物理(机械建筑类)主编：王美玉

1、物理（机械建筑类） 主编：王美玉第2章第3章第2章2.1.1功2.1.2功率2.2.1动能2.3.1势能2.3.2机械能守恒定律第2章图2-1帆船借助风力航行第2章2.1.1功图2-2起重机吊装集装箱2.1.1功图2-3功的计算示意图a)力的方向与物体运动的方向一致b)力的方向与物体运动的方向有一个夹角2.1.1功图2-4做正功和做负功的分析图a)力对物体做正功b)力对物体做负功2.1.1功图2-5例2-1图例2-1如图2-5所示，物体重98N，在与水平方向向上成37角的拉力F作用下沿水平面移动了10m。2.1.1功已知物体与水平面间的动摩擦因数为0.2，拉力F的大小为100N，(cos37=

2、0.8，sin37=0.6)求:(1)作用在物体上的各力对物体所做的总功；(2)合力对物体所做的功。解：(1)拉力做的功是2.1.1功(2)作用在物体上的合力是例2-2如图2-6所示，10.0的恒力施于割草机，如果手柄与运动方向所成的角度是30，当割草机通过90.0时，人做的功是多少？2.1.1功图2-6例2-2图解：根据功的定义式2.1.1功2.1.1功【正功和负功】现在我们从功的定义出发讨论一下做正功和做负功的问题，如图2-4所示。图2-4做正功和做负功的分析图a)力对物体做正功b)力对物体做负功当00，则W为正值，即力对物体做正功，如人拉小车前进，拉力对小车做的是正功。当=90时，cos

3、=0，则W=0，即力对物体不做功，如列车的支持力对列车不做功。当90180时，cos，则物体动能增加；若合外力对物体做负功(物体克服阻力做功)即W，则物体动能减少；若合外力不做功，即W0，则动能保持不变。2.2.1动能例2-6如图2-10所示，质量为2g的子弹，以400m/s的速度水平射入厚度为5mm的木板，射穿后子弹的速度变为100m/s，求：(1)子弹克服阻力做了多少功？(2)木板对子弹的平均阻力多大？例2-5一颗质量为的子弹，以800m/s的速度飞行；一个质量为60kg的人，以m/s的速度奔跑，二者哪个动能大？解：子弹的动能为2.2.1动能图2-10例2-6图解：(1)根据动能定理，阻力

4、所做的功为2.2.1动能(2)木板对子弹的平均阻力方向与运动方向相反，即Wf=Ffs，则2.3.1势能图2-11三峡大坝【势能】动能是与物体质量和速度有关的能量，但是还有一种与物体的相对位置相联系的能量，这种能量称为势能。2.3.1势能图2-12势能与零势面的关系【重力势能】物体由于受到地球的吸引而具有的与高度有关的能量称为重力势能。【弹性势能】物体因弹性形变而具有的能量称为弹性势能。2.3.1势能2Z13.TIF2.3.1势能例2-7质量为5.0kg的物体，在10.0m高处和5.0m高处的重力势能各是多少？此物体从10.0m高处落到5.0m高处过程中重力势能减少了多少？重力对物体做了多少功？

5、解：Ep1=mgh1=5.09.810.0J=490J2.3.1势能2.3.1势能图2-14把货物沿木板斜面推上货车例2-8如图2-14所示，2.3.1势能工人把质量为150kg的货物沿着长3.0m、高1.5m的木板匀速地推上货车，货物增加的重力势能是多少？在不计摩擦力的情况下，工人沿木板斜面推货物所做的功是多少？重力做功是多少？(g取10m/s2)解：Ep2-Ep1=mgh2-mgh1例2-9某弹簧的劲度系数是28N/m，在外力作用下，其长度由1.2m变为1.5m，求弹簧的弹性势能。解：弹簧的伸长量x=1.5m-1.2m=0.3m，故弹簧的弹性势能为2.3.2机械能守恒定律图2-15势能与动

6、能之间的变化关系【机械能】我们知道，做功可以改变物体的动能和势能，那么，在运动过程中动能和势能之间是否可以发生相互转换呢？回答是肯定的。动能和势能统称为机械能，常用符号E表示。【机械能守恒定律】如图2-152.3.2机械能守恒定律例2-10在不计空气阻力的情况下，以10m/s的速度从地面竖直向上抛一个小球，求：(1)小球能达到的最大高度；(2)当小球动能与势能相等时，小球位于的高度。解：在不计空气阻力的条件下，小球上升过程中只有重力做功，小球的机械能守恒，根据机械能守恒定律2.3.2机械能守恒定律(1)以地面为零势面得(2)以地面为零势面得2.3.2机械能守恒定律例2-11如图2-16所示，一

