2024年高中物理新教材同步 必修第二册 第8章 3　动能和动能定理

3动能和动能定理[学习目标]1.掌握动能的表达式和单位，知道动能是标量(重点)。2.能运用牛顿第二定律与运动学公式推导出动能定理，理解动能定理的物理意义(重点)。3.能运用动能定理解决简单的问题(重难点)。一、动能和动能定理如图所示，光滑水平面上质量为m的物体在水平恒力F的作用下向前运动了一段距离l，速度由v1增加到v2。试推导出力F对物体做功的表达式。答案W＝Fl＝F·eq\f(v22－v12,2a)＝F·eq\f(v22－v12,2\f(F,m))＝eq\f(1,2)mv22－eq\f(1,2)mv12。1．动能(1)动能的表达式Ek＝eq\f(1,2)mv2。其单位与功的单位相同，在国际单位制中为焦耳，符号为J。(2)动能是标量，没有负值。(3)动能是状态量，与物体的运动状态相对应。(4)动能具有相对性，选取不同的参考系，物体的速度大小不同，动能也不同，一般以地面为参考系。2．动能定理(1)力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。表达式：W＝eq\f(1,2)mv22－eq\f(1,2)mv12，也可写成W＝Ek2－Ek1。(2)W与ΔEk的关系：合力做功是物体动能变化的原因。①合力对物体做正功，即W>0，ΔEk>0，表明物体的末动能大于初动能；②合力对物体做负功，即W<0，ΔEk<0，表明物体的末动能小于初动能。(3)物体动能的改变可由合力做功来度量。1．合外力对物体做功，物体的速度一定变化吗？物体的速度变化，合外力一定对物体做功吗？答案如果合外力对物体做功，物体动能发生变化，速度一定发生变化；而速度变化动能不一定变化，比如做匀速圆周运动的物体速度方向时刻变化，但所受合外力不做功，如果合外力对物体不做功，则动能不变。2．动能定理是物体受恒力作用，并且做直线运动的情况下推导出来的，对于物体受变力作用、做曲线运动的情况，动能定理是否成立？答案成立。在物体受变力作用且做曲线运动时，可将运动过程分解成许多小段，认为物体在每小段运动中受到的都是恒力，运动的轨迹为直线，同样可推导出动能定理的表达式。(1)凡是运动的物体都具有动能。(√)(2)两质量相同的物体，动能相同，速度一定相同。(×)(3)物体的动能不变，所受的合外力必定为零。(×)(4)利用动能定理只能求速度大小不能求速度方向。(√)(5)如果物体受到几个力的作用，动能定理中的W表示这几个力的合力做的功。(√)例1(2022·吕梁市测试)质量10g、以0.80km/s的速度飞行的子弹与质量62kg、以10m/s的速度奔跑的运动员相比()A．运动员的动能较大B．子弹的动能较大C．二者的动能一样大D．无法比较它们的动能答案B解析子弹的动能Ek1＝eq\f(1,2)m1v12＝eq\f(1,2)×0.01×8002J＝3200J，运动员的动能Ek2＝eq\f(1,2)m2v22＝eq\f(1,2)×62×102J＝3100J，所以子弹的动能较大，故B正确。二、动能定理的简单应用如图所示，质量为m的物块从固定斜面顶端由静止滑下，已知斜面倾角为θ，物块与斜面之间的动摩擦因数为μ，斜面高为h，重力加速度为g。(1)物块在下滑过程中受哪些力的作用？各个力做的功分别为多少？(2)物块的动能怎样变化？物块到达斜面底端时的速度为多大？答案(1)受重力、支持力、摩擦力；重力做功为WG＝mgh，支持力做功为WN＝0，摩擦力做功为Wf＝－μmgcosθ·eq\f(h,sinθ)＝－μmgeq\f(h,tanθ)。