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3.3动能和动能定理【学习目标】1通过设计实验探究功与物体速度的变化关系.2明确动能的表达式及含义3能理解和推导动能定理4掌握动能定理及其应用【要点梳理】要点一、探究功与速度变化的关系要点诠释：1.探究思路让小车在橡皮绳的弹力下弹出，沿木板滑行。由于橡皮绳对小车做功，小车可以获得速度，小车的速度可以通过打点计时器测出。这样进行若干次测量就可以得到多组数据，通过画图的方法得出功与速度的关系。2. 操作技巧（1）功的变化我们可以通过由一根橡皮绳逐渐增加到若干根的方法得到。（2）要将木板倾斜一定角度，使小车在木板上沿斜面向下的重力的分力与其受的摩擦力相等，目的是让小车在木板上可以做匀速直线运动。3.数据的处理以单根橡皮绳做的功为横坐标，以速度的平方为纵坐标描点连线，画出图象。4.实验结论画出图象，图象为直线，即。要点二、动能、动能的改变要点诠释：1.动能： (1)概念：物体由于运动而具有的能叫动能物体的动能等于物体的质量与物体速度的二次方的乘积的一半 (2)定义式：，v是瞬时速度(3)单位：焦(J)(4)动能概念的理解动能是标量，且只有正值动能具有瞬时性，在某一时刻，物体具有一定的速度，也就具有一定的动能动能具有相对性，对不同的参考系，物体速度有不同的瞬时值，也就具有不同的动能，一般都以地面为参考系研究物体的运动2.动能的变化：动能只有正值，没有负值，但动能的变化却有正有负“变化”是指末状态的物理量减去初状态的物理量动能的变化量为正值，表示物体的动能增加了，对应于合力对物体做正功；动能的变化量为负值，表示物体的动能减小了，对应于合力对物体做负功，或者说物体克服合力做功要点三、动能定理要点诠释： (1)内容表述：外力对物体所做的总功等于物体功能的变化 (2)表达式：，W是外力所做的总功，、分别为初、末状态的动能若初、末速度分别为v1、v2，则， (3)物理意义： 动能定理揭示了外力对物体所做的总功与物体动能变化之间的关系，即外力对物体做的总功，对应着物体动能的变化变化的大小由做功的多少来量度动能定理的实质说明了功和能之间的密切关系，即做功的过程是能量转化的过程等号的意义是一种因果关系的数值上相等的符号，并不意味着“功就是动能增量”，也不是“功转变成动能”，而是“功引起物体动能的变化” (4)动能定理的理解及应用要点 动能定理虽然可根据牛顿定律和运动学方程推出，但定理本身的意义及应用却具有广泛性和普遍性 动能定理既适用于恒力作用过程，也适用于变力作用过程 动能定理既适用于物体做直线运动情况，也适用于物体做曲线运动情况 动能定理的研究对象既可以是单个物体，也可以是几个物体所组成的一个系统 动能定理的研究过程既可以是针对运动过程中的某个具体过程，也可以是针对运动的全过程 动能定理的计算式为标量式，v为相对同一参考系的速度在中，W为物体所受所有外力对物体所做功的代数和，正功取正值计算，负功取负值计算；为动能的增量，即为末状态的动能与初状态的动能之差，而与物体运动过程无关要点四、应用动能定理解题的基本思路和应用技巧要点诠释：1.应用动能定理解题的基本思路（1）选取研究对象及运动过程；（2）分析研究对象的受力情况及各力对物体的做功情况：受哪些力？哪些力做了功？正功还是负功？然后写出各力做功的表达式并求其代数和；（3）明确研究对象所历经运动过程的初、末状态，并写出初、末状态的动能、的表达式；（4）列出动能定理的方程：，且求解。2.动能定理的应用技巧（1）由于动能定理反映的是物体在两个状态的动能变化与其合力所做功的量值关系，所以对由初始状态到终止状态这一过程中物体运动性质、运动轨迹、做功的力是恒力还是变力等诸多问题不必加以追究，就是说应用动能定理不受这些问题的限制。（2）一般来说，用牛顿第二定律和运动学知识求解的问题，用动能定理也可以求解，而往往用动能定理求解简捷；可是有些用动能定理能够求解的问题，应用牛顿第二定律和运动学知识却无法求解。