2019高考物理 快速提分法 模型十 功能關(guān)系學(xué)案(含解析)
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1、功能關(guān)系 功和能的概念是物理學(xué)中重要的概念。能的轉(zhuǎn)化和守恒定律是自然界最重要、最普遍、最基本的客觀規(guī)律,運(yùn)用功和能量的轉(zhuǎn)化關(guān)系解題是解決物理學(xué)習(xí)題的一條重要途徑和方法.因此,功能問(wèn)題是歷年高考的重中之重.考查的特點(diǎn)是:涉及知識(shí)面廣、靈活性大、綜合性強(qiáng)、對(duì)能力要求高.掌握好這部分下車(chē)對(duì)真正實(shí)現(xiàn)知識(shí)、方法、能力的三維發(fā)展作用重大. 一、功和動(dòng)能定理 功是能量轉(zhuǎn)化的量度.外力對(duì)物體做正功,將使物體的動(dòng)能增加,是其他形式的能轉(zhuǎn)化為物體的動(dòng)能的過(guò)程;物體克眼外力做功,物體的動(dòng)能將減少,是動(dòng)能轉(zhuǎn)化為其他形式的能的過(guò)程.這就是動(dòng)能定理所揭示的本質(zhì)。應(yīng)用動(dòng)能定理解題時(shí),關(guān)鍵是分析物體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到
2、哪些力的作用,每個(gè)力是否做功,是做正功還是負(fù)功,并求出功的代數(shù)和.另外就是明確做功過(guò)程始末兩個(gè)狀態(tài)的動(dòng)能. 動(dòng)能定理既適用于直線運(yùn)動(dòng),也適用于曲線運(yùn)動(dòng);既適用于恒力做功,也適用于變力做功:且力做功時(shí)可以是連續(xù)的,也可以是不連續(xù)的;可以在一條直線上,也可以不在一條直線上.另外,動(dòng)能定理既適用于力學(xué)中物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng),也適用于電磁學(xué)中電場(chǎng)力做功、電流做功、安培力做功等問(wèn)題.因此,動(dòng)能定理的應(yīng)用具有很大的普遍性和優(yōu)越性. 二、功和能量守恒 能量守恒定律是自然界普遍遵循的規(guī)律.系統(tǒng)只有重力(或彈簧彈力)做功時(shí),系統(tǒng)內(nèi)部動(dòng)能和勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化,機(jī)械能守恒;系統(tǒng)克服摩擦力做功時(shí);損失的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為等量的內(nèi)
3、能.做功和熱傳遞,都可以改變物體的內(nèi)能;電流力作功使電能轉(zhuǎn)化;電場(chǎng)力做功,使電荷的電勢(shì)能改變:電磁感應(yīng)現(xiàn)象中,安阿片力作功,使電能發(fā)生改變等.應(yīng)用能的轉(zhuǎn)化和守恒定律解題,由于不考慮中間復(fù)雜的變化過(guò)程,往往顯示出很大的優(yōu)越性,因此也是高考物理中的熱點(diǎn)問(wèn)題. 需要注意的是:功是一種過(guò)程量,它和一段位移(一段時(shí)間)相對(duì)應(yīng);而能是一種狀態(tài)量,它個(gè)一個(gè)時(shí)刻相對(duì)應(yīng)。兩者的單位是相同的(都是J),但不能說(shuō)功就是能,也不能說(shuō)“功變成了能”。在研究功和能的關(guān)系時(shí),尤其要突出:“功是能量轉(zhuǎn)化的量度”這一基本概念。 ⑴物體動(dòng)能的增量由外力做的總功來(lái)量度:W外=ΔEk,這就是動(dòng)能定理。 ⑵物體重力勢(shì)能的增量由重
