全品复习方案2020届高考物理一轮复习第5单元机械能听课正文含解析.pdf
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1、机械能机械能 2015 年2016 年2017 年2018 年 高考热点统计 要求 功和功率172114 动能和动能定 理 172516202424141419 重力做功与重 力势能 17162416 功能关系、 机械 能 守恒定律及其 应用 21212525242417 18、 24 1525 实验:探究动能 定理 实验:验证机械 能 守恒定律 22 考情分析 机械能是高考考查的热点内容,且都为级能力要求.高考命题既有 对机械能的单独考查,也有与曲线运动、电磁学等内容相结合的综合 考查.单独考查的题目多为选择题,计算题联系生活实际、 现代科学技 术,与牛顿运动定律、平抛运动、圆周运动、电磁学
2、等知识结合;综合 考查在物体多运动过程或多物体运动过程中运用知识的能力、 建立物 理模型的能力和解决实际问题的能力. 第 13 讲 功 功率 一、功 1.力做功的两个要素:力和物体在 发生的位移. 2.定义式:W= ,仅适用于 做功,功的单位为 ,功是 量. 3.物理意义:功是 转化的量度. 二、功率 1.定义:力对物体做的功与所用 的比值. 2.物理意义:功率是描述力对物体做功 的物理量. 3.公式: (1)P=,P为时间t内的 功率. (2)P=Fvcos(为F与v的夹角): v为平均速度时,则P为 ;v为瞬时速度时,则P为 . 4.发动机功率:P= .(通常不考虑力与速度夹角). 【辨别
3、明理】 (1)运动员起跳离地之前,地面对运动员做正功.( ) (2)作用力做正功时,其反作用力一定做负功.( ) (3)静摩擦力不可能对物体做功.( ) (4)相互垂直的两个力分别对物体做功为 4J 和 3J,则这两个力的合力做功为 5J.( ) (5)机车发动机的功率P=Fv,F为牵引力,并非机车所受的合力.( ) (6)汽车上坡时换成低挡位,其目的是减小速度以便获得较大的牵引力.( ) 考点一 功的正负的判断和计算 考向一 功的正负的判断 (1)恒力做功的判断:若物体做直线运动,则依据力与位移的夹角来判断. (2)曲线运动中功的判断:若物体做曲线运动,则依据F与v的夹角来判断.当 0W2B
4、.W1W2 B.W1 变式题我国科学家正在研制航母舰载机使用的电磁弹射器.舰载机总质量为 3.0104kg,设起飞 过程中发动机的推力恒为 1.0105N,弹射器有效作用长度为 100m,推力恒定,要求舰载机在水平 弹射结束时速度大小达到 80m/s.弹射过程中舰载机所受总推力为弹射器和发动机推力之和,假设 所受阻力为总推力的 20%,则下列说法错误的是( ) A.弹射器的推力大小为 1.1106N B.弹射器对舰载机所做的功为 1.1108J C.弹射器对舰载机做功的平均功率为 8.8107W D.舰载机在弹射过程中的加速度大小为 32m/s2 要点总结 计算功率的基本思路:(1)首先要弄清
5、楚计算的是平均功率还是瞬时功率.(2)平均功率与一段时间 (或过程)相对应,计算时应明确是哪个力在哪段时间(或过程)内做功的平均功率.(3)瞬时功率计 算时应明确是哪个力在哪个时刻(或状态)的功率,求解瞬时功率时,如果F与v不同向,可用力F 乘力F方向的分速度或速度v乘速度v方向的分力求解. 考点四 机车启动问题 启动方式恒定功率启动恒定加速度启动 P-t图和v-t图 过程 分析 vF= a= a=不变F不变,vP=Fv达到最大 P=P额=Fv1OA段 运动 性质 加速度减小的 加速运动 匀加速直线运动,维持时间t0= 过程分析 F=fa=0vm= vF=a= AB段 运动性质 速度vm=的匀
6、速直线运动 加速度减小的加速运动 过程分析 F=fa=0vm= BC段 运动性质 速度vm=的匀速直线运动 转折点 在转折点A,牵引力与阻力大小 相等,加速度为零,速度达到最 在转折点A,功率达到额定功率,匀加速运 动结束,此时v1=;在转折点B,速度达到最 大,为vm=大,为vm= 图 13-9 例 8 如图 13-9 所示是某中学科技小组制作的利用太阳能驱动小车的装置.太阳光照射到小车上方 的光电板,光电板中产生的电流经电动机带动小车前进.若小车在平直的水泥路上从静止开始加 速行驶,经过时间t前进距离s,速度达到最大值vm,设这一过程中电动机的功率恒为P,小车所受 阻力恒为f,则( ) A