可以说，熟练地应用动能定理求解问题，是一种高层次的思维和方法，应该增强用动能定理解题的主动意识。要点五、动能定理与牛顿第二定律的联系和区别 在推导动能定理的过程中应用了只能在惯性参考系中成立的牛顿第二定律，因而动能定理也只适用于惯性参考系而对于不同的惯性参考系，虽然力对物体做的功、物体的动能、动能的变化都不相同，但动能定理作为一个力学规律在不同的参考系中仍然成立动能定理适用于在惯性参考系中运动的任何物体 要理解动能定理与牛顿第二定律的联系与区别，应该从两者反映的物理规律的本质上加以认识我们知道力的作用效果能够使物体的运动状态发生改变，即速度发生变化，而两者都是来描述力的这种作用效果的前者对于一个力作用下物体的运动过程着重从空间积累的角度反映作用结果，而后者注重反映该过程中某一瞬时力的作用结果动能定理是从功的定义式出发，结合牛顿第二定律和动力学公式推导出来的，所以它不是独立于牛顿第二定律的运动方程，但它们有较大的区别：牛顿第二定律是矢量式，反映的是力与加速度的瞬时关系，即力与物体运动状态变化快慢之间的联系；动能定理是标量式，反映的是力对物体持续作用的空间累积效果，即对物体作用的外力所做功与物体运动状态变化之间的联系，因而它们是研究力和运动的关系的两条不同途径把对一个物理现象每个瞬时的研究转变成对整个过程的研究，是研究方法上的一大进步动能定理适用于直线运动，也适用于曲线运动；适用于恒力做功，也适用于变力做功力可以是各种性质的力，既可以是同时作用，也可以是分段作用，只要能够求出作用过程中各力做功的多少和正负即可这些正是动能定理解题的优越性所在【典型例题】类型一、对“探究功与速度变化的关系”实验的考查例1、关于“探究功与速度变化的关系”实验中，下列叙述正确的是( ) A每次实验必须设法求出橡皮筋对小车做功的具体数值 B每次实验中，橡皮筋拉伸的长度没有必要保持一致 C放小车的长木板应该尽量使其水平 D先接通电源，再让小车在橡皮筋的作用下弹出 【解析】实验中没有必要测出橡皮筋做的功到底是多少，只要测出以后各次实验时橡皮筋做的功是第一次实验时的多少倍就已经足够了，A错；每次实验橡皮筋拉伸的长度必须保持一致，只有这样才能保证以后各次实验时，橡皮筋做的功是第一次实验时的整数倍，B错；小车运动中会受到阻力，只有使木板倾斜到一定程度，使重力沿斜面方向的分力与阻力相平衡，才能减少误差，C错；实验时，应该先接通电源，让打点计时器开始工作，然后再让小车在橡皮筋的作用下弹出，D正确 【答案】D类型二、对动能、动能变化的理解例2、一质量为0.1 kg的小球，以5m/s的速度在光滑水平面上匀速运动，与竖直墙壁碰撞后以原速率反弹，若以弹回的速度方向为正方向，则小球碰墙过程中的速度变化和动能变化分别是( ) Av10 m/s Bv0 CEk1 J DEk0【思路点拨】 本题考察动能的变化 【答案】A、D 【解析】速度是矢量，故vv2-v15m/s10m/s而动能是标量，初末两态的速度大小相等，故动能相等，因此Ek0选A、D 【总结升华】物体速度大小变化相等时，物体的动能变化大小是不相同的。举一反三【变式】关于运动物体所受的合外力、合外力做的功、物体动能的变化，下列说法正确的是( )A运动物体所受的合外力不为零，合外力必做功，物体的动能肯定要变化B运动物体所受的合外力为零，则物体的动能肯定不变 C运动物体的动能保持不变，则该物体所受合外力一定为零 D运动物体所受合外力不为零，则该物体一定做变速运动，其动能要变化 【答案】B【解析】关于运动物体所受的合外力、合外力做的功、物体动能的变化三者之间的关系有下列三个要点： (1)若运动物体所受合外力为零，则合外力不做功(或物体所受外力做功的代数和必为零)，物体的动能绝对不会发生变化 (2)物体所受合外力不为零，物体必做变速运动，但合外力不一定做功；合外力不做功，则物体动能不变化 (3)物体的动能不变，一方面表明物体所受的合外力不做功；同时表明物体的速率不变(速度的方向可以不断改变，此时物体所受的合外力只是用来改变速度方向产生向心加速度，如匀速圆周运动) 根据上述三个要点不难判断，本题只有选项B是正确的类型三、动能定理求匀变速直线运动问题例3、如图所示，质量为m的物体，从高为h、倾角为的光滑斜面顶端由静止开始沿斜面下滑，最后停在水平面上，已知物体与水平面间的动摩擦因数为，求： (1)物体滑至斜面底端时的速度； (2)物体在水平面上滑行的距离【思路点拨】物体在斜面上做匀加速运动，在水平面上做匀减速运动，两过程可分别应用动能定理求解。