动能定理和功能原理

1、动能定理和功能原理抛砖引玉 指点迷津 思维基础 学法指要 思维体操 心中有数 动脑动手 创新园地 一.教法建议 【抛砖引玉】             在经典力学中，“动能定理”是“牛顿运动定律”的推论和发展，“功能原理”也是“牛顿运动定律”的进一步推导的结果。因此我们建议：教师不要把本单元的内容当作新知识灌输给学生，而是引导学生运用“牛顿运动定律”对下述的这个匀加速运动问题进行分析和推导，使学生自己获得新知识“动能定理”和“功能原理”。     

2、       具体的教学过程请参考下列四个步骤： 第三步：运用牛顿第二定律和、两式导出“动能定理”。 若已知物体的质量为m、所受之合外力为、产生之加速度为a。 则根据牛顿第二定律可以写出： 将、两式代入式： 导出： 若以W表示外力对物体所做的总功 若以Eko表示物体通过A处时的动能，以Ekt表示物体通过B处时的动能 则： 将、三式代入式，就导出了课本中的“动能定理”的数学表达形式： W=EktEko 若以Ek表示动能的变化EktEko 则可写出“动能定理”的一种简单表达形式： W=Ek 它的文字表述是：外力对物体所做的总功等于物体动能

3、的变化。这个结论叫做“动能定理”。 第四步：在“动能定理”的基础上推导出“功能原理”。 在推导“动能定理”的过程中，我们曾经写出过式，现抄列如 下： 为了导出“功能原理”我们需要 对其中的下滑分力做功项F1S进行分析推导。 我们知道，当斜面的底角为时，下滑分力F1和重力mg的关系如下： 将式代入式后进行推导： 若以代入式，就导出了一种“功能原理”的数学表达形式： Fsfs=EK+EP 它的物理意义是：动力对物体做功Fs与物体克服阻力做功fs之差(不包括重力做的功)，等于物体动能的变化量与势能的变化量之和。 若在式基础上进行移项变化可导出下式： 若以代入式，就可以写为： Fsfs=EtE0 再以

4、代入上式就可以导出“功能原理”的另一种数学表达形式： WF=E 它的物理意义是：外力对物体对所做的总功WF（不包括重力做的功），等于物体机械能的变化量E。（当WF0时，E0，机械能增加；当 WF0时，E0，机械能减少。 (请读者注意 ：“功能原理”中的WF与“动能定理”中的W是不相同的！我们将在后面的“指点迷津”中进行说明。) 在上面所推导出的关于“功能原理”的各数学表达式中，虽以WF=E最为简练，但在实用解题中以、两式最方便，在后讲述的“学海导航”和“智能显示”栏目中将会看到。 【指点迷津】    下面我们推导“重力对物体做功”与“物体重力势能的变化”的数量关系： 由此可

5、知：重力对物体的所做的功等于物体重力势能的变化。 上面推导出的这个结论是否只适用于竖直下落问题呢？不是的，它适用于重力对物体做功的各种情况，我们在后面的“学海导航”中还将通过例题说明其它情况。 3.“动能定理”和“功能原理”有什么联系和区别？在运用它们解题时需要注意什么？ 研究“外力对物体做功”和“物体机械能变化”的关系是力学中的重要问题之一。“动能定理”和“功能原理”都是表达这种关系的规律，只是表达的形式不同，但它们的本质是相同的。 在“动能定理”中只提动能而不提势能；在“功能原理”中既提动能也提势能。 在“动能定理”中包含重力所做的功；在“功能原理”中不包含重力所做的功。 在“动能原理”中

6、所包含的重力对物体所做的功与在“功能原理”中所提到的物体重力势能的变化是对同一物理现象的不同表述。 某些力学问题，既可以用“动能定理”求解，也可以用“功能原理”求解。具体如何选择，往往要根据题意而定。选择恰当，不仅解题便捷，而且不易失误。（注：目前的高三物理课本只讲“动能定理”，但有关功能原理的思想也分布在课文之中了。如果学生的基础不太好，若为减轻负担，也可只学习和应用“动能定理”。） 在运用“动能定理”解题时应当注意：在公式W=EK中不含势能的变化 (EP),但是在W中包含着重力做功WG。 在运用“功能原理”解题时应当注意：在公式WF=E中既含动能的变化也含势能的变化，即E=EK+EP，但是

7、在WF中不包含重力做功WG。（注：也不包括重力分解出的下滑分力做功！） 总之必须明确：W与WF的区别；EK与E的区别。 二.学海导航 【思维基础】      例题1.如图510所示：质量为m的物体沿着光滑的斜面由A处滑到B处。物体通过A处时的速度为vA、高度为hA;物体通过B处时的速度为vB、高度为hB。则在此过程中重力对物体所做的功WG为： 思维基础：这是一个检查学生对概念规律的理解和应用能力的选择题，需掌握下列知识： 1.功的定义及其计算式。 2.“重力对物体做功”与“物体重力势能变化”的关系。 3.“动能定理”的物理意义及其应用。 4.建议：请学生