7、物体从静止开始，沿着四分之一的光滑圆弧轨道从A点滑到最低点B。已知圆的半径R1.98m，物体滑到最低点B时的速率是多大？2.3.2机械能守恒定律图2-16例2-11图解：由于是光滑圆弧轨道，2.3.2机械能守恒定律所以物体仅受重力和支持力两个力的作用，其中支持力与位移垂直不做功，只有重力做功，物体的机械能守恒。2.3.2机械能守恒定律2.3.2机械能守恒定律图2-17过山车第3章3.1.1弹簧振子的运动3.1.2振动的振幅、周期和频率3.2.1受迫振动3.2.2共振3.2.3共振现象的应用与危害3.3.1机械波3.3.2横波和纵波3.3.3波长频率波速3.3.4声波、超声波和次声波第3章图3-

8、1荡秋千第3章3.1.1弹簧振子的运动图3-2机械振动【机械振动】如图3-2a所示，在弹簧一端挂一个小物体，拉一下小物体，它就以原来的平衡位置为中心作上下往复运动。物体在平衡位置附近所作的往复运动，称为机械振动，通常简称为振动。【简谐振动】研究机械振动要从最简单最基本的振动入手，如图3-3所示，把一个有孔的小球安装在弹簧的一端，弹簧的另一端固定，小球穿在光滑的水平杆上，可以在杆上滑动。小球和水平杆之间的摩擦可忽略不计，弹簧的质量比小球的质量小得多，也可忽略不计。这种理想化的装置称为弹簧振子，其中的小球称为振子。3.1.1弹簧振子的运动图3-3简谐振动实验物体在与偏离平衡位置的位移大小成正比且总

9、指向平衡位置的回复力作用下所产生的振动，称为简谐振动。3.1.2振动的振幅、周期和频率【振幅】简谐振动的物体总是在一定范围内运动，如图3-3所示。振子在水平杆上的A点和A点之间作往复运动，振子离开平衡位置的最大距离为OA或者OA。振动物体离开平衡位置的最大位移的绝对值，称为简谐振动的振幅。振幅是表示简谐振动强弱的物理量。在图3-3中，OA或者OA的大小就是弹簧振子的振幅。【周期与频率】简谐振动具有周期性，在图3-3中，如果振子由A点开始运动，经过O点运动到A点，再经过O点回到A点，我们就说它完成了一次全振动。此后振子会不停地重复这种往复运动。实验表明，弹簧振子完成一次全振动所用的时间是相同的。

10、作简谐振动的物体完成一次全振动所需要的时间，称为简谐振动的周期。作简谐振动的物体在单位时间内完成的全振动的次数，称为简谐振动的频率。周期和频率都是表示简谐振动快慢的物理量。周期越短，频率越大，表示振动越快。用T表示周期，用f表示频率，则有f=1/T在国际单位中，周期的单位是秒(s)，频率的单位是赫兹，简称赫，符号是Hz。3.1.2振动的振幅、周期和频率【简谐振动的能量】弹簧振子在振动过程中动能和势能不断地发生转化。在平衡位置时，动能最大，势能最小；在位移最大时，势能最大，动能为零。振动系统在任意时刻的动能和势能的总和称为总机械能。弹簧振子是在弹力或重力的作用下发生振动的，如果不考虑摩擦和空气阻

11、力，只有弹力或重力做功，振动系统的机械能守恒。振动系统的机械能跟振幅有关，振幅越大，机械能就越大。对简谐振动来说，一旦供给振动系统一定的能量，使它开始振动，由于机械能守恒，它就以固定的振幅永不停息地振动下去，这种振动称为自由振动。简谐振动是一种理想化的振动。物体作自由振动时，其振幅不随时间变化，是等幅振动，如图3-4a所示。物体作自由振动的周期或频率等于本身的固有周期或固有频率。【阻尼振动】实际的振动系统不可避免地要受到摩擦力或其他阻力，即受到阻尼作用。系统克服阻尼作用做功，系统的机械能就要损耗并随着时间的推移而逐渐减少，振动的振幅也逐渐减小，待到机械能耗尽之时，振动就停止了。这种振幅随着时间