4、力做的功來(lái)量度:WG= -ΔEP,這就是勢(shì)能定理。 ⑶物體機(jī)械能的增量由重力以外的其他力做的功來(lái)量度:W其它=ΔE機(jī),(W其它表示除重力以外的其它力做的功),這就是機(jī)械能定理。 ⑷當(dāng)W其它=0時(shí),說(shuō)明只有重力做功,所以系統(tǒng)的機(jī)械能守恒。 ⑸一對(duì)互為作用力反作用力的摩擦力做的總功,用來(lái)量度該過(guò)程系統(tǒng)由于摩擦而減小的機(jī)械能,也就是系統(tǒng)增加的內(nèi)能。f ?d=Q(d為這兩個(gè)物體間相對(duì)移動(dòng)的路程)。 經(jīng)典例題總質(zhì)量為M的列車(chē),沿水平直線軌道勻速前進(jìn),其末節(jié)車(chē)廂質(zhì)量為m,中途脫節(jié),司機(jī)發(fā)覺(jué)時(shí),機(jī)車(chē)已行駛L的距離,于是立即關(guān)閉油門(mén),除去牽引力。設(shè)運(yùn)動(dòng)的阻力與質(zhì)量成正比,機(jī)車(chē)的牽引力是恒定的。
5、當(dāng)列車(chē)的兩部分都停止時(shí),它們的距離是多少? 分析與解答:對(duì)車(chē)頭,脫鉤后的全過(guò)程用動(dòng)能定理得: ? 對(duì)車(chē)尾,脫鉤后用動(dòng)能定理得: ? 而,由于原來(lái)列車(chē)是勻速前進(jìn)的,所以F=kMg 由以上方程解得。 小錦囊 力對(duì)物體所做的功的多少,只決定于力、位移、力和位移間夾角的大小,而跟物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)。在一定的條件下,物體做勻加速運(yùn)動(dòng)時(shí)力對(duì)物體所做的功,可以大于、等于或小于物體做勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)該力的功。 變式1 用力將重物豎直提起,先是從靜止開(kāi)始勻加速上升,緊接著勻速上升。如果前后兩過(guò)程的運(yùn)動(dòng)時(shí)間相同,不計(jì)空氣阻力,則() A.加速過(guò)程中拉力做的功比勻速過(guò)程中拉力做的功大 B.
6、勻速過(guò)程中拉力做的功比加速過(guò)程中拉力做的功大
C.兩過(guò)程中拉力做的功一樣大
D.上述三種情況都有可能
分析與解答:應(yīng)先分別求出兩過(guò)程中拉力做的功,再進(jìn)行比較。重物在豎直方向上僅受兩個(gè)力作用,重力mg、拉力F。
勻加速提升重物時(shí),設(shè)拉力為F1,物體向上的加速度為a,根據(jù)牛頓第二定律得F1-mg=ma
拉力F1所做的功
勻速提升重物時(shí),設(shè)拉力為F2,根據(jù)平衡條件得F2=mg
勻速運(yùn)動(dòng)的位移
所以勻速提升重物時(shí)拉力的功
比較可知:當(dāng)a>g時(shí),;當(dāng)a=g時(shí),;當(dāng)a 7、m=2kg,與桌面間的摩擦因數(shù)μ=0.2,今用水平推力F將其推下桌子,則水平推力至少做功為()(g取10m/s2)
A.0.8J B.1.6J
C.8J D.4J
分析與解答:將木板推下桌子即木塊的重心要通過(guò)桌子邊緣,水平推力做的功至少等于克服滑動(dòng)摩擦力做的功,J。答案為A
變式3 如圖2所示,半徑為r的絕緣細(xì)圓環(huán)的環(huán)面固定在水平面上,場(chǎng)強(qiáng)為E的勻強(qiáng)電場(chǎng)與環(huán)面平行。一電量為+q、質(zhì)量為m的小球穿在環(huán)上,可沿環(huán)作無(wú)摩擦的圓周運(yùn)動(dòng),若小球經(jīng)A點(diǎn)時(shí),速度vA的方向恰與電場(chǎng)垂直,且圓環(huán)與小球間沿水平方向無(wú)力的作用,試計(jì)算:
(1)速度vA的大?。?