(2)物块动能增大，由动能定理得WG＋WN＋Wf＝eq\f(1,2)mv2－0，得物块到达斜面底端的速度大小v＝eq\r(2gh－\f(2μgh,tanθ))。应用动能定理解题的一般步骤：例2(2023·西安市铁一中学高一期末)一人用力踢质量为1kg的足球，使球由静止以20m/s的速度飞出，假定人踢球瞬间对球平均作用力大小是200N，球在水平方向运动30m停止。那么人对球所做的功为()A．20JB．200JC．300JD．6000J答案B解析人对足球所做的功等于足球动能的增量，则W＝ΔEk＝eq\f(1,2)mv2＝eq\f(1,2)×1×202J＝200J。故选B。例3质量m＝6×103kg的客机，从静止开始沿平直的跑道匀加速滑行，当滑行距离l＝7.2×102m时，达到起飞速度v＝60m/s。(1)起飞时飞机的动能是多少？(2)若不计滑行过程中所受的阻力，则飞机受到的牵引力为多大？(3)若滑行过程中受到的平均阻力大小为3.0×103N，牵引力与第(2)问中求得的值相等，则要达到上述起飞速度，飞机的滑行距离应为多大？答案(1)1.08×107J(2)1.5×104N(3)9×102m解析(1)飞机起飞时的动能Ek＝eq\f(1,2)mv2代入数值解得Ek＝1.08×107J。(2)设飞机受到的牵引力为F，由题意知合外力为F，由动能定理得Fl＝Ek－0，代入数值得F＝1.5×104N。(3)设飞机的滑行距离为l′，滑行过程中受到的平均阻力大小为Ff，则由动能定理得(F－Ff)l′＝Ek－0解得l′＝9×102m。例4(2022·榆林市第十中学高一期中)如图，斜面末端B点与水平面平滑相接，现将一质量m＝2kg、可视为质点的物块在距水平地面高h＝0.5m处的A点以一定初速度释放(速度方向沿斜面向下)，物块运动到水平面上距B点s＝1.6m处的C点停下，已知斜面光滑，物块与水平面之间的动摩擦因数μ＝0.5，最大静摩擦力等于滑动摩擦力，其他阻力忽略不计。(g＝10m/s2)(1)求物块到达B点时的速度大小；(2)求物块在A点的动能；(3)若赋予物块向左的水平初速度，使其从C点恰好到达A点，求水平初速度大小(结果可带根号)。答案(1)4m/s(2)6J(3)eq\r(26)m/s解析(1)物块从B点到C点由动能定理可得－μmgs＝0－eq\f(1,2)mvB2解得vB＝4m/s(2)物块从A点到B点由动能定理可得mgh＝eq\f(1,2)mvB2－EkA解得EkA＝6J(3)设初速度大小为v，从C点到A点由动能定理可得－μmgs－mgh＝0－eq\f(1,2)mv2解得v＝eq\r(26)m/s。动能定理的优越性牛顿运动定律动能定理适用条件只能研究物体在恒力作用下做直线运动的情况对于物体在恒力或变力作用下做直线运动或曲线运动的情况均适用应用方法要考虑运动过程的每一个细节只考虑各力的做功情况及初、末状态的动能运算方法矢量运算代数运算相同点确定研究对象，对物体进行受力分析和运动过程分析结论应用动能定理解题不涉及加速度、时间，不涉及矢量运算，运算简单，不易出错课时对点练考点一对动能和动能定理的理解1．对动能的理解，下列说法正确的是()A．运动速度大的物体，动能一定大B．动能像重力势能一样有正负C．质量一定的物体，动能变化时，速度一定变化，但速度变化时，动能不一定变化D．动能不变的物体，一定处于平衡状态答案C解析因动能与物体的质量和速度有关，运动速度大的物体，动能不一定大，A错误；动能是标量，没有正负，B错误；质量一定的物体，动能变化，则速度的大小一定变化，所以速度一定变化，但速度变化时，如果只是方向改变而大小不变，则动能不变，比如做匀速圆周运动的物体，C正确；动能不变的物体，速度方向可能变化，故不一定处于平衡状态，D错误。