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1、高三物理动量和能量本讲稿第一页,共二十七页1、动量动量2、机械能机械能3两个定理两个定理4两个定律两个定律5、功和能的关系功和能的关系a.重力做功重力做功b.弹力做功弹力做功c.动能定理动能定理d.机械能守恒定律机械能守恒定律e.功能原理功能原理f.静摩擦力做功的特点静摩擦力做功的特点g.滑动摩擦力做功的特点滑动摩擦力做功的特点h.一对作用力与反作用力做功的特点一对作用力与反作用力做功的特点6动能定理与能量守恒定律关系动能定理与能量守恒定律关系例例1例例2例例3例例4例例5练习练习2001年高考年高考2000年高考年高考222001年春季北京年春季北京例例6本讲稿第二页,共二十七页1 1、动量
2、、动量 基本规律基本规律 动量定理动量定理 动量守恒定律动量守恒定律 碰撞碰撞 基本概念基本概念 动量动量 冲量冲量 2 2、机械能、机械能 基本概念基本概念 弹性势能弹性势能 重力势能重力势能 势能势能 动能动能 功率功率 功功 基本规律基本规律 功能关系功能关系 机械能守恒定律机械能守恒定律 动能定理动能定理 本讲稿第三页,共二十七页3两个两个“定理定理”(1)动动量量定定理理:F合合t=p矢矢量量式式(力力F在在时时间间t上上积积累累,影响物体的动量影响物体的动量p)(2)动动能能定定理理:F合合S=EK标标量量式式(力力F在在空空间间S上上积积累累,影响物体的动能影响物体的动能Ek)动
3、动量量定定理理与与动动能能定定理理一一样样,都都是是以以单单个个物物体体为为研研究究对对象象但但所所描描述述的的物物理理内内容容差差别别极极大大动动量量定定理理数数学学表表达达式式:F合合t=p,是是描描述述力力的的时时间间积积累累作作用用效效果果使使动动量量变变化化;该该式式是是矢矢量量式式,即即在在冲冲量量方方向向上上产产生生动动量量的的变变化化动动能能定定理理数数学学表表达达式式:F合合S=EK,是是描描述述力力的的空空间间积积累累作作用用效效果果使动能变化;该式是标量式。使动能变化;该式是标量式。本讲稿第四页,共二十七页4 4两个两个“定律定律”(1 1)动量守恒定律动量守恒定律:适用
4、条件适用条件系统不受外力或所受外力之和为零系统不受外力或所受外力之和为零公式:公式:m1v1+m2v2=m1v1+m2v2或或 p=p(2 2)机械能守恒定律机械能守恒定律:适用条件适用条件只有重力(或弹簧的弹力)做功只有重力(或弹簧的弹力)做功公式:公式:Ek2+Ep2=Ek1+Ep1或或Ep=Ek本讲稿第五页,共二十七页5、功和能的关系、功和能的关系做做功功的的过过程程是是物物体体能能量量的的转转化化过过程程,做做了了多多少少功功,就就有有多少能量发生了变化,功是能量转化的量度多少能量发生了变化,功是能量转化的量度a.重力做功与重力势能增量的关系重力做功与重力势能增量的关系重重力力做做正正
5、功功,重重力力势势能能减减少少;重重力力做做负负功功,重重力力势势能能增增加加重力对物体所做的功等于物体重力势能增量的负值重力对物体所做的功等于物体重力势能增量的负值即即WG=EP1EP2=EPb.弹力做功与弹性势能增量的关系弹力做功与弹性势能增量的关系弹弹力力做做正正功功,弹弹性性势势能能减减少少;弹弹力力做做负负功功,弹弹性性势势能能增增加加弹力对物体所做的功等于物体弹性势能增量的负值弹力对物体所做的功等于物体弹性势能增量的负值即即W弹力弹力=EP1EP2=EP本讲稿第六页,共二十七页c.动能定理动能定理合外力对物体做的功等于物体动能的增量即合外力对物体做的功等于物体动能的增量即d.机械能
