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1、-【三维设计】2015高考物理大一轮复习 第五章 机械能(含近三年考点分布及15年考向前瞻)-第 76 页第五章机械能(1)从近三年高考试题考点分布可以看出，高考对本章内容的考查重点有四个概念(功、功率、动能、势能)和三个规律(动能定理、机械能守恒定律、能量守恒定律)。(2)高考对本章内容考查题型全面， 既有选择题，也有计算题，二者考查次数基本相当，命题灵活性强、综合面广，过程复杂，环节多，能力要求也较高，既有对基本概念的理解、判断和计算，又有对重要规律的灵活应用。2015高考考向前瞻(1)功和功率、动能定理、机械能守恒定律、能量守恒定律仍将是本章命题的热点。(2)将本章内容与牛顿运动定律、圆
2、周运动、电磁学知识相结合，并与生产、生活实际和现代科技相联系进行命题的趋势较强。第1节功和功率功想一想图511为某人提包运动的情景图，试分析各图中该人提包的力做功的情况。图511提示：甲图中将包提起来的过程中，提包的力对包做正功，乙图中人提包水平匀速行驶时，提包的力不做功，丙图中人乘电梯上升过程中，提包的力对包做正功，丁图中人提包上楼的过程中，提包的力对包做正功。记一记1做功的两个必要条件力和物体在力的方向上发生的位移。2公式WFlcos_，适用于恒力做功，其中为F、l方向间夹角，l为物体对地的位移。3功的正负判断夹角功 的 正 负90力对物体做正功90力对物体做负功，或者说物体克服这个力做了
3、功90力对物体不做功试一试1.(多选)(2014揭阳模拟)如图512所示，自动卸货车始终静止在水平地面上，车厢在液压机的作用下，角逐渐增大且货物相对车厢静止的过程中，下列说法正确的是()图512A货物受到的摩擦力增大B货物受到的支持力不变C货物受到的支持力对货物做正功D货物受到的摩擦力对货物做负功解析：选AC货物处于平衡状态，则有：mgsin Ff，FNmgcos ，增大时，Ff增大，FN减小，故A正确，B错误；货物受到的支持力的方向与位移方向的夹角小于90，做正功，故C正确；摩擦力的方向与位移方向垂直，不做功，故D错误。功率想一想两个完全相同的小球A、B，在某一高度处以相同大小的初速度v0分
4、别沿水平方向和竖直方向抛出，不计空气阻力，如图513所示，试问：图513(1)从开始运动到落地，重力对两小球做的功是否相同？(2)重力做功的平均功率是否相同？(3)小球落地瞬间，重力的瞬时功率是否相同？提示：(1)重力对两球做功相同。(2)因两球下落时间不同，重力做功的平均功率不相同。(3)因两球落地时，竖直方向的速度不同，故重力的瞬时功率不相同。记一记1物理意义描述力对物体做功的快慢。2公式(1)P(P为时间t内的平均功率)。(2)PFvcos_(为F与v的夹角)。3额定功率机械长时间工作时的最大功率。4实际功率机械实际工作时的功率，要求不大于额定功率。试一试2(2014唐山摸底)如图514
5、所示，位于固定粗糙斜面上的小物块P，受到一沿斜面向上的拉力F，沿斜面匀速上滑。现把力F的方向变为竖直向上，若使物块P仍沿斜面保持原来的速度匀速运动，则()图514A力F一定要变小 B力F一定要变大C力F的功率将减小 D力F的功率将增大解析：选C受到一沿斜面向上的拉力F，Fmgsin mgcos ，把力F的方向变为竖直向上，仍沿斜面保持原来的速度匀速运动，Fmg，由于题述没有给出和的具体数值，不能判断出力F如何变化，选项A、B错误；由于力F的方向变为竖直向上后，摩擦力不再做功，力F的功率将减小，选项C正确D错误。考点一功的计算例1如图515甲所示，一固定在地面上的足够长斜面，倾角为37，物体A放