8、(2)小球運(yùn)動(dòng)到與A點(diǎn)對(duì)稱的B點(diǎn)時(shí),對(duì)環(huán)在水平方向的作用力。
小錦囊
分析該題,也可將水平的勻強(qiáng)電場(chǎng)等效成一新的重力場(chǎng),重力為Eq,A是環(huán)上的最高點(diǎn),B是最低點(diǎn);這樣可以把該題看成是熟悉的小球在豎直平面內(nèi)作圓周運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題。
分析與解答:(1)在A點(diǎn),小球在水平方向只受電場(chǎng)力作用,
根據(jù)牛頓第二定律得:
所以小球在A點(diǎn)的速度。
(2)在小球從A到B的過(guò)程中,根據(jù)動(dòng)能定理,電場(chǎng)力做的正功等于小球動(dòng)能的增加量,即,
小球在B點(diǎn)時(shí),根據(jù)牛頓第二定律,在水平方向有
解以上兩式,小球在B點(diǎn)對(duì)環(huán)的水平作用力為:。
變式4 質(zhì)量為m的飛機(jī)以水平速度v0飛離跑道后逐漸上升,若飛機(jī)在此過(guò)程中水平 9、速度保持不變,同時(shí)受到重力和豎直向上的恒定升力(該升力由其他力的合力提供,不含重力),今測(cè)得當(dāng)飛機(jī)在水平方向的位移為l時(shí),它的上升高度為h,求:
(1)飛機(jī)受到的升力大小;
(2)從起飛到上升至h高度的過(guò)程中升力所做的功及在高度h處飛機(jī)的動(dòng)能.
分析與解答:(1)飛機(jī)水平速度不變l=v0t
y方向加速度恒定h=at2
即得a=
由牛頓第二定律
F=mg+ma=mg(1+v02)
(2)升力做功W=Fh=mgh(1+v02)
在h處vt=at=
Ek=m(v02+vt2)=mv02(1+)
變式5 在光滑的 10、水平面上放著物體A和小車(chē)B,如圖所示,小車(chē)長(zhǎng)L=2m,M=4kg,A的質(zhì)量m=1kg,μAB=0.2,加在小車(chē)上的力(1)F=5N,(2)F=12N,求在這兩種情況下,在2s時(shí)間內(nèi)F對(duì)車(chē)做功是多少?摩擦力對(duì)A做功多少?小車(chē)動(dòng)能增加多少?(g取10m/s2)
分析與解答:分別對(duì)A和B受力分析,如圖:
f大=2.4N
fm=f=μmg=2N
∵二者有共同加速度a
∴f=ma F-f=Ma
當(dāng)F=5N時(shí),得a=1m/s2, f=1N
?
F對(duì)車(chē)做功WF=F·s=10J
摩擦力對(duì)A做功Wf=f·s=2J
合外力對(duì)車(chē)B做功等于其動(dòng)能增量
∴△EK=(F-f)·s=8J 11、
當(dāng)F=12N時(shí),代入①②得a=2.4m/s2,f=2.4N
根據(jù)已知條件A、B之間的最大靜摩擦力近似認(rèn)為等于滑動(dòng)摩擦力即
fm=μmg=2N 因?yàn)閒>fm
所以當(dāng)F=12N時(shí),A、B出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng),
?
?
∴A、B相對(duì)運(yùn)動(dòng)距離是1m,即A相對(duì)B向后打滑1m,
給定車(chē)長(zhǎng)為2m,所以2s時(shí)A仍在車(chē)上.