6、守恒定律机械能守恒定律在只有重力和弹簧的弹力做功的物体系内,动能和势能可以互在只有重力和弹簧的弹力做功的物体系内,动能和势能可以互相转化,但机械能的总量保持不变即相转化,但机械能的总量保持不变即EK2+EP2=EK1+EP1,或或EK=-EPe.功能原理功能原理除重力和弹簧的弹力外,其他力对物体做的功等于物除重力和弹簧的弹力外,其他力对物体做的功等于物体机械能的增量即体机械能的增量即 WF=E2E1=E本讲稿第七页,共二十七页f.静摩擦力做功的特点静摩擦力做功的特点(1)静摩擦力可以做正功,也可以做负功,还可以)静摩擦力可以做正功,也可以做负功,还可以不做功;不做功;(2)在静摩擦力做功的过程
7、中,只有机械能的互相转移,)在静摩擦力做功的过程中,只有机械能的互相转移,而没有机械能与其他形式的能的转化,静摩擦力只起着传递而没有机械能与其他形式的能的转化,静摩擦力只起着传递机械能的作用;机械能的作用;(3)相互摩擦的系统内,一对静摩擦力对系统所)相互摩擦的系统内,一对静摩擦力对系统所做功的和总是等于零做功的和总是等于零本讲稿第八页,共二十七页g.滑动摩擦力做功的特点滑动摩擦力做功的特点(1)滑动摩擦力可以做正功,也可以做负功,还可以不)滑动摩擦力可以做正功,也可以做负功,还可以不做功;做功;(2)相互摩擦的系统内,一对滑动摩擦力对系统所做功的和)相互摩擦的系统内,一对滑动摩擦力对系统所做
8、功的和总表现为负功,其大小为总表现为负功,其大小为W=f S相对相对(S相对相对为相互摩擦的物体间的相对位移;若相对运动有往复性,则为相互摩擦的物体间的相对位移;若相对运动有往复性,则S相对相对为相对运动的路程)为相对运动的路程)(3)在滑动摩擦力对系统做功的过程中,系统的机械能转)在滑动摩擦力对系统做功的过程中,系统的机械能转化为其他形式的能,其大小为化为其他形式的能,其大小为Q=fS相对相对h.一对作用力与反作用力做功的特点一对作用力与反作用力做功的特点(1)作用力做正功时,反作用力可以做正功,也可以作用力做正功时,反作用力可以做正功,也可以做负功,还可以不做功;作用力做负功、不做功时,做
9、负功,还可以不做功;作用力做负功、不做功时,反作用力亦同样如此反作用力亦同样如此(2)一对作用力与反作用力对系统所做功的总和可以是正功一对作用力与反作用力对系统所做功的总和可以是正功,也可以是负功也可以是负功,还可以零还可以零本讲稿第九页,共二十七页6 6动能定理与能量守恒定律关系动能定理与能量守恒定律关系理解理解“摩擦热摩擦热”(Q Q=f fS S)设质量为设质量为m2的板在光滑水平面上以速度的板在光滑水平面上以速度2运动,质量为运动,质量为m1的物块以速度的物块以速度1在板上同向运动,且在板上同向运动,且12,它们之间相互作用的滑动摩擦力大小为,它们之间相互作用的滑动摩擦力大小为f,经过
10、一段时间,物块的位移为,经过一段时间,物块的位移为S1,板的位移,板的位移S2,此时两物体的速度变,此时两物体的速度变为为 1 和和 2 由动能定理得由动能定理得m1m212ffS1S2ff 1 2-f S1=m112/2m112/2f S2=m222/2m222/2在这个过程中,通过滑动摩擦力做功,机械能不断转化为内能,在这个过程中,通过滑动摩擦力做功,机械能不断转化为内能,即不断即不断“生热生热”,由能量守恒定律及由能量守恒定律及式可得:式可得:Q=(m112/2+m222/2)(m112/2m222/2)=f(S1S2)=fS本讲稿第十页,共二十七页由此可见,在两物体相互摩擦的过程中,损