8、阅读前面“教法建议”的内容后，参考其推理方法，先不看本题后面的解题思路和答案，自己进行解答，然后再进行核对，将会有较大的收获。 解题思路：在本题中物体只受重力和斜面的支持力(弹力)，又因斜面的支持力与物体的位移垂直而不做功，所以与解答本题无直接关系（因而在图中也未画出），因此只考虑重力做功与物体机械能的变化就可以了。 根据功的定义及其计算式，在本题中F=mg，代入可得： 根据数学中的三角函数知识，可知在本题中，代入可得： (附：若将mg分解出下滑分力, 然后据，亦可得出同样结果。而重力的另一正压分力因与位移垂直不做功，只是与斜面支持力平衡，使物体在垂直于斜面方向保持) 根据“重力对物体做功等于

9、物体重力势能的变化”(当重力对物体做正功时，物体的重力势能减少)，可以写出下式： 答案：A、B、C、D 解题后的思考： 1.你想到了本题的四个答案都是正确的吗？这四个答案之间有什么联系？ 2.你能够运用功的计算式、匀变速运动公式及数学中的三角函数知识等推导出(C)、(D)两个答案吗？ 3.如果在本题中斜面是不光滑的（物体与斜面间存在着摩擦力f），那么(A)、(B)、(C)、(D)四个答案中哪些是正确的？哪些答案是不正确的？ 【学法指要】 例题2.原来以7米/秒速度在水平轨道上直线行驶着的火车，在关闭气门停止动力后，滑行100米，车速减为5米/秒。问：继续滑行100米，车速将减为多少？（火车在滑

10、行过程中阻力始终保持不变。） 启发性问题： 1.火车在滑行过程中处于何种做功状态？ 2.你打算用什么物理规律解答本题？ 3.你会用图示法分析物理问题吗？ 分析与说明： 1.在本题中，火车滑行时已停止了动力作用，所以只存在运动着的火车克服阻力做功火车将减速运动。 2.解答本题可有几种不同方法，但是对于学过“动能定理”的学生，往往想到使用这个规律。 求解过程： 根据“动能定理”，我们可以写出下列展开式： 在本题中=0、=fs和W阻=fs、设火车的质量为m，则： 对于s段可以写出下式： 0fs= 对于s段可以写出下式： 0fs= 在、两式中，已知s=s，所以两式的左方相等，因此两式的右方也应相等：

11、消去等式两边的可得 将v17米/秒、v0=5米/秒代入上式可得： 答：火车继续滑行100米(即火车一共滑行了200米)车速将减为1米/秒。 【思维体操】“准备活动”(解题所需的知识与技能) 1.在本题中，由于汽车是加速运动，所以被提拉的物体也应是加速上升这表明物体的动能和重力势能都增加了。 2.根据“功能原理”就可以求出绳的拉力对物体所做的功WF。(注：因为本题只要求绳的拉力对物体所做的功，所以就不必考虑汽车在运动过程中的牵引力和阻力等问题了。) 设：汽车开到B处时，物体上升的即时速度为v、上升的高度为h，据前面“准备活动”的分析，可以写下列二式： 则：根据：“功能原理”，并将、两式代入进行推

12、导，就可求出绳Q端拉力对物体做的功WF，具体过程如下：（注：物体的初速为零，初高定为零） “整理运动”（解题后的思考） 1.在本题的做功过程中，物体受到的是恒力还是变力？物体是匀加速上升还是变加速上升？ 2.请你用“动能定理”再将本题解答一次，并进行比较你喜欢用哪种方法求解。 三.智能显示 【心中有数】 1.功和能的关系：各种不同形式的能可以通过做功来转化，能转化的多少通过功来量度，即功是能转化的量度。 2.动能定理：合力的功等于物体动能的增量，表达式为:W合=。 应用动能定理解题步骤： (1)分析物体的受力情况和运动情况； (2)分析各个力对物体做功的情况，计算时要把各已知功的正负号代入分式

13、进行运算，若是未知功，则用代号W代入。 (3) 变力(大小或方向改变)的功不要直接用W=Fscos来求，可以应用动能定理来求。在公式中变力的功只能用代号W表示。 (4)如果物体运动有几个过程时，可以分段运用动能定理，也可以对全过程运用动能定理，即各个力做功的代数和等于物体动能的增量： W1+W2+Wn= 【动脑动手】 (一).选择题 1.关于做功和物体动能变化的关系，下列说法中正确的是 A.只有动力对物体做功，物体的动能一定增加 B.只有物体克服阻力做功，物体的动能一定减少 C.外力对物体做功的代数和等于物体末动能与初动能之差。 D.动力和阻力都对物体做功，物体的动能一定变化 2.下面关于物体