F對(duì)車(chē)做功 WF=F·SB=60J
摩擦力對(duì)A做功 Wf=f·SA=8J
小車(chē)動(dòng)能增加:△EK=(F-f)SB=50J
變式6 如圖所示,虛線上方有場(chǎng)強(qiáng)為E的勻強(qiáng)電場(chǎng),方向豎直向下,虛線上下有磁感應(yīng)強(qiáng)度相同的勻強(qiáng)磁場(chǎng),方向垂直紙面向外,ab是一根長(zhǎng)為L(zhǎng)的絕緣細(xì)桿 12、,沿電場(chǎng)線放置在虛線上方的場(chǎng)中,b端在虛線上將一套在桿上的帶正電的小球從a端由靜止釋放后,小球先做加速運(yùn)動(dòng),后做勻速運(yùn)動(dòng)到達(dá)b端.已知小球與絕緣桿間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.3,小球重力忽略不計(jì),當(dāng)小球脫離桿進(jìn)入虛線下方后,運(yùn)動(dòng)軌跡是半圓,圓的半徑是L/3,求帶電小球從a到b運(yùn)動(dòng)過(guò)程中克服摩擦力所做的功與電場(chǎng)力所做功的比值.
分析與解答:小球在沿桿向下運(yùn)動(dòng)時(shí),受力情況如圖所示:
a
b
E
B
在水平方向:N=qvB,所以摩擦力f=μN(yùn)=μqvB
當(dāng)小球做勻速運(yùn)動(dòng)時(shí):qE=f=μqvbB
小球在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí),
又,所以
小球從a運(yùn)動(dòng)到b的過(guò)程中,由動(dòng)能定理得:
f
13、qvB
N
qE
而
所以
則
經(jīng)典例題如圖所示,質(zhì)量M=4kg的木板長(zhǎng)L=1.4m,靜止在光滑水平面上,其上面右端靜止一質(zhì)量m=1kg的小滑塊(可看作質(zhì)點(diǎn)),滑塊與木板間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.4,先用一水平恒力F=28N向右拉木板,要使滑塊從木板上恰好滑下來(lái),力F至少應(yīng)作用多長(zhǎng)時(shí)間(g=10m/s2)?
分析與解答:題中木板在恒力F的作用下由靜止開(kāi)始向右加速運(yùn)動(dòng),滑塊受摩擦力作用相對(duì)地面也向右滑動(dòng),因?yàn)閍m=f/m=μg=4m/s2,aM=(F-f)/M=6m/s2。即木板的加速度大于滑塊的加速度。所以在力F作用時(shí)間內(nèi)的任意時(shí)刻木板的速度必大于滑塊的速度,若力F作用停止后,當(dāng) 14、兩者的速度恰好能夠相等并且滑塊到達(dá)下滑的臨界狀態(tài),這時(shí)滑塊相對(duì)于木板的位移為L(zhǎng),則力F作用在木板上的時(shí)間就是最短時(shí)間,設(shè)木板在力F作用期間的位移為sM,通過(guò)上述物理過(guò)程的分析可知,要使滑塊滑下來(lái),其臨界條件是vM=vm=v,且滑塊的相對(duì)位移sM=L,明確這些條件后,求極值就不難了,對(duì)由M和m組成的系統(tǒng)有:
由動(dòng)量定理得:
由功能關(guān)系得:
對(duì)木板有
解得s
變式1 將質(zhì)量為2m的長(zhǎng)木板靜止的放在光滑的水平面上,如圖7-4-3甲所示。以質(zhì)量為m的小鉛塊(可視為質(zhì)點(diǎn))以水平初速度v0由木板左端恰能滑至木板的右端與木板相對(duì)靜止,鉛塊運(yùn)動(dòng)中所受的摩擦力始終不變?,F(xiàn)在將木板分成長(zhǎng)度與質(zhì)量均相等的 15、兩段(1、2)后緊挨著仍放在此水平面上,讓小鉛塊仍以相同的速度v0由木板的左端開(kāi)始滑動(dòng),如圖4乙所示,則下列判斷正確的是()
A.小鉛塊仍滑到木板2的右端保持相對(duì)靜止