【答案】（1）（2）【解析】(1)由动能定理可得，解得 (2)设物体在水平面上滑行的距离为l，由动能定理得，解得 此题也可对整个过程运用动能定理求解：，整理得【总结升华】该题用牛顿运动定律也能求解，但用动能定理不涉及中间过程，所以解法更为简单，特别是对全程应用动能定理时更简单举一反三【变式1】如图所示，质量为m的物体从斜面上的A处由静止滑下,在由斜面底端进入水平面时速度大小不变,最后停在水平面上的B处。量得A、B两点间的水平距离为s，A高为h，已知物体与斜面及水平面的动摩擦因数相同，则此动摩擦因数= 。【答案】【变式2】如图所示，ABCD是一条长轨道，其中AB段是倾角为的斜面，CD段是水平的BC是与AB和CD都相切的一小段圆弧，其长度可以忽略不计一质量为m的小滑块在A点从静止状态释放，沿轨道滑下，最后停在D点，A点和D点的位置如图所示现用一沿着轨道方向的力推滑块，把它缓慢地由D点推回到A点时停下设滑块与轨道间的动摩擦因数为，则推力对滑块做的功等于( )Amgh B2mgh C D 【答案】B【解析】小滑块在斜面上和在平面上运动时都受到三个力，即重力、支持力和摩擦力整个过程中，支持力由于与速度方向始终垂直，故不做功从A到D的过程中，由动能定理，有，故 当它返回时，从D到A的过程中，重力和摩擦力均做负功，因推力平行于轨道，所受摩擦力大小跟A到D相同，做的功也相等，均为 从D到A的返回过程，根据动能定理，有 故 【总结升华】本题中，往返两过程均克服摩擦力做功，且相等，所以不必通过求力和位移找摩擦力做功的表达式类型四、动能定理求曲线运动问题例4、某兴趣小组设计了如图所示的玩具轨道，其中“2008”四个等高数字用内壁光滑的薄壁细圆管弯成，固定在竖直平面内(所有数字均由圆或半圆组成，圆半径比细管的内径大得多)，底端与水平地面相切弹射装置将一个小物体(可视为质点)以5 m/s的水平初速度由a点弹出，从b点进入轨道，依次经过“8002”后从p点水平抛出小物体与地面ab段间的动摩擦因数0.3，不计其他机械能损失已知ab段长L1.5 m，数字“0”的半径R0.2 m，小物体的质量m0.0l kg，g取10 m/s2求： (1)小物体从p点抛出后的水平射程； (2)小物体经过数字“0”的最高点时管道对小物体作用力的大小和方向【思路点拨】解题的关键是抓住小球到最高点恰无作用力，此时重力作为向心力，在应用动能表达式时，搞清初、末状态【解析】(1)设小物体运动到p点时的速度大小为v，对小物体由a运动到p过程应用动能定理得： 小物体自p点做平抛运动，设运动时间为t，水平射程为s，则， svt 联立式，代入数据解得s0.8 m (2)设在数字“0”的最高点时管道对小物体的作用力大小为F，取竖直向下为正方向，联立式，代入数据解得F0.3 N方向竖直向下【总结升华】本题的物量情景新颖，实质考查的是平抛运动、圆周运动的有关知识及动能定理的运用，小球在数字“2008”中运动的过程中4个最高点时的速度是相同的，可以根据具体情况选取不同的过程列方程，解得的结果相同【高清课程：动能和动能定理 例5】【变式】质量为m的小球被系在轻绳的一端，在竖直平面内做半径为R的圆周运动，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，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为（ ）A mgR/4 B mgR/3 C mgR/3 D mgR【答案】C类型五、动能定理求多过程问题例5、（2015 福建高考）如图，质量为M的小车静止在光滑水平面上，小车AB段是半径为R的四分之一圆弧光滑轨道，BC段是长为L的水平粗糙轨道，两段轨道相切于B点。