6、在斜面底端挡板处，通过不可伸长的轻质绳跨过光滑轻质滑轮与物体B相连接，B的质量M1 kg，绳绷直时B离地面有一定高度。在t0时刻，无初速度释放B，由固定在A上的速度传感器得到的数据绘出的物体A沿斜面向上运动的v t图像如图乙所示。若B落地后不反弹，g取10 m/s2，sin 370.6，cos 370.8。求：图515(1)B下落的加速度大小a；(2)A沿斜面向上运动的过程中，绳的拉力对A做的功W；(3)A(包括传感器)的质量m及A与斜面间的动摩擦因数；(4)求在00.75 s内摩擦力对A做的功。思路点拨(1)物体B落地前，A、B的加速度有什么关系？应如何在v t图像上确定A的加速度？提示：物
7、体B落地前，A、B的加速度相同，利用a求其值。(2)应如何确定绳的拉力大小？在物体A向上加速的过程中运动的位移是多大？提示：物体B落地前绳上的拉力可以通过对B分析，由牛顿第二定律求解；物体A向上加速的过程中发生的位移，可由xat2来求值。(3)在00.75 s内物体A所受的摩擦力方向改变吗？摩擦力对A做正功还是负功？提示：物体A所受的摩擦力方向不改变，且对A做负功。解析(1)由题图乙可知：前0.5 s内，A、B以相同大小的加速度做匀加速运动，0.5 s末速度大小为2 m/s。a m/s24 m/s2(2)前0.5 s，绳绷直，设绳的拉力大小为F；后0.25 s，绳松弛，拉力为0前0.5 s，A
8、沿斜面发生的位移lvt0.5 m对B，由牛顿第二定律有：MgFMa代入数据解得F6 N所以绳的拉力对A做的功WFl3 J(3)前0.5 s，对A，由牛顿第二定律有F(mgsin 37mgcos 37)ma后0.25 s，由题图乙得A的加速度大小a m/s28 m/s2对A，由牛顿第二定律有mgsin 37mgcos 37ma由式可得Fm(aa)代入数据解得m0.5 kg将数据代入式解得(4)物体A在斜面上先加速后减速，滑动摩擦力的方向不变，一直做负功在00.75 s内物体A的位移为：x0.752 m0.75 mW摩mgcos 37x0.75 J。答案(1)4 m/s2(2)3 J(3)0.5
9、kg(4)0.75 J功的计算方法(1)恒力做功：根据公式WFlcos 计算确定力和位移方向的夹角 (2)变力做功：用动能定理：Wmv22mv12当变力的功率P一定时，可用WPt求功，如机车恒功率启动时。将变力做功转化为恒力做功：当力的大小不变，而方向始终与运动方向相同或相反时，这类力的功等于力和路程(不是位移)的乘积。如滑动摩擦力做功、空气阻力做功等。(3)总功的计算：先求物体所受的合外力，再求合外力的功；先求每个力做的功，再求各功的代数和。1(2014福建四地六校联考)以一定的初速度竖直向上抛出一个小球，小球上升的最大高度为h，空气阻力的大小恒为F，则从抛出到落回到抛出点的过程中，空气阻力
10、对小球做的功为()A0BFhCFh D2Fh解析：选D阻力与小球速度方向始终相反，故阻力一直做负功，WFh(Fh)2Fh，D正确。考点二功率的计算例2(2012江苏高考)如图516所示，细线的一端固定于O点，另一端系一小球。在水平拉力作用下，小球以恒定速率在竖直平面内由A点运动到B点。在此过程中拉力的瞬时功率变化情况是()图516A逐渐增大B逐渐减小C先增大，后减小D先减小，后增大思维流程解析选A设细线与竖直方向的夹角为，小球质量为m，速率为v。由小球做匀速圆周运动，切向合力为零可得，mgsin Fcos ，由PFvcos 可得拉力F的瞬时功率表达式为PFvcos mgvsin ，可见功率P随