11、失的机械由此可见,在两物体相互摩擦的过程中,损失的机械能(能(“生热生热”)等于摩擦力与相对位移的乘积。)等于摩擦力与相对位移的乘积。特别要指出,在用特别要指出,在用Q=fS计算摩擦生热时,正确计算摩擦生热时,正确理解是关键。这里分两种情况:理解是关键。这里分两种情况:(1)若一个物体相对于另一个物体作单向运动,)若一个物体相对于另一个物体作单向运动,S为为相对相对位移位移;(2)若一个物体相对于另一个物体作往返运动,)若一个物体相对于另一个物体作往返运动,S为相对为相对路程路程。本讲稿第十一页,共二十七页例例1甲乙两个物体,甲物体动量大小比乙大,乙物体甲乙两个物体,甲物体动量大小比乙大,乙物
12、体动能比甲大,那么动能比甲大,那么A要使它们在相同的时间内停下来,应对甲施加要使它们在相同的时间内停下来,应对甲施加较大的阻力较大的阻力B如果它们受到相同的阻力,到它们停下来时,如果它们受到相同的阻力,到它们停下来时,乙的位移比甲大乙的位移比甲大C甲的质量比乙大甲的质量比乙大D甲的速度比乙大甲的速度比乙大ABC练习练习质量为质量为m的小球拴在长为的小球拴在长为L的细绳一端,在竖直平的细绳一端,在竖直平面内做圆周运动,当小球通过最高点时面内做圆周运动,当小球通过最高点时A它的最小动能为它的最小动能为mgL/2B它的最小向心加速度为它的最小向心加速度为gC细绳对小球的最小拉力为零细绳对小球的最小拉
13、力为零D小球所受重力为零小球所受重力为零ABC本讲稿第十二页,共二十七页CABDDA.滑块滑块m从从A滑到滑到B的过程的过程,物体与滑块组成的系统动物体与滑块组成的系统动量守恒、量守恒、机械能守恒机械能守恒B.滑块滑到滑块滑到B点时,速度大小等于点时,速度大小等于C.滑块从滑块从B运动到运动到D的过程,系统的动量和机械能都的过程,系统的动量和机械能都不守恒不守恒D.滑块滑到滑块滑到D点时,物体的点时,物体的速度等于速度等于0例例2.如图示如图示:质量为质量为M的滑槽静止在光滑的水平面滑槽的滑槽静止在光滑的水平面滑槽的的AB部分是半径为部分是半径为R的的1/4的光滑圆弧的光滑圆弧,BC部分是水平
14、部分是水平面面,将质量为将质量为m的小滑块从滑槽的的小滑块从滑槽的A点静止释放点静止释放,沿圆弧沿圆弧面滑下面滑下,并最终停在水平部分并最终停在水平部分BC之间的之间的D点点,则则()本讲稿第十三页,共二十七页例例3.在光滑的水平面上停放着质量为在光滑的水平面上停放着质量为m、带有弧形槽的、带有弧形槽的小车,现有一质量也为小车,现有一质量也为m的小球以的小球以v0的水平速度沿槽口的水平速度沿槽口向小车滑去(不计摩擦),到达某一高度后,小球又返回向小车滑去(不计摩擦),到达某一高度后,小球又返回车右端,则车右端,则()A.小球离车后,对地将向右做平抛运动小球离车后,对地将向右做平抛运动B.小球离