2．(多选)(2022·哈尔滨第三十二中高一期末)改变汽车的质量和速度，都可能使汽车的动能发生改变。在下列几种情况下，汽车的动能变化正确的是()A．质量不变，速度增大到原来的2倍，动能变为原来的2倍B．速度不变，质量增大到原来的2倍，动能变为原来的2倍C．质量减半，速度增大到原来的4倍，动能变为原来的8倍D．速度减半，质量增大到原来的4倍，动能变为原来的8倍答案BC3.如图所示，电梯质量为M，在它的水平地板上放置一质量为m的物体。电梯在钢索的拉力作用下竖直向上加速运动，当电梯的速度由v1增加到v2时，上升高度为H，重力加速度为g，物体始终与电梯保持相对静止，则在这个过程中，下列说法或表达式正确的是()A．对物体，动能定理的表达式为WN＝eq\f(1,2)mv22，其中WN为支持力做的功B．对物体，动能定理的表达式为W合＝0，其中W合为合力做的功C．对物体，动能定理的表达式为WN－mgH＝eq\f(1,2)mv22－eq\f(1,2)mv12D．对电梯，其所受合力做功为eq\f(1,2)Mv22－eq\f(1,2)Mv12－mgH答案C解析物体受重力和支持力作用，根据动能定理得WN－mgH＝eq\f(1,2)mv22－eq\f(1,2)mv12，故选项C正确，A、B错误；对电梯，所受合力做功等于电梯动能的变化量，故选项D错误。考点二动能定理的简单应用4．(多选)甲、乙两个质量相同的物体，用大小相等的力F分别拉着它们在水平面上从静止开始运动相同的距离s。如图所示，甲在光滑面上运动，乙在粗糙面上运动，则下列关于力F对甲、乙两物体做的功和甲、乙两物体获得的动能的说法中正确的是()A．力F对甲物体做功多B．力F对甲、乙两个物体做的功一样多C．甲物体获得的动能比乙大D．甲、乙两个物体获得的动能相同答案BC解析由W＝Fs可知，两种情况下力F对甲、乙两个物体做的功一样多，A错误，B正确；根据动能定理，对甲有Fs＝Ek1，对乙有Fs－Ffs＝Ek2，可知Ek1>Ek2，C正确，D错误。5．一个人站在阳台上，从阳台边缘以相同的速率v0分别把三个质量相同的球竖直上抛、竖直下抛、水平抛出，不计空气阻力，则三个球落地时的动能()A．上抛球最大 B．下抛球最大C．平抛球最大 D．一样大答案D解析设阳台离地面的高度为h，根据动能定理得mgh＝Ek－eq\f(1,2)mv02，三个小球质量相同，初速度相同，高度相同，所以三个球落地时动能相同，D正确。6．光滑水平面上有一物体，在水平恒力F作用下由静止开始运动，经过时间t1速度达到v，再经过时间t2，速度由v增大到2v，在t1和t2两段时间内，外力F对物体做功之比为()A．1∶2B．1∶3C．3∶1D．1∶4答案B解析根据动能定理得，第一段过程：W1＝eq\f(1,2)mv2，第二段过程：W2＝eq\f(1,2)m(2v)2－eq\f(1,2)mv2＝eq\f(3,2)mv2，解得W1∶W2＝1∶3，B正确。7．人骑自行车下坡，坡长l＝500m，坡高h＝8m，人和车总质量为100kg，下坡时初速度为4m/s，人不踏车的情况下，到达坡底时车速为10m/s，g取10m/s2，则下坡过程中阻力所做的功为()A．－400J B．－3800JC．－50000J D．－4200J答案B解析下坡过程中运用动能定理得mgh＋Wf＝eq\f(1,2)mv2－eq\f(1,2)mv02，解得Wf＝－3800J，故选B。8．(2023·金溪一中高一期中)如图，C919在水平跑道上滑跑试飞。当发动机提供2.1×105N的牵引力时，C919滑跑1.6×103m即可离地起飞。