高中物理--机械能--最全讲义及典型习题及答案详解

状元堂精品资料1第五节机械能（一）、知识网络一、功1概念：一个物体受到力的作用，并在力的方向上发生了一段位移，这个力就对物体做了功。功是能量转化的量度。2条件：.力和力的方向上位移的乘积3公式：W=FScosθW——某力功，单位为焦耳（J）F——某力（要为恒力），单位为牛顿（N）S——物体运动的位移，一般为对地位移，单位为米（m）——力与位移的夹角4功是标量，但它有正功、负功。某力对物体做负功，也可说成“物体克服某力做功”。当)2,0[时，即力与位移成锐角，功为正；动力做功；机械能守定律功和功率功概念：力和力的方向上的位移的乘积公式F与L同向：W=FLF与L不同向：W=FLcosαα900,W为正α=900,W=0α900,W为负功率概念：功跟完成功所用的时间的比值公式P=W/t(平均功率)P=Fv(瞬时功率)动能定理:FL=mv22/2-mv12/2机械能动能和势能机械能守恒定律：EP1+Ek1=EP2+Ek2验证机械能守恒定律能源能源耗散功是能量转化的量度度能量守恒定律人类利用能源的历史状元堂精品资料2当2时，即力与位移垂直功为零，力不做功；当],2(时，即力与位移成钝角，功为负，阻力做功；5功是一个过程所对应的量，因此功是过程量。6功仅与F、S、θ有关，与物体所受的其它外力、速度、加速度无关。7几个力对一个物体做功的代数和等于这几个力的合力对物体所做的功。即W总=W1+W2+…+Wn或W总=F合Scosθ8合外力的功的求法：方法1：先求出合外力，再利用W=Flcosα求出合外力的功。方法2：先求出各个分力的功，合外力的功等于物体所受各力功的代数和。（一）对功的认识1.做功与否的判断问题物体受到力的作用，如果物体在力的方向上发生位移，我们就说力对物体做了功。可见做功与否的判断，依据的是功的两个要素：力与力的方向上的位移。2.做功多少的计算问题做功多少是根据功的公式来计算的，功的公式为：cosFsW，其中各个物理量的含义如下：F是做功的力；s是力所作用的那个物体的位移；而则是力F与位移s之间的夹角。3.做功快慢的描述问题做功的快慢程度用功率来描述，功率的定义式是：tWP功率的导出式是：cosFvP前者用于计算某段时间内的平均功率，后者则用于计算某个时刻瞬时功率。4.对功的物理含义的理解关于功我们不仅要从定义式cosFsW进行理解和计算，还应理解它的物理含义。功是能量转化的量度，即：做功的过程是能量的一个转化过程，这个过程做了多少功，就是多少能量发生了转化。对物体做正功，物体的能量增加。对物体做了多少正功，物体的能量就增加了多少；对物体做负功，也称物体克服阻力做功，物体的能量减少，做了多少负功，物体的能量就减少了多少。因此功的正、负表示能的转化情况，表示物体是输入了能量还是输出了能量。[例1]如图1所示，质量为m的物体静止于倾角为，质量为M的斜面体上，现对该斜面体施一水平向左的推力F，使物体随斜面体一起沿水平方向向左匀速运动，位移为s，求在此过程中物体所受重力、支持力、摩擦力各对物体做了多少功？状元堂精品资料3MθmF图1析与解：物体的受力情况如图2所示，由于物体处于匀速运动状态，可由共点力的平衡条件得，cosmgFN，sinmgFf，且NF与s间的夹角为)90(，fF与s间的夹角为)180(，所以：090cosmgsWG22sin)90cos(cosmgssmgWNF22sin)180cos(sinsmgsmgWfFFfFNmgsMθmF图2说明：若力和位移不在一条直线，求力对物体做功时，可将力正交分解，使其一个分力与位移在一条直线上，另一个分力与位移垂直，也可以将位移按类似的方法正交分解。二、功率1概念：功跟完成功所用时间的比值，表示力(或物体)做功的快慢。