B.小鉛塊滑過(guò)木板2的右端后飛離木板
C.小鉛塊滑過(guò)木板2的右端前就與之保持相對(duì)靜止
D.乙過(guò)程產(chǎn)生的熱量少于甲過(guò)程產(chǎn)生的熱量
分析與解答:小鉛塊在木板上滑動(dòng)時(shí),由于水平面是光滑的,小鉛塊和木板組成的系統(tǒng)在水平方向上動(dòng)量守恒,木板的質(zhì)量越大,小鉛塊在木板上滑動(dòng)的距離越長(zhǎng),若是木板的質(zhì)量無(wú)窮大,則鉛塊最終的速度為零,其動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為熱,沒(méi)有動(dòng)能轉(zhuǎn)移到長(zhǎng)木板上,這說(shuō)明了長(zhǎng)木板的質(zhì)量越大,獲得的動(dòng)能越??;質(zhì)量越小,獲得的動(dòng)能 16、越大。在乙圖中小鉛塊在木板1上運(yùn)動(dòng)時(shí)的情況與甲圖中的情況完全相同,小鉛塊滑上木板2之后,由于木板2的質(zhì)量變小,動(dòng)能轉(zhuǎn)移到木板2上多于轉(zhuǎn)移到甲中的情況,那么小鉛塊與木板2相對(duì)靜止時(shí)的速度比甲中的大,系統(tǒng)損失的動(dòng)能小于甲中損失的動(dòng)能。而ΔE損=Q=fΔs相對(duì),說(shuō)明在乙中的相對(duì)位移比甲中的小,故小鉛塊會(huì)滑到木板2的右端前就與之保持相對(duì)靜止,乙過(guò)程產(chǎn)生的熱量少于甲過(guò)程產(chǎn)生的熱量。答案為CD
位置
A
B
C
速度(m/s)
2.0
12.0
0
時(shí)刻(s)
0
4
10
變式2 如圖所示,某人乘雪橇從雪坡經(jīng)A點(diǎn)滑至B點(diǎn),接著沿水平路面滑至C點(diǎn)停止.人與雪橇的總質(zhì)量為70kg. 17、表中記錄了沿坡滑下過(guò)程中的有關(guān)數(shù)據(jù),請(qǐng)根據(jù)圖表中的數(shù)據(jù)解決下列問(wèn)題:
(1)人與雪橇從A到B的過(guò)程中,損失的機(jī)械能為多少?
(2)設(shè)人與雪橇在BC段所受阻力恒定,求阻力大小(g =10m/s2)
分析與解答: (1)從A到B的過(guò)程中,人與雪橇損失的機(jī)械能為:
ΔE=(70×10×20+×70×2.02-×70×12.02)J=9100J
(2)人與雪橇在Bc段做減速運(yùn)動(dòng)的加速度:
根據(jù)牛頓第二定律:f=ma=70×(-2)N=-140N
變式3 如圖所示,電動(dòng)機(jī)牽引一根原來(lái)靜止的,長(zhǎng)為L(zhǎng)=1m、質(zhì)量m=o.1kg的導(dǎo)體MN,其電阻R=1Ω,導(dǎo)體棒架在處于磁感應(yīng)強(qiáng)度B=1T,豎直放 18、置的框架上,當(dāng)導(dǎo)體棒上升h=3.8m時(shí)獲得穩(wěn)定的速度,導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量為12J,電動(dòng)機(jī)牽引棒時(shí),電壓表、電流表的讀數(shù)分別為7V、1A,電動(dòng)機(jī)內(nèi)阻r=1Ω,不計(jì)框架電阻及一切摩擦,g取10m/s2,求:
(1)棒能達(dá)到的溫度速度.
(2)棒從靜止到達(dá)到穩(wěn)定速度所需要的時(shí)間.
M
N
A
V
分析與解答:(1)電動(dòng)機(jī)的輸出功率:P出=IU-Ir2=6W
棒達(dá)到穩(wěn)定速度時(shí)F=mg+BIL=mg+
而電動(dòng)機(jī)的輸出功率P出=Fvm
由以上各式解得vm=2/s
(2)從棒開(kāi)始運(yùn)動(dòng)到達(dá)到穩(wěn)定速度的過(guò)程中,由能量守恒定律,有
解得完成此過(guò)程所需要的時(shí)間t=1s.