将滑跑过程视为初速度为零的匀加速直线运动，已知飞机的质量为7.0×104kg，受到的阻力恒为其重力的十分之一，重力加速度g取10m/s2，则C919起飞的速度约为()A．57m/s B．80m/sC．89m/s D．113m/s答案B解析依题意，根据动能定理可得(F－Ff)l＝eq\f(1,2)mv2－0，Ff＝0.1mg，即(2.1×105－0.1×7.0×104×10)×1.6×103＝eq\f(1,2)×7.0×104×v2，解得v＝80m/s，故选B。9．(2023·北京昌平高一期末)运动员将质量为400g的静止的足球踢出后，某人观察它在空中飞行情况，估计上升的最大高度是5.0m，在最高点的速度为20m/s。不考虑空气阻力，g取10m/s2。运动员踢球时对足球做的功约为()A．100JB．80JC．60JD．20J答案A解析根据题意，设运动员踢球时对足球做的功约为W，从开始踢球到足球上升到最大高度的过程，根据动能定理有W－mgh＝eq\f(1,2)mv2，解得W＝mgh＋eq\f(1,2)mv2＝100J，故选A。10.(2022·郴州市高一期末)如图所示，轨道由水平轨道AB和足够长斜面轨道BC平滑连接而成，斜面轨道BC与水平面间的夹角为θ＝37°。质量为m＝1kg的物块静止在距离B点x0＝8m的水平轨道上，物块与水平面和斜面间的动摩擦因数均为μ＝0.50。现在物块上作用一个大小F＝6N、方向水平向右的拉力，物块到达B点时撤去该拉力。sin37°＝0.6，cos37°＝0.8，g取10m/s2。求：(1)物块到达B点时的速度大小vB；(2)物块沿斜面上滑的最大距离xm。答案(1)4m/s(2)0.8m解析(1)根据动能定理Fx0－μmgx0＝eq\f(1,2)mvB2，解得vB＝4m/s(2)根据动能定理－mgxmsin37°－μmgxmcos37°＝0－eq\f(1,2)mvB2，解得xm＝0.8m。11.如图所示，一质量为m＝10kg的物体，由eq\f(1,4)光滑圆弧轨道上端从静止开始下滑，到达底端后沿水平面向右滑动1m距离后停止。已知圆弧底端与水平面平滑连接，圆弧轨道半径R＝0.8m，取g＝10m/s2，求：(1)物体滑至圆弧底端时的速度大小；(2)物体滑至圆弧底端时对轨道的压力大小；(3)物体沿水平面滑动过程中克服摩擦力做的功。答案(1)4m/s(2)300N(3)80J解析(1)设物体滑至圆弧底端时速度大小为v，由动能定理可知mgR＝eq\f(1,2)mv2得v＝eq\r(2gR)＝4m/s；(2)设物体滑至圆弧底端时受到轨道的支持力大小为FN，根据牛顿第二定律得FN－mg＝meq\f(v2,R)，故FN＝mg＋meq\f(v2,R)＝300N根据牛顿第三定律得FN′＝FN，所以物体对轨道的压力大小为300N；(3)设物体沿水平面滑动过程中摩擦力做的功为Wf，根据动能定理可知Wf＝0－eq\f(1,2)mv2＝－80J所以物体沿水平面滑动过程中克服摩擦力做的功为80J。12．一个人站在距地面20m的高处，将质量为0.2kg的石块以v0＝12m/s的速度斜向上抛出，石块的初速度方向与水平方向之间的夹角为30°，g取10m/s2。(1)人抛石块过程中对石块做了多少功？(2)若不计空气阻力，石块落地时的速度大小是多少？(3)若石块落地时的速度大小为22m/s，则石块在空中运动过程中克服阻力做了多少功？答案(1)14.4J(2)23.32m(3)6J解析(1)人抛石块的过程中，根据动能定理得W＝eq\f(1,2)mv02＝14.4J。(2)不计空气阻力，