15、车后,对地将做自由落体运动小球离车后,对地将做自由落体运动C.此过程小球对车做功为此过程小球对车做功为mv02/2D.小球沿弧形槽上升的最大高度为小球沿弧形槽上升的最大高度为v02/2gBC本讲稿第十四页,共二十七页例例4.电阻为电阻为R的矩形导线框的矩形导线框abcd,边长边长ab=l,ad=h,质量为质量为m,自某一高度自由落体自某一高度自由落体,通过一匀强磁场通过一匀强磁场,磁磁场方向垂直纸面向里场方向垂直纸面向里,磁场区域的宽度为磁场区域的宽度为h,如图如图,若线若线框恰好以恒定速度通过磁场框恰好以恒定速度通过磁场,线框内产生的焦耳热等线框内产生的焦耳热等于于.(不考虑空气阻力不考虑空
16、气阻力)lhhabcd解解:由能量守恒定律由能量守恒定律,线框通过磁场时减少的线框通过磁场时减少的重力势能转化为线框的内能重力势能转化为线框的内能,所以所以Q=2mgh2mgh本讲稿第十五页,共二十七页mPFS1S2vF例例5、如图示,一足够长的木板在光滑的水平面上以速度、如图示,一足够长的木板在光滑的水平面上以速度v匀速运动,匀速运动,现将质量为现将质量为m的物体轻轻地放置在木板上的的物体轻轻地放置在木板上的P点处,已知物体点处,已知物体m与木板与木板之间的动摩擦因素为之间的动摩擦因素为,为保持木板的速度不变,从物体,为保持木板的速度不变,从物体m放到木板上放到木板上到它相对于木板静止的过程
17、中,对木板施一水平向右的作用力到它相对于木板静止的过程中,对木板施一水平向右的作用力F,那么,那么F对对木板做的功有多大?木板做的功有多大?解解:物体:物体m在摩擦力作用下做匀加速运动,经时间在摩擦力作用下做匀加速运动,经时间t速度达到速度达到vfff=mga=gt=v/a=v/g在在t时间内,物体时间内,物体m的位移的位移S1=1/2vt木板木板的位移的位移S2=vtW=FS2=fS2=mgvt=mv2又解又解:由能量守恒定律,拉力:由能量守恒定律,拉力F的功等于物体动能的增加和转化的的功等于物体动能的增加和转化的内能内能.W=1/2mv2+fS=1/2mv2+f(S2-S1)=1/2mv2
18、+1/2mgvt=mv2本讲稿第十六页,共二十七页练习、练习、上题中,若物体上题中,若物体m以水平向左的速度以水平向左的速度v轻轻地放置在木板上轻轻地放置在木板上的的P点处点处,那么,那么F对木板做的功有多大?对木板做的功有多大?vmPv解:解:物体物体m在摩擦力作用下向左做匀减速运动,经时间在摩擦力作用下向左做匀减速运动,经时间t速度减为速度减为0到到达达Q点,又点,又在摩擦力作用下向右做匀加速运动,经时间在摩擦力作用下向右做匀加速运动,经时间t速度达到速度达到v,ffvFQS2vFvPf=mga=gt=v/a=v/g在在2t时间内,物体时间内,物体m的位移的位移S1=0木板木板的位移的位移
19、S2=2vtW=FS2=fS2=mg2vv/g=2mv2又解又解:物体的动能不变,由能量守恒定律,拉力:物体的动能不变,由能量守恒定律,拉力F的功等于转化的的功等于转化的内能内能.W=fS=f(S2-S1)=fS2=mg2vt=2mv2本讲稿第十七页,共二十七页2001年高考:年高考:如图所示:虚线框如图所示:虚线框abcd内为一矩形匀强磁内为一矩形匀强磁场区域,场区域,ab=2bc,磁场方向垂直于纸面;实线框,磁场方向垂直于纸面;实线框abcd是一正方形导线框,是一正方形导线框,ab边与边与ab边平行,若将导线框匀速地边平行,若将导线框匀速地拉离磁场区域,以拉离磁场区域,以W1表示沿平行于表
