(1)物体运动到C点时的速度大小vC;
(2)A点距离水平面的高度H;
(3)物体最终停止的位置到C点的距离s.
答案
(1)4m/s
(2)1.02m (3)0.4m
解析
(1)物体由C点运动到最高点,根据动能定理得:
-mg(h+R)=0-mvC2
代入数据解得:
vC=4m/s
(2)物体由A点运动到C点,根据动能定理得:
mgH-μmglBC=mvC2-0
代入数据解得:
H=1.02m
(3)从物体开始下滑到停下,根据动能定理得:
mgH-μmgs1=0
代入数据,解得s1=5.1m
由于s1=4lBC+0.7m
所以,物体最终停止的位置到C点的距离为:
s=0.4m.
【考点】应用动能定理处理多过程问题
【题点】应用动能定理处理含曲线运动的多过程问题
1.(应用动能定理分析多过程问题)2016年11月1日广东珠海开幕的第十一届中国国际航空航天博览会上,空军“八一”飞行表演队的6架歼-10战斗机为现场数千名观众带来了一场震撼表演.如图1所示,某次飞行表演中,飞行员驾驶飞机在竖