2公式：tWP（平均功率）cosFP（平均功率或瞬时功率）3单位：瓦特W4分类：额定功率：指发动机正常工作时最大输出功率实际功率：指发动机实际输出的功率即发动机产生牵引力的功率，P实≤P额。5分析汽车沿水平面行驶时各物理量的变化，采用的基本公式是P=Fv和F-f=ma6应用：（1）机车以恒定功率启动时，由FP（P为机车输出功率，F为机车牵引力，为机车前进速度）机车速度不断增加则牵引力不断减小，当牵引力fF时，速度不再增大达到最大值max，则fP/max。（2）机车以恒定加速度启动时，在匀加速阶段汽车牵引力F恒定为fma，速度不断增加汽车输出功率FP随之增加，当额定PP时，F开始减小但仍大于f因此机车速度继续增大，直至fF时，状元堂精品资料4汽车便达到最大速度max，则fP/max。（二）对功率的认识1.功率是描述做功快慢的物理量由tWP可知，功率的大小只与其“比值”有直接联系，与做功多少和时间长短无直接关联，比较功率的大小就要比较功与完成这些功的所用时间之“比值”。“比值”大，功率就大，做功就快，“比值”小，功率就小，做功就慢。物体做功功率是描述物体做功的一个状态；做功的多少是一个过程，所以不能说功率大，做功就多。物体做功多少是做功物体在做功过程中的一个积累，随着做功过程的积累时间越长，这个物体做功就越多，PtW就是一个积累的意思。即P在时间t上的积累就是物体做功的多少。2.对力的功率的认识由tWP、cosFsW可得：cosFvP，此式中为力F与速度v之间的夹角。把cosv当作整体来看是物体在力的方向上的分速度，即：作用在物体上的力与物体在力的方向上分速度的乘积叫做力的功率。对一个动力机械，当功率P一定时，由cosFvP可知：降低运动速度可以增大牵引力；反过来，若阻力很小，可以加快运动速度。这一点在各种机械设备中有着广泛的应用。任何机械都有一个铭牌，铭牌上所注功率为这部机械的额定功率。它是提供人们对机械进行选择、配置的一个重要参数，它反映了机械的做功能力或机械所能承担的“任务”。机械运行过程中的功率是实际功率。机械的实际功率可以小于其额定功率（俗称机械没吃饱），可以等于其额定功率（称满负荷运行），还可以在短时间内略大于其额定功率（称超负荷运行）。机械不能长时间超负荷运行，那样会损坏机械设备，缩短其使用寿命。3.机车的两种启动（1）机车以恒定功率启动，牵引力随速度的增大而减小，机车做加速度逐渐减小的变加速运动。当加速度减小到零时速度最大，以后机车做匀速运动（牵引力等于阻力）。如图3所示机车以恒定功率启动的P—t图和v—t图。（机车在水平面运动，阻力视为恒定）PtOP0tOvvm图3状元堂精品资料5OvtP0tOvvm图4（2）机车匀加速启动，机车先做初速为零的匀加速运动。功率随时间正比例增大，当增大到额定功率时，开始做一段变加速运动，牵引力减小到等于阻力时，机车的速度增大到最大速度。如图4为机车以匀变速启动的P—t和v—t图。例2：汽车发动机的额定牵引功率为60kW，汽车质量为kg3105，汽车在水平路面上行驶时，阻力是车重的101倍，试问（取2/10smg）：（1）汽车保持以额定功率从静止起动后能达到的最大速度是多少？（2）若汽车从静止开始，保持以2/5.0sm的加速度做匀加速直线运动，这一过程能维持多长时间？析与解：（1）汽车一开始就保持额定功率，牵引力随速度的增大而减小，汽车做加速度逐渐减小的变加速运动，当加速度减小到零时速度最大。此时，mgFFf，mFvP所以smmgPvm/12（2）汽车以恒定加速度起动，先做初速为零的匀加速运动，功率随时间正比例增大，当增大到额定功率时，开始做变加速运动。设保持匀加速运动的时间为t，匀加速运动能达到的最大速度为1v，则：11FvPmamgFatv，所以sFaPt16三、动能1概念：物体由于运动而具有的能量，称为动能。2动能表达式：221mEK3动能定理（即合外力做功与动能关系）：12KKEEW4理解：①合F在一个过程中对物体做的功，等于物体在这个过程中动能的变化。