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文档介绍
2017年度高考物理(专题四 第1课时 功能关系在力学中的应用)二轮专题练习
【步步高】2014 高考物理大二轮专题复习与增分策略 专题四 第 1 课时 功能关系在力学中的应用 专题定位 本专题主要用功能的观点解决物体的运动和带电体、带电粒子、导体棒在 电场或磁场中的运动问题.考查的重点有以下几方面:①重力、摩擦力、静电力和洛伦兹力 的做功特点和求解;②与功、功率相关的分析与计算;③几个重要的功能关系的应用;④动 能定理的综合应用;⑤综合应用机械能守恒定律和能量守恒定律分析问题. 本专题是高考的重点和热点,命题情景新,联系实际密切,综合性强,侧重在计算题中 命题,是高考的压轴题. 应考策略 深刻理解功能关系,抓住两种命题情景搞突破:一是综合应用动能定理、 机械能守恒定律和能量守恒定律,结合动力学方法解决多运动过程问题;二是运用动能定理 和能量守恒定律解决电场、磁场内带电粒子运动或电磁感应问题. 1. 常见的几种力做功的特点 (1)重力、弹簧弹力、静电力做功与路径无关. (2)摩擦力做功的特点 ①单个摩擦力(包括静摩擦力和滑动摩擦力)可以做正功,也可以做负功,还可以不做 功. ②相互作用的一对静摩擦力做功的代数和总等于零,在静摩擦力做功的过程中,只有机 械能的转移,没有机械能转化为其他形式的能;相互作用的一对滑动摩擦力做功的代数 和不为零,且总为负值.在一对滑动摩擦力做功的过程中,不仅有相互摩擦物体间机械 能的转移,还有部分机械能转化为内能.转化为内能的量等于系统机械能的减少量,等 于滑动摩擦力与相对位移的乘积. ③摩擦生热是指滑动摩擦生热,静摩擦不会生热. 2. 几个重要的功能关系 (1)重力的功等于重力势能的变化,即 WG=-ΔEp. (2)弹力的功等于弹性势能的变化,即 W 弹=-ΔEp. (3)合力的功等于动能的变化,即 W=ΔEk. (4)重力(或弹簧弹力)之外的其他力的功等于机械能的变化,即 W 其他=ΔE. (5)一对滑动摩擦力做的功等于系统中内能的变化,即 Q=Ff·l 相对. 1. 动能定理的应用 (1)动能定理的适用情况:解决单个物体(或可看成单个物体的物体系统)受力与位移、 速率关系的问题.动能定理既适用于直线运动,也适用于曲线运动;既适用于恒力做功, 也适用于变力做功,力可以是各种性质的力,既可以同时作用,也可以分段作用. (2)应用动能定理解题的基本思路 ①选取研究对象,明确它的运动过程. ②分析研究对象的受力情况和各力做功情况,然后求各个外力做功的代数和. ③明确物体在运动过程始、末状态的动能 Ek1 和 Ek2. ④列出动能定理的方程 W 合=Ek2-Ek1,及其他必要的解题方程,进行求解. 2. 机械能守恒定律的应用 (1)机械能是否守恒的判断 ①用做功来判断,看重力(或弹簧弹力)以外的其他力做功的代数和是否为零. ②用能量转化来判断,看是否有机械能转化为其他形式的能. ③对一些“绳子突然绷紧”、“物体间碰撞”等问题,机械能一般不守恒,除非题目中 有特别说明及暗示. (2)应用机械能守恒定律解题的基本思路 ①选取研究对象——物体系统. ②根据研究对象所经历的物理过程,进行受力、做功分析,判断机械能是否守恒. ③恰当地选取参考平面,确定研究对象在运动过程的始、末状态时的机械能. ④根据机械能守恒定律列方程,进行求解. 题型 1 力学中的几个重要功能关系的应用 例 1 如图 1 所示,轻质弹簧的一端与固定的竖直板 P 拴接,另一端与物体 A 相连,物体 A 静止于光滑水平桌面上,右端接一细线,细线绕过光滑的定滑轮与物体 B 相连.开始时 用手托住 B,让细线恰好伸直,然后由静止释放 B,直至 B 获得最大速度.下列有关该 过程的分析正确的是 ( ) 图 1 A.B 物体的机械能一直减小 B.B 物体的动能的增加量等于它所受重力与拉力做的功之和 C.B 物体机械能的减少量等于弹簧的弹性势能的增加量 D.细线拉力对 A 物体做的功等于 A 物体与弹簧所组成的系统机械能的增加量 解析 把 A、B 和弹簧看做一个系统,该系统机械能守恒,在 B 下落直至 B 获得最大速 度的过程中,A 的动能增大,弹簧弹性势能增大,所以 B 物体的机械能一直减小,选项 A 正确;由动能定理知,B 物体的动能的增加量等于它所受重力与拉力做的功之和,选 项 B 正确;B 物体机械能的减少量等于弹簧的弹性势能的增加量与 A 物体动能的增加量 之和,选项 C 错误;对 A 物体和弹簧组成的系统,由功能关系得,细线拉力对 A 物体做 的功等于 A 物体与弹簧所组成的系统机械能的增加量,选项 D 正确. 答案 ABD 以题说法 1.本题要注意几个功能关系:重力做的功等于重力势能的变化量;弹簧弹 力做的功等于弹性势能的变化量;重力以外的其他力做的功等于机械能的变化量;合力 做的功等于动能的变化量. 2.本题在应用动能定理时,应特别注意研究过程的选取.并且要弄清楚每个过程各力 做功的情况. (2013·山东·16)如图 2 所示,楔形木块 abc 固定在水平面上,粗糙斜面 ab 和光滑斜面 bc 与水平面的夹角相同,顶角 b 处安装一定滑轮.