變式4 探究能 19、力是物理學(xué)研究的重要能力之一。物體因繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)而具有的動(dòng)能叫轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能,轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能的大小與物體轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度有關(guān)。為了研究某一砂輪的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能EK與角速度ω的關(guān)系。某同學(xué)采用了下述實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行探索:先讓砂輪由動(dòng)力帶動(dòng)勻速旋轉(zhuǎn)測(cè)得其角速度ω,然后讓砂輪脫離動(dòng)力,由于克服轉(zhuǎn)軸間摩擦力做功,砂輪最后停下,測(cè)出砂輪脫離動(dòng)力到轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)n,通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),得出結(jié)論。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的幾組ω和n如下表所示:
ω(rad/s)
0.5
1
2
3
4
n
5.0
20
80
180
320
EK(J)
另外已測(cè)得砂輪轉(zhuǎn)軸的直徑為1(cm),轉(zhuǎn)軸間的摩擦力為10/π(N)。
20、
(1)計(jì)算出砂輪每次脫離動(dòng)力的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能,并填入上表中。
(2)由上述數(shù)據(jù)推導(dǎo)出該砂輪的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能EK與角速度ω的關(guān)系式
(3)若測(cè)得脫離動(dòng)力后砂輪的角速度為2.5(rad/s),求它轉(zhuǎn)過(guò)45圈后的角速度。
分析與解答:(1)
代入=10/π(N)后得
n
5.0
20
80
180
320
0.5
2
8
18
32
(2)分析后得其中
(3)根據(jù)能量守恒
經(jīng)典例題如圖所示,物體以100J的初動(dòng)能從斜面底端向上運(yùn)動(dòng),當(dāng)它通過(guò)斜面某點(diǎn)M時(shí),其動(dòng)能減少了80J,機(jī)械能損失了32J.若物體能從斜面上返回底端,則返回底端時(shí)的動(dòng)能為
v0
M
q 21、
A.20J B.48J
C.60J D.68J
分析與解答:設(shè)物體的質(zhì)量為m,斜面的傾角為θ,物體從底端
到M點(diǎn)沿斜面運(yùn)動(dòng)的位移為s1.對(duì)物體做功的力有兩個(gè):重力沿斜面的分力mgsinθ和滑動(dòng)摩擦力F,而且上升的過(guò)程中這兩個(gè)力都對(duì)物體做負(fù)功.
根據(jù)動(dòng)能定理可知:動(dòng)能的減少量等于克服這兩個(gè)力所做的功,即
由功能關(guān)系可知:機(jī)械能的減少量為
得:
設(shè)物體從斜面底端運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)位移為s2,則上升過(guò)程中由動(dòng)能定理得:
得:Fs2=40J,即上升過(guò)程中物體克服滑動(dòng)摩擦力做了40J的功.因?yàn)樯仙拖陆颠^(guò)程中物體都克服滑動(dòng)摩擦力做功,且數(shù) 22、值相等,所以往返一次克服滑動(dòng)摩擦力所做的總功為80J.由功能關(guān)系可知,往返一次機(jī)械能的減少量等于克服滑動(dòng)摩擦力所做的總功,所以物體返回斜面底端時(shí)機(jī)械能減少了80J,也就是說(shuō)物體的動(dòng)能減少了80J(因?yàn)槲矬w的重力勢(shì)能沒(méi)有變化),因此物體返回斜面底端時(shí)的動(dòng)能為20J,答案為 A
變式1如圖所示,mA=4kg,mB=1kg,A與桌面動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.2,B與地面間的距離s=0.8m,A、B原來(lái)靜止,求:①B落到地面時(shí)的速度?