20、示沿平行于ab的方向拉出过程中外的方向拉出过程中外力所做的功,力所做的功,W2表示以同样速率沿平行于表示以同样速率沿平行于bc的方向拉出的方向拉出过程中外力所做的功,则过程中外力所做的功,则()A.W1=W2B.W2=2W1C.W1=2W2D.W2=4W1BBdabcdabc本讲稿第十八页,共二十七页2000年高考年高考22、在原子核物理中,研究核子与核关联的最有效途在原子核物理中,研究核子与核关联的最有效途径是径是“双电荷交换反应双电荷交换反应”。这类反应的前半部分过程和下述力学模。这类反应的前半部分过程和下述力学模型类似。两个小球型类似。两个小球A和和B用轻质弹簧相连,在光滑的水平直轨道上
21、用轻质弹簧相连,在光滑的水平直轨道上处于静止状态。在它们左边有一垂直于轨道的固定挡板处于静止状态。在它们左边有一垂直于轨道的固定挡板P,右边有,右边有一小球一小球C沿轨道以速度沿轨道以速度v0 射向射向B球,如图所示。球,如图所示。C与与B发生碰撞并立发生碰撞并立即结成一个整体即结成一个整体D。在它们继续向左运动的过程中,当弹簧长度变。在它们继续向左运动的过程中,当弹簧长度变到最短时,长度突然被锁定,不再改变。然后,到最短时,长度突然被锁定,不再改变。然后,A球与挡板球与挡板P发生碰发生碰撞,碰后撞,碰后A、D都静止不动,都静止不动,A与与P接触而不粘连。过一段时间,突然解接触而不粘连。过一段
22、时间,突然解除锁定(锁定及解除定均无机械能损失)。已知除锁定(锁定及解除定均无机械能损失)。已知A、B、C三球的质三球的质量均为量均为m。(1)求弹簧长度刚被锁定后)求弹簧长度刚被锁定后A球的速度。球的速度。(2)求在)求在A球离开挡板球离开挡板P之后的运动过程中,弹簧的最大弹性之后的运动过程中,弹簧的最大弹性势能。势能。v0BACP本讲稿第十九页,共二十七页v0BACP(1)设)设C球与球与B球粘结成球粘结成D时,时,D的速度为的速度为v1,由动量守恒,由动量守恒,有有v1ADPmv0=(m+m)v1当弹簧压至最短时,当弹簧压至最短时,D与与A的速度相等,设此速度为的速度相等,设此速度为v2
23、,由动量守恒,有,由动量守恒,有DAPv22mv1=3mv2 由由、两式得两式得A的速度的速度v2=1/3v0题目题目 上页上页 下页下页本讲稿第二十页,共二十七页(2)设弹簧长度被锁定后,贮存在弹簧中的势能为)设弹簧长度被锁定后,贮存在弹簧中的势能为EP,由能,由能量守恒,有量守恒,有撞击撞击P后,后,A与与D的动能都为零,解除锁定后,当弹簧刚恢复的动能都为零,解除锁定后,当弹簧刚恢复到自然长度时,势能全部转变成到自然长度时,势能全部转变成D的动能,设的动能,设D的速度为的速度为v3,则有,则有当弹簧伸长,当弹簧伸长,A球离开挡板球离开挡板P,并获得速度。当,并获得速度。当A、D的速的速度相
24、等时,弹簧伸至最长。设此时的速度为度相等时,弹簧伸至最长。设此时的速度为v4,由动量守,由动量守恒,有恒,有2mv3=3mv4当弹簧伸到最长时,其势能最大,设此势能为当弹簧伸到最长时,其势能最大,设此势能为,由,由能量守恒,有能量守恒,有解以上各式得解以上各式得题目题目 上页上页本讲稿第二十一页,共二十七页2001年春季北京年春季北京:如图所示,如图所示,A、B是静止在水平地面上是静止在水平地面上完全相同的两块长木板。完全相同的两块长木板。A的左端和的左端和B的右端相接触。两的右端相接触。两板的质量皆为板的质量皆为M=2.0kg,长度皆为,长度皆为l=1.0m,C 是一质量为是一质量为m=1.