14、所受的合外力、合外力做功和物体动能变化的说法中正确的是 A.如果物体所受的合外力为零，合外力对物体做的功一定为零 B.如果合外力对物体做的功为零，合外力一定为零 C.如果物体的动能不变，所受的合外力一定为零 D.如果物体的动能不变，合外力对物体做的功一定为零 3.质点在恒力作用下，从静止开始做直线运动，则质点的动能 A.与它通过的位移成正比 B.与它通过位移的平方成正比 C.与它运动的时间成正比 D.与它运动时间的平方成正比 4.一颗子弹以水平速率v射入固定的木块中，射入深度为s，设子弹在木块中所受阻力是恒定的。当子弹以的水平速度射入固定的木块中，射入深度为 A.s B. C. D. 6.两个

15、物体的质量分别为m1和m2，已知m1=4m2，当它们以相同的初动能在动摩擦因数相同的水平面上运动时，它们的滑行距离之比和滑行时间之比分别为 A.s1s2=12, t1t2=21 B.s1s2=41, t1t2=12 C.s1s2=21, t1t2=41 D.s1s2=14, t1t2=12 10.质量为10kg的物体以4m/s的速度在光滑水平面上向左滑行，从某时刻起在物体上作用一个向右的水平力，经过一段时间，物体的速度方向变为向右，大小为4m/s，在这段时间里水平力做的功为 A.0 B.8J C.16J D.32J 11.在水平面上有一质量为m的物体，受到水平力F的作用从静止开始运动，通过距离

16、s撤去力F，这以后又通过距离s停止下来，则在这个过程中 A.它所受的摩擦力大小为F B.它所受的摩擦力大小为 C.力F对物体做的功为Fs D.力F对物体做的功为零 12.被竖直上抛物体的初速度与回到抛出点时速度大小之比为k，空气阻力在物体运动过程中大小不变，则重力与空气阻力的大小之比等于 A. B. C.k D. 13.两辆汽车在同一平直路面上行驶，它们的质量之比m1m2=12，速度之比v1v2=21。当两车急刹车后，甲车滑行的最大距离为s1，乙车滑行的最大距离为s2。设两车与路面间的动摩擦因数相同，不计空气阻力，则 A.s1s2=12, B.s1s2=11, C.s1s2=21, D.s1s

17、2=41 14.汽车拉着拖车在平直的公路上匀速行驶，拖车与汽车突然脱钩，而汽车的牵引力不变，各自受的阻力不变，在拖车停止前 A.它们的总动能不变 B.它们的总动能增加 C.它们的总动量不变 D.它们的总动量增加 15.质量为m的汽车在平直公路上以速度v0开始加速行驶，经过时间t，前进距离s后，速度达到最大值vm。设在这一过程中汽车发动机的功率恒为p0，汽车所受的阻力恒为f0。在这段时间内汽车发动机所做的功为 19.一人坐在雪橇上，从静止开始沿着高度为15m的斜坡下滑，到达底部时速度为10m/s。已知人和雪橇的总质量为80kg，g取10m/s2。下滑过程中克服阻力做的功是 20.如图520所示，

18、质量为m的物体，从弧形面底端A点以速度v0往上滑行，达到某一高度后，又沿原路返回，且继续沿水平面滑行至B点而停止。在整个过程中物体克服摩擦力做的功是 。 21.质量为m的小球，以初速度v0从倾角为的斜面底端向上滑行，上滑的最大距离为s，则小球滑回到原出发点时的动能为 。 22.一个单摆小球的质量为m，摆球经过最低点时的速度为v0，由于摆球受到大小不变的空气阻力f作用而最终静止。则摆球通过的最大路程是 。 23.如图521所示，物体A放在倾角为的斜面上，向下轻轻一推，它刚好能匀速下滑，若给该物体一个沿斜面向上的初速度v0，则它上滑的最大路程是 。 24.某地强风的风速为v=20m/s，设空气密度为=1.3kg/m3。如果把通过横截面积为s=20m2的风的动能全部转化为电能，则利用上述已知量计算电功率的公式应为P= ，大小约为 瓦（取一位有效数字） （三）.计算题 25.一个质点在一个恒力F作用下由静止开始运动，速度达到v，然后换成一个方向相反、大小为3F的恒力作用，经过一段时间后，质点回到出发点。求质点回到出发点时速度的大小是多少？ 26.某人在高为h处水平地抛出一个质量为m的物体，物体落地点与抛出点水平距离为s。求抛球时人对球所做的功是多少？ 27.一列火车的质量是5.0&#