②B落地后,A在桌面上能繼續(xù)滑行多遠(yuǎn)才能靜止下來(lái)?(g取10m/s2)
分析與解答:B下落過(guò)程中,它減少的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為A的動(dòng)能和A克服摩擦力做功產(chǎn)生的熱能,B下落高度和 23、同一時(shí)間內(nèi)A在桌面上滑動(dòng)的距離相等、B落地的速度和同一時(shí)刻A的速度大小相等
由以上分析,根據(jù)能量轉(zhuǎn)化和守恒有:
?
∵vA=vB、sA=sB
vB=0.8m/s
B落地后,A以vA=0.8m/s初速度繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng),
克服摩擦力做功最后停下,
?
?
故B落地后,A在桌面上能繼續(xù)滑動(dòng)0.16m_
變式2 如圖所示,在傾角=草藥37°的絕緣斜面所在空間存在著豎直向上的勻強(qiáng)電場(chǎng),場(chǎng)強(qiáng)E = 4.0×103N/C,在斜面底端有一與斜面垂直的絕緣彈性擋板。質(zhì)量m = 0.20kg的帶電滑塊從斜面頂端由靜止開(kāi)始滑下,滑到斜面底端與擋板相碰前的速率返回。已拓斜 24、面的高度h = 0.24m,滑塊與斜面間的動(dòng)摩擦因數(shù)= 0.30,滑塊帶電荷q = -5.0×10-4C.取重力加速度g = 10m/s2,sin37°= 0.60,cos37°=0.80。求:
(1)滑塊從斜面最高點(diǎn)滑到斜面底端時(shí)的速度大小。
(2)滑塊被擋板彈回能夠沿斜面上升的最大高度。
(3)滑塊從開(kāi)始運(yùn)動(dòng)到停下來(lái)的整全過(guò)程中產(chǎn)生的熱量Q(計(jì)算結(jié)果保留2位有效數(shù)字)
分析與解答:(1)滑塊沿斜面滑下的過(guò)程中,受到的滑動(dòng)磨擦力
f =(mg + qE)cos37°,
設(shè)到達(dá)斜面底端時(shí)的速度為v1,根據(jù)動(dòng)能定理
解得 v1 = 2.4m/s 。
(2)滑塊第一次與檔板碰 25、撞后沿斜面返回上升的高度最大,設(shè)此高度為h1,根據(jù)動(dòng)能定理,
代入數(shù)據(jù)解得 h1 = 0.10m。
(3)滑塊最終將靜止在斜面底端。;因此重力勢(shì)能和電勢(shì)能的減少等于克服摩擦力做的功,即等于產(chǎn)生的熱能,
Q = (mg + qE)h = 0.96J
變式3 如圖所示,光滑水平面上放有A、B、C三個(gè)物塊,其質(zhì)量分別為mA=2kg,mB=mC=1kg,用一輕彈簧連接A、B兩物塊,現(xiàn)用力壓縮彈簧使三物塊靠近,此過(guò)程外力做功72J,然后釋放,求:
(1)釋放后物塊B對(duì)物塊C一共做了多少功?
(2)彈簧第二次被壓縮時(shí),彈簧具有的最大彈性勢(shì)能為多大?