25、0kg的木块现给它一初速度的木块现给它一初速度v0=2.0m/s,使它从,使它从B板的板的左端开始向右动已知地面是光滑的,而左端开始向右动已知地面是光滑的,而C与与A、B之间的之间的动摩擦因数皆为动摩擦因数皆为=0.10求最后求最后A、B、C各以多大的速度做各以多大的速度做匀速运动取重力加速度匀速运动取重力加速度g=10m/s2.ABCM=2.0kgM=2.0kgv0=2.0m/sm=1.0kg本讲稿第二十二页,共二十七页解解:先先假假设设小小物物块块C 在在木木板板B上上移移动动距距离离x 后后,停停在在B上上这这时时A、B、C 三者的速度相等,设为三者的速度相等,设为VABCVABCv0S
26、x由动量守恒得由动量守恒得在此过程中,木板在此过程中,木板B 的位移为的位移为S,小木块,小木块C 的位移为的位移为S+x由功能关系得由功能关系得相加得相加得解解、两式得两式得代入数值得代入数值得题目题目 上页上页 下页下页本讲稿第二十三页,共二十七页 x 比比B板板的的长长度度l 大大这这说说明明小小物物块块C不不会会停停在在B板板上上,而而要要滑滑到到A 板板上上设设C 刚刚滑滑到到A 板板上上的的速速度度为为v1,此此时时A、B板板的的速速度度为为V1,如图示:,如图示:ABCv1V1则由动量守恒得则由动量守恒得由功能关系得由功能关系得以题给数据代入解得以题给数据代入解得由于由于v1必是
27、正数,故合理的解是必是正数,故合理的解是题目题目 上页上页 下页下页本讲稿第二十四页,共二十七页当当滑滑到到A之之后后,B 即即以以V1=0.155m/s做做匀匀速速运运动动而而C 是是以以v1=1.38m/s的的初初速速在在A上上向向右右运运动动设设在在A上上移移动动了了y距距离离后后停停止止在在A上,此时上,此时C 和和A 的速度为的速度为V2,如图示:,如图示:ABCV2V1y由动量守恒得由动量守恒得解得解得V2=0.563m/s由功能关系得由功能关系得解得解得y=0.50my 比比A 板的长度小,故小物块板的长度小,故小物块C 确实是停在确实是停在A 板上最后板上最后A、B、C 的速度
28、分别为的速度分别为:题目题目 上页上页本讲稿第二十五页,共二十七页v0BA例例6.如图示,在光滑的水平面上,质量为如图示,在光滑的水平面上,质量为m的小球的小球B连接着连接着轻质弹簧,处于静止状态,质量为轻质弹簧,处于静止状态,质量为2m的小球的小球A以初速度以初速度v0向向右运动,接着逐渐压缩弹簧并使右运动,接着逐渐压缩弹簧并使B运动,过了一段时间运动,过了一段时间A与弹簧与弹簧分离分离.(1)当弹簧被压缩到最短时,弹簧的弹性势能)当弹簧被压缩到最短时,弹簧的弹性势能EP多大?多大?(2)若开始时在)若开始时在B球的右侧某位置固定一块挡板,在球的右侧某位置固定一块挡板,在A球与弹簧球与弹簧未
29、分离前使未分离前使B球与挡板发生碰撞,并在碰后立即将挡板撤走,球与挡板发生碰撞,并在碰后立即将挡板撤走,设设B球与挡板的碰撞时间极短,碰后球与挡板的碰撞时间极短,碰后B球的速度大小不变但方向球的速度大小不变但方向相反,欲使此后弹簧被压缩到最短时,弹性势能达到第(相反,欲使此后弹簧被压缩到最短时,弹性势能达到第(1)问中问中EP的的2.5倍,必须使倍,必须使B球在速度多大时与挡板发生碰撞?球在速度多大时与挡板发生碰撞?本讲稿第二十六页,共二十七页v0BA甲甲解:解:(1)当弹簧被压缩到最短时,)当弹簧被压缩到最短时,AB两球的速度相两球的速度相等设为等设为v,由动量守恒定律由动量守恒定律2mv0=3mv由机械能守恒定律由机械能守恒定律EP=1/22mv02-1/23mv2=mv2/3(2)画出碰撞前后的几个过程图)画出碰撞前后的几个过程图v1BAv2乙乙v1BAv2丙丙VBA丁丁由甲乙图由甲乙图2mv0=2mv1+mv2由丙丁图由丙丁图2mv1-mv2=3mV由机械能守恒定律(碰撞过程不做功)由机械能守恒定律(碰撞过程不做功)1/22mv02=1/23mV2+2.5EP解得解得v1=0.75v0v2=0.5v0V=v0/3本讲稿第二十七页,共二十七页