12、而逐渐减小的振动，称为阻尼振动。阻尼振动的振动图像如图3-4b所示。3.1.2振动的振幅、周期和频率图3-4简谐振动图像a)等幅振动b)阻尼振动3.2.1受迫振动图3-5跳板跳水【受迫振动】阻尼振动最终要停下来，那么，怎样才能得到持续的周期性振动呢？最简单的办法是用周期性的外力作用于振动系统，通过外力对系统做功从而补偿系统的能量损耗，使系统持续地振动下去，这种周期性的外力称为驱动力。物体在周期性外驱动力作用下的振动称为受迫振动3.2.1受迫振动图3-6受迫振动实验装置动力频率f的关系曲线在受迫振动中，驱动力的频率跟振动物体的固有频率相等时，物体振动的振幅达到最大值，这种现象称为共振。3.2.2

13、共振图3-7共振研究实验装置3.2.2共振图3-8受迫振动的振幅A与驱3.2.3共振现象的应用与危害图3-9共鸣实验【声音的共鸣】如图3-9所示，取两个频率相同的音叉A和B，相隔不远并排放在桌上，打击音叉A的叉股，使它发声。过一会儿，用手按住音叉A的叉股，使它停止发声，此时，可听到没有被敲响的音叉B也发出了声音。3.2.3共振现象的应用与危害【共振现象的应用】共振现象在生产的许多领域有应用。例如，测定转速的共振转速计就是利用共振原理制作的，具体原理是：在共振转速计的同一支架上固定许多长度不同的钢片，使共振转速计与开动的机器紧密接触，则发动机的转动就会引起转速计轻微地振动，这时只有固有频率与发动

14、机的转速一致的那个钢片才有显著的振幅，通过读出其固有频率，我们就可以知道机器的转速。【共振现象的危害】每个事物都有两面性，共振现象虽然在生产的许多领域具有良好的应用，但在某些领域共振现象却可能造成危害。例如，当大部队或火车过桥时，部队整齐划一的步伐和火车对钢轨接头处的冲击，都是周期性的驱动力。如果驱动力的频率接近桥梁的固有频率，就会发生共振现象，导致恶性事故发生。因此，大部队过桥时要便步行走，火车过桥时要稍微慢行，以便使驱动力的频率小于桥的固有频率。图3-10水波3.3.1机械波图3-11沿绳传出凹凸相间的波【机械波的定义】为什么媒质中某一点发生的振动能向各个方向传播？这是由媒质本身的性质决定

15、的。我们可以把媒质看成是由大量质点构成的物质，相邻的质点间都有弹力相互作用。当媒质中的某一质点发生振动时就会带动它周围的质点振动起来，这些质点的振动又会带动各自周围的质点发生振动，这样，振动就在媒质内逐渐传播开来。机械振动在媒质中的传播过程，称为机械波，简称波或波动。3.3.1机械波图3-12沿弹簧传出疏密相间的波3.3.2横波和纵波图3-13横波的图像【横波】在图3-11所示绳上的凸凹波中，质点上下振动，波向右传播。我们把质点的振动方向与波的传播方向垂直的波，称为横波。在横波中，凸起部分称为波峰，凹下部分称为波谷。【纵波】在图3-12所示螺旋弹簧上的疏密波中，质点左右振动，波向右传播。我们把

16、质点的振动方向与波的传播方向在同一直线上的波，称为纵波。在纵波中，质点分布较密的部分称为密部，质点分布较稀的部分称为疏部。3.3.2横波和纵波图3-14地震知识图解3.3.3波长频率波速图3-15横、纵波中的波长a)横波中的波长b)纵波中的波长【波长】在振动过程中对平衡位置的位移总是相同的两个相邻质点间的距离，称为波长。【频率、波速和波长之间的关系】3.3.3波长频率波速例3-1有一振源的频率是340Hz，在媒质甲中的传播速度是340m/s，求波在媒质甲中的波长是多少？如果波进入媒质乙中传播时的波长是3m，求波在媒质乙中传播时的速度和频率是多少？解：波的频率是由振源决定的，不随媒质的变化而变化

17、，因此，波在媒质甲和媒质乙中传播时的频率相同，即f甲=f乙=340Hz。3.3.4声波、超声波和次声波图3-16大象利用次声波进行信息交流【声波】声波是由声源的振动在介质中传播而形成的。人耳能听到的声波的频率范围是有限的，大致在20Hz到20000Hz之间，称为可闻声波。频率低于20Hz或高于20000Hz的声波，都是人耳无法听到的，其中频率低于20Hz的声波称为次声波，频率高于20000Hz的声波称为超声波。【次声波】次声波的频率低、波长大，容易发生衍射，因此，在传播过程中遇到障碍物时很难被阻挡住。同时由于次声波频率低，能量衰减很慢，因此，它可以传播得很远。3.3.4声波、超声波和次声波图3-17蝙蝠利用超声波进行定位【超