7、.小车先匀加速运动,达到最大速度后开始匀速运动 B.这段时间内电动机所做的功为Pt C.这段时间内电动机所做的功为m D.这段时间内电动机所做的功为m-fs 图 13-10 变式题如图 13-10 所示为汽车在水平路面上启动过程中的v-t图像,Oa为过原点的倾斜直线,ab 段表示以额定功率行驶时的加速阶段,bc段是与ab段相切的水平直线,下列说法正确的是 ( ) A.0t1时间内汽车以恒定功率做匀加速运动 B.t1t2时间内的平均速度为 C.t1t2时间内汽车牵引力做功等于m-m D.在全过程中t1时刻的牵引力及其功率都是最大值 建模点拨 (1)无论哪种启动过程,机车的最大速度都等于其匀速运动
8、时的速度,即vm=. (2)机车以恒定加速度启动时,匀加速过程结束时功率达到最大,但速度不是最大,即v1=0 时,动能增加,当WxCD-xBC 3. 2018福州十中月考 探究外力做功与物体动能变化关系的实验装置如图 S5-14 所示,根据实 验中力传感器读数和纸带的测量数据可求得外力对小车做的功和小车动能的变化. 图 S5-14 (1)关于该实验,下列说法中正确的是 (填选项前的字母). A.调整滑轮高度,使连接小车的细线与木板平行 B.实验中要始终满足钩码的质量远小于小车的质量 C.若纸带上打出的是短线,可能是打点计时器输入电压过高造成的 D.平衡摩擦力时,调整垫块的高度,改变钩码质量,使
9、小车能在木板上做匀速运动 (2)除了图中给出的器材外,实验中还需要交流电源、导线、刻度尺和 . (3)某次实验中打出了一条纸带,其中一部分如图 S5-15所示.图中各点是连续的计时点,A、B、D、E、 F各点与O点间的距离如图所示,设小车质量为m,打点周期为T,本次实验过程中力传感器的读数 为F,则A到E过程外力做功W1= ,小车动能变化Ek1= ;在不同次实验中测得多 组外力做功W和对应的动能变化Ek的数据,作出W-Ek图像如图 S5-16 所示,图线斜率约等于 1, 由此得出的结论是 . 图 S5-15 图 S5-16 4.某同学用图 S5-17 甲所示的实验装置探究恒力做功与小车动能变化
10、的关系. 图 S5-17 (1)为了能用沙和沙桶的总重力所做的功表示小车所受拉力做的功,本实验中小车质量M (选填“需要” “不需要”)远大于沙和沙桶的总质量m. (2)图乙为实验得到的一条清晰的纸带,A、B、C、D、E、F、G是纸带上 7 个连续的点,sAD= cm. 已知电源频率为 50Hz,则打点计时器在打D点时纸带的速度v= m/s(保留两位有效数 字). (3)该同学画出小车动能变化Ek与拉力对小车所做的功W的关系图像,由于实验前遗漏了平衡摩 擦力这一关键步骤,他得到的实验图线(实线)应该是图 S5-18 中的 (填选项字母). 图 S5-18 实验六 验证机械能守恒定律 一、实验目
11、的 验证机械能守恒定律. 二、实验原理 1.在只有重力做功的自由落体运动中,物体的重力势能和动能互相转化,但总的机械能 . 若质量为m的物体做自由落体运动,下落高度为h时的速度为v,则重力势能的减少量为 , 动 能 的 增 加 量 为 ,如 果 在 实 验 误 差 允 许 的 范 围 内 重 力 势 能 的 减 少 量 与 相等,则验证了机械能守恒定律. 2.速度的测量:做匀变速直线运动的纸带上某点的瞬时速度等于相邻两点间的 .计算打第 n个点瞬时速度的方法是:测出第n个点的相邻前、后两段相等时间T内下落的距离xn和xn+1,由 公式vn= 计算. 图 S6-1 三、实验器材 铁架台(含铁夹)
12、、 、 电源及导线(使用电 火花计时器时用 220V 交流电源)、 纸带、 复写纸片、 、 重物(带纸带夹),实验装置如图 S6- 1 所示. 四、实验步骤 1.器材安装:如图 S6-1 所示,将打点计时器固定在铁架台上,用导线将电磁打点计时器与低压交流 电源相连,此时电源开关应为 状态. 2.打纸带:把纸带的一端用夹子固定在重物上,另一端穿过打点计时器的限位孔,用手竖直提起纸 带,使重物停靠在打点计时器下方附近,应先 ,待打点稳定后再松开纸带.让重物自由下 落,打点计时器就在纸带上打出一系列的点,取下纸带,换上新的纸带重打几条(35 条)纸带. 3.选纸带:用起始点初速度为零验证.选点迹清晰