分析與解答:釋放后,在彈簧恢復(fù)原長(zhǎng)的過(guò)程 26、中B和C和一起向左運(yùn)動(dòng),當(dāng)彈簧恢復(fù)原長(zhǎng)后B和C的分離,所以此過(guò)程B對(duì)C做功。選取A、B、C為一個(gè)系統(tǒng),在彈簧恢復(fù)原長(zhǎng)的過(guò)程中動(dòng)量守恒(取向右為正向):
系統(tǒng)能量守恒:
∴B對(duì)C做的功:
聯(lián)立并代入數(shù)據(jù)得:
B和C分離后,選取A、B為一個(gè)系統(tǒng),當(dāng)彈簧被壓縮至最短時(shí),彈簧的彈性勢(shì)能最大,此時(shí)A、B具有共同速度v,取向右為正向
由動(dòng)量守恒:
彈簧的最大彈性勢(shì)能:
聯(lián)立并代入數(shù)據(jù)得:Ep=48J
經(jīng)典例題如圖所示,一塊質(zhì)量為M、長(zhǎng)為l的勻質(zhì)板放在很長(zhǎng)的光滑水平桌面上,板的左端有一質(zhì)量為m的物快,物快上連接一根很長(zhǎng)的細(xì)線,細(xì)線跨過(guò)位于桌面邊緣的定滑輪,某人以恒定的速度v向下拉繩, 27、物快最多只能到達(dá)板的中點(diǎn),而且此時(shí)板的右端尚未到達(dá)桌邊定滑輪.求:
(1)物快與板的動(dòng)摩擦因數(shù)及物快到達(dá)板的中點(diǎn)時(shí)板的位移;
(2)若板與桌面間有摩擦,為使物快能到達(dá)板的右端,板與桌面間動(dòng)摩擦因數(shù)的范圍;
(3)若板與桌面間的動(dòng)摩擦因數(shù)取(2)問(wèn)中的最小值,在物快從板的左端運(yùn)動(dòng)到右端的過(guò)程中,人拉繩的力所做的功(其它阻力均不計(jì)).
分析與解答:(1)對(duì)板由動(dòng)量定理得
由物快和板的位移關(guān)系有
M
v
m
L
解得
(2)要使物快到達(dá)板的右端,當(dāng)二者保持速度相等時(shí)
對(duì)板由動(dòng)量定理得
解得
(3)繩對(duì)物快的拉力
物快和板的位移關(guān)系有
所以物快的位移
則繩的拉力對(duì) 28、物快所做的功為
乙甲
F
變式1 如圖所示,兩根平行的金屬導(dǎo)軌,固定在同一水平面上,磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.50T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)與導(dǎo)軌所在平面垂直,導(dǎo)軌的電阻很小,可忽略不計(jì)。導(dǎo)軌間的距離l=0.20m。兩根質(zhì)量均為m=0.10kg的平行金屬桿甲、乙可在導(dǎo)軌上無(wú)摩擦地滑動(dòng),滑動(dòng)過(guò)程中與導(dǎo)軌保持垂直,每根金屬桿的電阻為R=0.50Ω。在t=0時(shí)刻,兩桿都處于靜止?fàn)顟B(tài)?,F(xiàn)有一與導(dǎo)軌平行、大小為0.20N的恒力F作用于金屬桿甲上,使金屬桿在導(dǎo)軌上滑動(dòng)。經(jīng)過(guò)t=5.0s,金屬桿甲的加速度為a=1.37m/s2,問(wèn)此時(shí)兩金屬桿的速度各為多少?
分析與解答:設(shè)任一時(shí)刻t兩金屬桿甲、乙之間的距離為x,速度 29、分別為v1和v2,經(jīng)過(guò)很短的時(shí)間△t,桿甲移動(dòng)距離v1△t,桿乙移動(dòng)距離v2△t,回路面積改變
由法拉第電磁感應(yīng)定律,回路中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)
回路中的電流
桿甲的運(yùn)動(dòng)方程
由于作用于桿甲和桿乙的安培力總是大小相等,方向相反,所以兩桿的動(dòng)量時(shí)為0)等于外力F的沖量
聯(lián)立以上各式解得
代入數(shù)據(jù)得
應(yīng)用動(dòng)能定理解題的一般思路是:
(1)選取研究對(duì)象,分析并明確其運(yùn)動(dòng)過(guò)程.
(2)分析變力及各力做功情況,弄清受哪些力?每個(gè)力是否做功?是做正功還是做負(fù)功?做多少功?求出功的代數(shù)和.
(3)明確過(guò)程始末狀態(tài)的動(dòng)能和
(4)列方程,必要時(shí)通過(guò)分析題目的潛在條件,列出補(bǔ)充方程進(jìn)行求解.
13
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