11、的增大逐渐增大，A正确。功率的计算方法(1)平均功率的计算利用。利用Fcos ，其中为物体运动的平均速度。(2)瞬时功率的计算利用公式PFvcos ，其中v为t时刻的瞬时速度。利用公式PFvF，其中vF为物体的速度v在力F方向上的分速度。利用公式PFvv，其中Fv为物体受的外力F在速度v方向上的分力。2(多选)一质量为1 kg的质点静止于光滑水平面上，从t0时起，第1秒内受到2 N的水平外力作用，第2秒内受到同方向的1 N的外力作用。下列判断正确的是()A02秒内外力的平均功率是 WB第2秒内外力所做的功是 JC第2秒末外力的瞬时功率最大D第1秒内与第2秒内质点动能增加量的比值是解析：选AD第
12、1 s内物体位移x1at2 t21 m，外力做功W1Fx12 J；v1at1 m/s2 m/s，第2 s内位移x2v1tat221 m12 m2.5 m，外力做功W2Fx212.5 J2.5 J，B错误；2 s内外力的平均功率P W W，A正确；由瞬时功率PFv可知，第1 s末瞬时功率P1F1v122 W4 W，第2 s末的速度v2v1at(211) m/s3 m/s，瞬时功率P2F2v213 W3 W，C错误；由动能定理可知，动能的增加量等于合外力做的功，其比值为，D正确。考点三机车的启动问题1两种启动方式的比较两种方式以恒定功率启动以恒定加速度启动P t图和v t图OA段过程分析vFaa不
13、变F不变PFv直到P额Fv1运动性质加速度减小的加速直线运动匀加速直线运动，维持时间t0AB段过程分析FF阻a0F阻vFa运动性质以vm匀速直线运动加速度减小的加速运动BC段无FF阻a0以vm匀速运动2三个重要关系式(1)无论哪种启动过程，机车的最大速度都等于其匀速运动时的速度，即vm(式中Fmin为最小牵引力，其值等于阻力F阻)。(2)机车以恒定加速度启动的运动过程中，匀加速过程结束时，功率最大，速度不是最大，即vvm。(3)机车以恒定功率运行时，牵引力做的功WPt。由动能定理：PtF阻xEk。此式经常用于求解机车以恒定功率启动过程的位移大小。例3(2012福建高考)如图517，用跨过光滑定
14、滑轮的缆绳将海面上一艘失去动力的小船沿直线拖向岸边。已知拖动缆绳的电动机功率恒为P，小船的质量为m，小船受到的阻力大小恒为f，经过A点时的速度大小为v0，小船从A点沿直线加速运动到B点经历时间为t1，A、B两点间距离为d，缆绳质量忽略不计。求：图517(1)小船从A点运动到B点的全过程克服阻力做的功Wf；(2)小船经过B点时的速度大小v1；(3)小船经过B点时的加速度大小a。审题指导第一步：抓关键点关键点获取信息电动机功率恒为P缆绳对小船的牵引力的大小和方向均变化，小船由A到B的运动不是匀加速直线运动小船受到的阻力大小恒为f小船克服阻力做的功Wf可用公式WFlcos 计算第二步：找突破口要求小
15、船经过B点时速度大小v1应利用动能定理由A点到B点列方程求解要求小船在B点的加速度大小a可先由PFv表示缆绳的牵引力由牛顿第二定律列方程求解。解析(1)小船从A点运动到B点克服阻力做功Wffd(2)小船从A点运动到B点，电动机牵引缆绳对小船做功WPt1由动能定理有WWfmv12mv02由式解得v1 (3)设小船经过B点时绳的拉力大小为F，绳与水平方向夹角为，电动机牵引缆绳的速度大小为v，则PFvvv1cos 由牛顿第二定律有Fcos fma由式解得a答案(1)fd(2) (3)分析机车启动问题时应注意的三点(1)机车启动的方式不同，机车运动的规律就不同，因此机车启动时，其功率、速度、加速度、牵
16、引力等物理量的变化规律也不相同，分析图像时应注意坐标轴的意义及图像变化所描述的规律。(2)恒定功率下的加速一定不是匀加速，这种加速过程发动机做的功可用WPt计算，不能用WFl计算(因为F为变力)。(3)以恒定牵引力加速时的功率一定不恒定，这种加速过程发动机做的功常用WFl计算，不能用WPt计算(因为功率P是变化的)。3(2014西工大附中模拟)当前我国“高铁”事业发展迅猛。假设一辆高速列车在机车牵引力和恒定阻力作用下，在水平轨道上由静止开始启动，其v t图像如图518所示，已知在0t1时间内为过原点的倾斜直线，t1时刻达到额定功率P，此后保持功率P不变，在t3时刻达到最大速度v3，以后匀速运动