13、,且 1、2 两点间距离小于或接近 2mm 的纸带进行 测量.若 1、 2 两点间的距离大于 2mm,这是由于先释放纸带,后接通电源造成的,则第 1 个点对应的 瞬时速度 (选填“不等于”或“等于”)零. 4.数据测量 5.验证结论:在 的范围内,重物自由下落过程中机械能守恒. 热点一 实验原理和实验操作 例 1 某同学用如图 S6-2 甲所示的实验装置验证机械能守恒定律.实验所用的电源为学生电源,可 以提供输出电压为 6V 的交变电流和直流电,交变电流的频率为 50Hz.重锤从高处由静止开始下落, 打点计时器在纸带上打出一系列的点,对纸带上的点测量并分析,即可验证机械能守恒定律. (1)他进
14、行了下面几个操作步骤: A.按照图示的装置安装器材; B.将打点计时器接到电源的“直流输出”上; C.用天平测出重锤的质量; D.先接通电源,后释放纸带,打出一条纸带; E.测量纸带上某些点间的距离; F.根据测量的结果计算重锤下落过程中减少的重力势能是否等于其增加的动能. 其中没有必要进行的步骤是 ,操作不当的步骤是 .(均填步骤前的选项字母) 图 S6-2 (2)这位同学进行正确测量后挑选出一条点迹清晰的纸带进行测量分析,如图乙所示,其中O点为 起始点,A、B、C、D、E、F为六个计数点.根据纸带上的测量数据,可得出打B点时重锤的速度为 m/s(保留 3 位有效数字). (3)他根据纸带上
15、的数据算出各点的速度v,量出下落距离h,并以为纵轴、h为横轴画出的图像 应是图 S6-3 中的 (选填项字母). 图 S6-3 变式题某学习小组用如图 S6-4 所示的实验装置验证“机械能守恒定律”.他们在气垫导轨上安装 了一个光电门B,细线一端连在滑块(带遮光条)上,另一端绕过气垫导轨左端的定滑轮与钩码相连, 每次滑块都从A处由静止释放. 图 S6-4 (1)下列实验要求中不必要的一项是 (填选项前的字母). A.应将气垫导轨调至水平 B.应使细线与气垫导轨平行 C.应使A位置与光电门B间的距离适当大些 D.应使钩码质量远小于滑块和遮光条的总质量 图 S6-5 (2)用螺旋测微器测量遮光条宽
16、度d,测量结果如图 S6-5 所示,则d= mm. (3)实验时,已知滑块(带遮光条)的质量为M,钩码质量为m,A、B间的距离为L,遮光条的宽度为d, 遮光条通过光电门的时间为t,重力加速度为g,若满足关系式 (用M、m、g、L、d、t表示), 即可验证从A到B过程中系统机械能守恒. 要点总结 (1)安装打点计时器时要竖直架稳,使两限位孔在同一竖直平面内以减小摩擦阻力. (2)重物应选用质量大、体积小、密度大的材料. (3)应先接通电源,让打点计时器正常工作后,再松开纸带让重物下落. (4)纸带长度应选用 60cm 左右为宜,应选用点迹清晰的纸带进行测量. 热点二 数据处理与误差分析 例 2
17、某同学安装如图 S6-6 所示的实验装置验证机械能守恒定律.如图 S6-7 所示是该实验得到的 一条点迹清晰的纸带,现要取A、B两点来验证,已知电火花计时器每隔 0.02s 打一个点. 图 S6-6 图 S6-7 请回答下列问题: (1)电火花计时器的工作电压是 V. (2)若x2=4.80cm,则在纸带上打下计数点B时的速度vB= m/s(结果保留三位有效数字). (3)若x1数据也已测出,则实验还需测出的物理量为 . 图 S6-8 (4)经过测量计算后,某同学画出了如图 S6-8 所示的E-h图线,则图中表示重物动能随重物高度变 化的曲线为 (选填“图线A”或“图线B”). 图 S6-9
18、变式题用如图 S6-9 所示实验装置验证物块 1、2 组成的系统机械能守恒,物块 2 从高处由静止开 始下落,物块 1 上拖着的纸带打出一系列的点,对纸带上的点进行测量,即可验证机械能守恒定律. 图 S6-10 给出的是实验中获取的一条纸带,其中 0 是打下的第一个点,相邻两个计数点间还有 4 个 打点(图中未标出,交流电的频率为 50Hz),计数点间的距离如图所示.已知物块 1、 2 的质量分别为 m1=50g、m2=150g,g取 9.8m/s2. 图 S6-10 (1)在纸带上打下计数点 5 时的速度v= m/s. (2)在打点05过程中系统动能的增加量Ek= J,系统势能的减少量Ep=