②合F做正功时，物体动能增加；合F做负功时，物体动能减少。状元堂精品资料6③动能定理揭示了合外力的功与动能变化的关系。4适用范围：适用于恒力、变力做功；适用于直线运动，也适用于曲线运动。5应用动能定理解题步骤：a确定研究对象及其运动过程b分析研究对象在研究过程中受力情况，弄清各力做功c确定研究对象在运动过程中初末状态，找出初、末动能d列方程、求解。（三）对动能的认识1.动能是一个状态量，它与物体的运动状态对应。动能也是标量，它只有大小，没有方向，而且物体的动能总是大于等于零，不会出现负值。动能具有相对性，它与参照物的选取有关。如：在行驶中汽车上的物体，对汽车上的乘客，物体动能为零；但对路边的行人，物体的动能不为零。2.外力对物体做功与物体动能的关系：外力对物体做正功，物体的动能增加，这一外力有助于物体的运动，是动力；外力对物体做负功，物体的动能减小，这一外力是阻碍物体的运动，是阻力，外力对物体做负功往往又称物体克服阻力做功。功是能量转化的量度，外力对物体做了多少功；就有多少动能与其他形式的能发生了转化。所以外力对物体所做的功就等于物体动能的变化量，即2022121mvmvEWtk。这就是动能定理。3.应用动能定理的注意点：（1）明确研究对象、研究过程，找出初、末状态的速度情况。（2）要对物体进行正确的受力分析（包括重力），明确各力做功的大小及正负情况。（3）若物体运动过程中包含几个不同物理过程，解题时，可以分段考虑，也可视为一整体过程，列出动能定理求解。4.关于动能与动量的比较（1）动能与动量都是由质量和速度共同决定的物理量；（2）动能和动量都是用于描述物体机械运动的状态量；（3）动能是标量，动量是矢量；（4）动能决定了物体克服一定阻力能运动多远，动量则决定着物体克服一定阻力能运动多长时间；（5）动能是从能量观点出发描述机械运动的，动量是从机械运动本身出发描述机械运动状态的。例3：总质量为M的列车，沿水平直线轨道匀速前进，其末节车厢质量为m，中途脱钩，司机发觉时，机车已行驶了L距离，于是立即关闭油门撤去牵引力。设运动的阻力与质量成正比，比例系数为k，机车的牵引力恒定，当列车的两部分都停止时，它们的距离是多少？析与解：设牵引力为F，脱钩前列车的速度为v，脱钩后两部分的位移分别为1s、2s。对列车脱钩到静止的全过程，由动能定理：2)(0)(21vmMgsmMkFL，对末节车厢，脱钩后运动的全过程，由动能定理：2022mvkmgs，由脱钩前列车匀速运动得：0kMgF，解得：状元堂精品资料7LmMMsss21。本题也可用补偿法进行分析。若末节车厢脱钩时司机关闭油门，则两部分运动情况完全相同，停止时它们的距离为0，脱钩后牵引力做了FL的功，才使两部分拉开距离，这部分功补偿机车多行驶距离中克服阻力所做的功。sgmMkkMgL)(，所以LmMMs。点评：本题还可以用运动学知识与牛顿第二定律求解，但较繁杂，显然，用补偿法求解则简单快捷，所以平时做题要注意进行解题方法总结。四、重力势能1定义：物体由于被举高而具有的能，叫做重力势能。2公式：mghEPh——物体具参考面的竖直高度3参考面：a重力势能为零的平面称为参考面；b选取：原则是任意选取，但通常以地面为参考面若参考面未定，重力势能无意义，不能说重力势能大小如何选取不同的参考面，物体具有的重力势能不同，但重力势能改变与参考面的选取无关。4标量，但有正负。重力势能为正，表示物体在参考面的上方；重力势能为负，表示物体在参考面的下方；重力势能为零，表示物体在参考面上。5单位：焦耳（J）6重力做功特点：物体运动时，重力对它做的功只跟它的初、末位置有关，而跟物体运动的路径无关。7、重力做功与重力势能变化的关系pEW（1）物体的高度下降时，重力做正功，重力势能减少，重力势能减少的量等于重力所做的功；（2）物体的高度增加时，重力做负功，重力势能增加，重力势