17、。下述判断正确的是()图518A从0至t3时间内，列车一直匀加速直线运动Bt2时刻的加速度大于t1时刻的加速度C在t3时刻以后，机车的牵引力为零D该列车所受的恒定阻力大小为解析：选D0t1时间内，列车匀加速，t1t3时间内，加速度变小，故A、B错；t3以后列车匀速运动，牵引力等于阻力，故C错；匀速运动时FfF牵，故D正确。以“演员抛鸡蛋”为背景考查估算问题典例(2011江苏高考)如图519所示，演员正在进行杂技表演。由图可估算出他将一只鸡蛋抛出的过程中对鸡蛋所做的功最接近于()图519A0.3 J B3 JC30 J D300 J解析一个鸡蛋大约55 g，鸡蛋抛出的高度大约为60 cm，则将一
18、只鸡蛋抛出的过程中对鸡蛋做的功等于鸡蛋重力势能的增加量，即Wmgh551031060102 J0.33 J，A正确。答案A点悟与日常生活有关的估算问题，要求对生活常识要有所了解，如成年人的体重约60 kg，身高大约为1.7 m，人步行的速率为11.5 m/s，自行车速率为5 m/s左右，一层楼房的高度为3 m左右等。如上例中若不知一个鸡蛋的大体质量及由插图估算鸡蛋被抛出后上升的最大高度，将无法准确估算人对鸡蛋所做的功。4(2014扬州调研)一个成人以正常的速度骑自行车，受到的阻力为总重力的0.02倍，则成人骑自行车行驶时的功率最接近于()A1 WB10 WC100 W D1 000 W解析：选
19、C设人和车的总质量为100 kg，匀速行驶时的速率为5 m/s，匀速行驶时的牵引力与阻力大小相等Fmg20 N，则人骑自行车行驶时的功率为PFv100 W，故C正确。功的计算在中学物理中占有十分重要的地位，中学阶段所学的功的计算公式WFlcos ，只能用于恒力做功情况，对于变力做功的计算则没有一个固定公式可用，但高考中变力做功问题也是经常考查的一类题目。现结合例题分析变力做功的五种求解方法。一、化变力为恒力求变力功变力做功直接求解时，通常都比较复杂，但若通过转换研究的对象，有时可化为恒力做功，可以用WFlcos 求解。此法常常应用于轻绳通过定滑轮拉物体的问题中。典例1如图5110所示，某人用大
20、小不变的力F拉着放在光滑水平面上的物体，开始时与物体相连接的绳与水平面间的夹角是，当拉力F作用一段时间后，绳与水平面间的夹角为。已知图中的高度是h，求绳的拉力FT对物体所做的功。假定绳的质量、滑轮质量及绳与滑轮间的摩擦不计。图5110 解析本题中，显然F与FT的大小相等，且FT在对物体做功的过程中，大小不变，但方向时刻在改变，因此本题是个变力做功的问题。但在题设条件下，人的拉力F对绳的端点(也即对滑轮机械)做的功就等于绳的拉力FT(即滑轮机械)对物体做的功。而F的大小和方向都不变，因此只要计算恒力F对绳做的功就能解决问题。设绳的拉力FT对物体做的功为WT，由题图可知，在绳与水平面的夹角由变到的
21、过程中，拉力F作用的绳端的位移的大小为ll1l2h(1/sin 1/sin )由WFl可知WTWFFlFh(1/sin 1/sin )答案Fh(1/sin 1/sin )二、用平均力求变力功在求解变力功时，若物体受到的力的方向不变，而大小随位移是成线性变化的，即力均匀变化时，则可以认为物体受到一大小为的恒力作用，F1、F2分别为物体初、末态所受到的力，然后用公式Wlcos 求此力所做的功。典例2把长为l的铁钉钉入木板中，每打击一次给予的能量为E0，已知钉子在木板中遇到的阻力与钉子进入木板的深度成正比，比例系数为k。问此钉子全部进入木板需要打击几次？解析在把钉子打入木板的过程中，钉子把得到的能量