19、 J.可知 在实验误差允许的范围内,系统的机械能 . 要点总结 速度不能用vn=gtn或vn=计算,因为只要认为加速度为g,机械能当然守恒,即相当 于用机械能守恒定律验证机械能守恒定律,况且用vn=gtn计算出的速度比实际值大,会得出机械能 增加的结论,而实际上因为受摩擦阻力的影响,机械能应减小,所以速度应通过测量计算得到.同 样的道理,重物下落的高度h也只能用刻度尺直接测量,而不能用hn=g或hn=计算得 到. 热点三 同类实验拓展与创新 实验器材及 装置的替换 速度测量方 法的改进 测量纸带上各点速度由光电门计算速度 实验方案的创新利用自由落体运动的闪光照片验证机械能守恒定律 图 S6-1
20、1 例 3 为了验证机械能守恒定律,某学生想到用气垫导轨和光电门及质量为m的小车来进行实验,如 图 S6-11 所示,他将长为L、原来已调至水平的气垫导轨的左端垫高H,在导轨上的两点处分别安 装光电门A和B,然后将小车从导轨上端释放,光电门自动记录小车经过上、下光电门时车上挡光 片的挡光时间为t1、t2,用游标卡尺测得挡光片宽度为d. (1)要验证小车在运动过程中机械能守恒,还必须测出 . (2)写出本实验验证机械能守恒定律的表达式: (用上面测量出的物理 量符号表示). (3)实验所用滑块的质量m=600g,其他数据分别为L=1.5m、H=10cm、l=50cm,则实验中重力势能的 减少量为
21、 J.(g取 10m/s2) (4)如果气垫导轨左端垫高H的值可调,此实验还可以探究在质量不变时,物体的加速度与合力的 关系,回答下列问题: 小车的加速度为a= ,小车所受合力为F= .(用上面测量出的 物理量符号表示) 要改变小车受到的合力,只需改变 ;作加速度合力图像时,横轴可用 代替. 变式题某同学设计出如图 S6-12 所示“验证机械能守恒定律”的实验装置,小球用轻质细绳悬挂 于O点,在O点正下方固定一刀片,并在水平地面上用重锤记录下O点在水平面的投影,将小球拉 至与O等高的水平位置处,绳被拉直,从静止释放小球,当小球到达O点正下方时,刀片割断细绳, 小球做平抛运动,记录下小球的落点.
22、 图 S6-12 (1)下列物理量中需要测量的是 (填选项前的字母). A.细绳的长度L B.O点到地面的高度H C.O点在地面的投影到小球落点的水平距离x D.小球的质量m (2)利用题(1)中的字母,需要验证的等式是 . 要点总结 本实验可从多个角度进行创新. (1)实验器材的创新:利用光电门测出挡光条通过光电门的时间t,从而利用v=计算滑块通 过光电门的速度.利用气垫导轨代替长木板,减小阻力对实验结果的影响. (2)实验数据处理的创新:将滑块、挡光条、托盘和砝码看作一个系统来验证系统机械能守恒. (3)本实验还可以从以下两个方面创新:利用摆球进行验证,只需验证mgh=mv2即可.整 个实
23、验装置可以放在真空的环境中操作,如用牛顿管和频闪照相进行验证,以消除由于空气阻力 作用而带来的误差. 图 S6-13 1.用自由落体法验证机械能守恒定律,器材安装如图 S6-13 所示. (1)请指出图中的错误及不妥之处(至少写出两处): ; . (2)改进实验中错误及不妥之处后,打出如图 S6-14 所示的一条纸带.已知打点计时器所接电源的 频率为 50Hz,根据纸带所给数据,打C点时重物的速度为 (结果保留两位有效数字)m/s. 图 S6-14 图 S6-15 (3)某同学选用两个形状相同但质量不同的重物a和b进行实验,测得几组数据,画出-h的图像 如图 S6-15 所示,求出图线的斜率k
24、,由图像可知a的质量m1 (选填“大于”或“小于”)b 的质量m2. (4)通过分析发现造成k2值偏小的原因是实验过程中存在各种阻力,已知实验所用重物的质量 m2=0.052kg,当地重力加速度g=9.78m/s2,则重物所受的平均阻力f= (结果保留两位有效 数字)N. 图 S6-16 2.某课外小组利用竖直上抛运动验证机械能守恒定律. (1)某同学利用 20 分度的游标卡尺测量小球的直径,读数如图 S6-16 所示,小球的直径d= cm. 图 S6-17 (2)用如图 S6-17 所示的弹射装置将小球竖直向上弹出,小球先后经过光电门A、B,计时装置测出 通过A和B的时间分别为tA和tB,用
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