一质量为m的滑块在小车上从A点由静止开始沿轨道滑下，重力加速度为g。（1）若固定小车，求滑块运动过程中对小车的最大压力；（2）若不固定小车，滑块仍从A点由静止下滑，然后滑入BC轨道，最后从C点滑出小车。已知滑块质量，在任一时刻滑块相对地面速度的水平分量是小车速度大小的2倍，滑块与轨道BC间的动摩擦因数为，求：滑块运动过程中，小车的最大速度大小vm；滑块从B到C运动过程中，小车的位移大小s。【思路点拨】（1）滑块滑到B点时对小车压力最大，可由机械能守恒定律求出滑块到达B点时的速度，再由牛顿第二定律和圆周运动的知识求出压力。（2）滑块滑到B点时，小车速度最大，由机械能守恒定律可求出最大速度vm设滑块滑到C点时小车速度大小为vc，由功能关系可求出vc，由牛顿第二定律可求出滑块从B到C过程中的加速度，再由运动学规律求出小车的位移大小s【解析】（1）滑块滑到B点时对小车压力最大，可由机械能守恒定律求出滑块到达B点时的速度，再由牛顿第二定律和圆周运动的知识求出压力。（2）滑块滑到B点时，小车速度最大，由机械能守恒定律可求出最大速度vm设滑块滑到C点时小车速度大小为vc，由功能关系可求出vc，由牛顿第二定律可求出滑块从B到C过程中的加速度，再由运动学规律求出小车的位移大小s答案：（1）滑块滑到B点时对小车压力最大，从A到B机械能守恒滑块在B点处，由牛顿第二定律解得 N=3mg由牛顿第三定律 N=3mg（2）滑块下滑到达B点时，小车速度最大。由机械能守恒解得设滑块运动到C点时，小车速度大小为vC，由功能关系设滑块从B到C过程中，小车运动加速度在a，由牛顿第二定律mg=Ma由运动学规律解得举一反三【变式】质量为m的滑块与倾角为的斜面间的动摩擦因数为，斜面底端有一个和斜面垂直放置的弹性挡板,滑块滑到底端与它碰撞时没有机械能损失,如图所示若滑块从斜面上高为h处以速度v0开始沿斜面下滑,设斜面足够长,求：滑块在斜面上滑行的总路程是多少? 【答案】类型六、应用动能定理求解变力做功的问题例6、如图，一半径为R、粗糙程度处处相同的半圆形轨道竖直固定放置，直径POQ水平。一质量为m的质点自P点上方高度R处由静止开始下落，恰好从P点进入轨道。质点滑到轨道最低点N时，对轨道的压力为4mg，g为重力加速度的大小。用W表示质点从P点运动到N点的过程中克服摩擦力所做的功。则（ ）A. ，质点恰好可以到达Q点B. ，质点不能到达Q点C. ，质点到达Q后，继续上升一段距离D. ，质点到达Q后，继续上升一段距离【答案】C【解析】对质点由最高点到N点用动能定理：（1）N点运用牛顿第二定律： （2），（1）（2）式联立解得：质点运动过程中，对该质点进行受力分析，半径方向的合力提供向心力，根据左右对称，在同一高度，由于摩擦力做功导致同一高度上的右半边的速度小，轨道弹力变小，滑动摩擦力减小，所以摩擦力做功减小。从N到Q过程中，摩擦力做功为，根据动能定理：解得： 因所以Q点的速度不为零。故选：C。【总结升华】小球在曲面上受到滑动摩擦力，因随速度的变化而变化，因此小球在曲面上受到的摩擦力为变力，任取左半圆上的一点A，与其对称的右半圆上A点相比，因，故小球在A点受轨道弹力更大，则摩擦力更大，同理，左半圆与右半圆对称的所有点都符合这个规律，因此右半圆上摩擦力做功一定比右半圆上摩擦力做功少。再结合动能定理即可判断小球到达Q点后是否继续上升。举一反三【变式】在光滑的水平面上，物体A以较大的速度vA向右运动，与较小速度vB向同一方向运动的、连有轻质弹簧的物体B发生相互作用，如图所示。在相互作用的过程中，弹簧的弹性势能最大时（ ） A、 vA vB B、 vA vB C、 vA = vB D、无法确定【答案】C
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