22、用来克服阻力做功，而阻力与钉子进入木板的深度成正比，先求出阻力的平均值，便可求得阻力做的功。钉子在整个过程中受到的平均阻力为：F钉子克服阻力做的功为：WFFlkl2设全过程共打击n次，则给予钉子的总能量：E总nE0kl2，所以n答案三、用F x图像求变力功在F x图像中，图线与x轴所围“面积”的代数和就表示力F在这段位移所做的功，且位于x轴上方的“面积”为正，位于x轴下方的“面积”为负，但此方法只适用于便于求图线所围面积的情况。典例3放在地面上的木块与一轻弹簧相连，弹簧处于自由伸长状态。现用手水平拉弹簧，拉力的作用点移动x10.2 m时，木块开始运动，继续拉弹簧，木块缓慢移动了x20.4 m的
23、位移，其F x图像如图5111所示，求上述过程中拉力所做的功。图5111解析由Fx图像可知，在木块运动之前，弹簧弹力随弹簧伸长量的变化是线性关系，木块缓慢移动时弹簧弹力不变，图线与横轴所围梯形面积即为拉力所做的功，即W(0.60.4)40 J20 J。答案20 J四、用动能定理求变力功动能定理既适用于直线运动，也适用于曲线运动，既适用于求恒力功也适用于求变力功。因使用动能定理可由动能的变化来求功，所以动能定理是求变力功的首选。典例4如图5112甲所示，一质量为m1 kg的物块静止在粗糙水平面上的A点，从t0时刻开始物块受到如图乙所示规律变化的水平力F的作用并向右运动，第3 s末物块运动到B点时
24、速度刚好为0，第5 s末物块刚好回到A点，已知物块与粗糙水平面间的动摩擦因数0.2，求：(g10 m/s2)图5112(1)A与B间的距离；(2)水平力F在前5 s内对物块做的功。解析(1)A、B间的距离与物块在后2 s内的位移大小相等，在后2 s内物块在水平恒力作用下由B点匀加速运动到A点，由牛顿第二定律知Fmgma，代入数值得a2 m/s2，所以A与B间的距离为xat24 m。(2)前3 s内物块所受力F是变力，设整个过程中力F做的功为W，物块回到A点时速度为v，则v22ax，由动能定理知W2mgxmv2，所以W2mgxmax24 J。答案(1)4 m(2)24 J五、利用微元法求变力功将
25、物体的位移分割成许多小段，因小段很小，每一小段上作用在物体上的力可以视为恒力，这样就将变力做功转化为在无数多个无穷小的位移上的恒力所做元功的代数和。此法在中学阶段，常应用于求解力的大小不变、方向改变的变力做功问题。典例5如图5113所示，半径为R，孔径均匀的圆形弯管水平放置，小球在管内以足够大的初速度在水平面内做圆周运动，设开始运动的一周内，小球与管壁间的摩擦力大小恒为Ff，求小球在运动的这一周内，克服摩擦力所做的功。图5113解析将小球运动的轨迹分割成无数个小段，设每一小段的长度为x，它们可以近似看成直线，且与摩擦力方向共线反向，如图5114所示，元功WFfx，而在小球运动的一周内小球克服摩
26、擦力所做的功等于各个元功的和，即WWFfx2RFf。图5114答案2RFf小结虽然求变力做功的方法较多，但不同的方法所适用的情况不相同，如化变力为恒力求变力功的方法适用于力的大小不变方向改变的情况，利用平均力求变力功的方法，适用于力的方向不变，其大小随位移均匀变化的情况，利用Fx图像求功的方法，适用于已知所求的力的功对应的力随位移x变化的图像已知，且面积易于计算的情况。随堂对点训练1(2013江南十校模拟)水平路面上行驶的汽车所受到的阻力大小与汽车行驶的速率成正比，若汽车从静止出发， 先做匀加速直线运动，达到额定功率后保持额定功率行驶，则在整个行驶过程中，汽车受到的牵引力大小与阻力大小关系图像
27、正确的是()图5115解析：选A若汽车从静止出发，先做匀加速直线运动，在匀加速运动阶段，由FFfma可得FFfma，牵引力随阻力的增大均匀增大，图像C、D错误；达到额定功率后保持额定功率行驶，由F，Ffkv可知，牵引力与阻力成反比，图像A正确，B错误。2(2014长春三调)有一固定轨道ABCD如图5116所示，AB段为四分之一光滑圆弧轨道，其半径为R，BC段是水平光滑轨道，CD段是光滑斜面轨道，BC和斜面CD间用一小段光滑圆弧连接。有编号为1、2、3、4完全相同的4个小球(小球不能视为质点，其半径r0BW20 DW30解析：选CD分析题图可知，货物一直向上运动，根据功的定义式可得：重力做负功，
28、拉力做正功，即W10，A、B错误，C正确；根据动能定理：合力做的功W30mv2，v2 m/s，即W3P2P3BP1P2P3C02 s内力F对滑块做功为4 JD02 s内摩擦力对滑块做功为4 J解析：选BC第1 s内力F对滑块做功的平均功率分别为P1F1v111 W1 W；第2 s内力F对滑块做功的平均功率分别为P2F2v231 W3 W；第3 s内力F对滑块做功的平均功率分别为P3F3v322 W4 W；所以，P1P2P3，选项A错误B正确；02 s内力F对滑块做功为WF1x1F2x211 J31 J4 J，选项C正确；滑块所受摩擦力f2 N,02 s内滑块位移x2 m，摩擦力对滑块做功为fx
29、cos 1804 J，选项D错误。三、非选择题11(2014日照模拟)如图9所示，建筑工人通过滑轮装置将一质量是100 kg的料车沿30角的斜面由底端匀速地拉到顶端，斜面长L是4 m，若不计滑轮的质量和各处的摩擦力，g取10 N/kg，求这一过程中：图9(1)人拉绳子的力做的功；(2)物体的重力做的功；(3)物体受到的各力对物体做的总功。解析：(1)工人拉绳子的力：Fmgsin 工人将料车拉到斜面顶端时，拉绳子的长度：l2L，根据公式WFlcos ，得W1mgsin 2L2 000 J。(2)重力做功：W2mghmgLsin 2 000 J(3)由于料车在斜面上匀速运动，则料车所受的合力为0，
30、故W合0答案：(1)2 000 J(2)2 000 J(3)012(2013上海模拟)如图10甲所示，在水平路段AB上有一质量为2103 kg的汽车，正以10 m/s的速度向右匀速运动，汽车前方的水平路段BC较粗糙，汽车通过整个ABC路段的v t图像如图乙所示(在t15 s处水平虚线与曲线相切)，运动过程中汽车发动机的输出功率保持20 kW不变，假设汽车在两个路段上受到的阻力(含地面摩擦力和空气阻力等)各自有恒定的大小。图10(1)求汽车在AB路段上运动时所受的阻力Ff1。(2)求汽车刚好到达B点时的加速度a。(3)求BC路段的长度。解析：(1)汽车在AB路段时，有F1Ff1，PF1v1，Ff
31、1P/v1，联立解得：Ff1 N2 000 N。(2)t15 s时汽车处于平衡态，有F2Ff2，PF2v2，Ff2P/v2，联立解得：Ff2 N4 000 N。t5 s时汽车开始减速运动，有F1Ff2ma，解得a1 m/s2。(3)PtFf2xmv22mv12解得x68.75 m。答案：(1)2 000 N(2)1 m/s2(3)68.75 m第2节动能定理动能想一想动能和速度都是状态量，那么动能能否表示物体运动的快慢？当物体的速度变化时，物体的动能一定变化吗？提示：动能不能表示物体运动的快慢，动能越大的物体，其速度不一定越大；当物体的速度方向发生变化而速度大小不变时，物体的动能将不变。记一记1定义物体由于运动而具有的能。2公式Ekmv2。3单位焦耳，1 J1 Nm1 kgm2/s2。4矢标性动能是标量，只有正值。5动能的变化量Ekmv22mv12，是过程量。试一试1(多选)关于动能，下列说法中正确的是()A动能是普遍存在的机械能中的