质量分别为 M、m(M>m) 的滑块,通过不可伸长的轻绳跨过定滑轮连接,轻绳与斜面平行.两滑块由静止释放后, 沿斜面做匀加速运动.若不计滑轮的质量和摩擦,在两滑块沿斜面运动的过程中( ) 图 2 A.两滑块组成的系统机械能守恒 B.重力对 M 做的功等于 M 动能的增加 C.轻绳对 m 做的功等于 m 机械能的增加 D.两滑块组成系统的机械能损失等于 M 克服摩擦力做的功 答案 CD 解析 两滑块释放后,M 下滑、m 上滑,摩擦力对 M 做负功,M 和 m 组成的系统机械能 减小,减小的机械能等于 M 克服摩擦力所做的功,选项 A 错误,D 正确.除重力对滑块 M 做正功外,还有摩擦力和绳的拉力对滑块 M 做负功,选项 B 错误.绳的拉力对滑块 m 做正功,滑块 m 机械能增加,且增加的机械能等于拉力做的功,选项 C 正确. 题型 2 动力学方法和动能定理的综合应用 例 2 (15 分)如图 3 所示,上表面光滑、长度为 3 m、质量 M=10 kg 的木板,在 F=50 N 的水平拉力作用下,以 v0=5 m/s 的速度沿水平地面向右匀速运动.现将一个质量为 m =3 kg 的小铁块(可视为质点)无初速度地放在木板最右端,当木板运动了 L=1 m 时, 又将第二个同样的小铁块无初速地放在木板最右端,以后木板每运动 1 m 就在其最右端 无初速度地放上一个同样的小铁块.(g 取 10 m/s2)求: 图 3 (1)木板与地面间的动摩擦因数; (2)刚放第三个小铁块时木板的速度; (3)从放第三个小铁块开始到木板停止的过程,木板运动的距离. 审题突破 木板在 F=50 N 的水平拉力作用下,沿水平地面匀速运动,隐含什么条件? 放上小铁块后木板的受力如何变化? 解析 (1)木板做匀速直线运动时,受到地面的摩擦力设为 Ff 由平衡条件得: F=Ff ①(1 分) 又 Ff=μMg ②(2 分) 联立①②并代入数据得: μ=0.5 ③(1 分) (2)每放一个小铁块,木板所受的摩擦力增加 μmg 设刚放第三个小铁块时木板的速度为 v1,对木板从放第一个小铁块到刚放第三个小铁 块的过程,由动能定理得: -μmgL-2μmgL= 1 2Mv21- 1 2Mv20 ④(5 分) 联立③④并代入数据得: v1=4 m/s ⑤(1 分) (3)从放第三个小铁块开始到木板停止之前,木板所受的合外力大小均为 3μmg. 从放第三个小铁块开始到木板停止的过程,设木板运动的距离为 x,对木板由动能定理 得: -3μmgx=0- 1 2Mv21 ⑥(4 分) 联立③⑤⑥并代入数据得 x= 16 9 m≈1.78 m ⑦(1 分) 答案 (1)0.5 (2)4 m/s (3)1.78 m 以题说法 1.在应用动能定理解题时首先要弄清物体的受力情况和做功情况.此题特 别要注意每放一个小铁块都会使滑动摩擦力增加 μmg. 2.应用动能定理列式时要注意运动过程的选取,可以全过程列式,也可以分过程列 式. 如图 4 所示,倾角为 37°的粗糙斜面 AB 底端与半径 R=0.4 m 的光滑半圆 轨道 BC 平滑相连,O 点为轨道圆心,BC 为圆轨道直径且处于竖直方向,A、C 两点等 高.质量 m=1 kg 的滑块从 A 点由静止开始下滑,恰能滑到与 O 点等高的 D 点,g 取 10 m/s2,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8. 图 4 (1)求滑块与斜面间的动摩擦因数 μ; (2)若使滑块能到达 C 点,求滑块从 A 点沿斜面滑下时的初速度 v0 的最小值; (3)若滑块离开 C 点的速度大小为 4m/s,求滑块从 C 点飞出至落到斜面上所经历的时间 t. 答案 (1)0.375 (2)2 3 m/s (3)0.2 s 解析 (1)滑块从 A 点到 D 点的过程中,根据动能定理有 mg·(2R-R)-μmgcos 37°· 2R sin 37°=0-0 解得:μ= 1 2tan 37°=0.375 (2)若使滑块能到达 C 点,根据牛顿第二定律有 mg+FN= mv2C R 由 FN≥0 得 vC≥ Rg=2 m/s 滑块从 A 点到 C 点的过程中,根据动能定理有 -μmgcos 37°· 2R sin 37°= 1 2mv2C- 1 2mv20 则 v0= v2C+4μgRcot 37°≥2 3 m/s 故 v0 的最小值为 2 3 m/s (3)滑块离开 C 点后做平抛运动,有 x=vC′t,y= 1 2gt2 由几何知识得 tan 37°= 2R-y x 整理得:5t2+3t-0.8=0 解得 t=0.2 s(t=-0.8 s 舍去) 题型 3 动力学方法和机械能守恒定律的应用 例 3 (14 分)如图 5,质量为 M=2kg 的顶部有竖直壁的容器 A,置于倾角为 θ=30°的固 定光滑斜面上,底部与斜面啮合,容器顶面恰好处于水平状态,容器内有质量为 m=1 kg 的光滑小球 B 与右壁接触.让 A、B 系统从斜面上端由静止开始下滑 L 后刚好到达斜面 底端,已知 L=2 m,取重力加速度 g=10 m/s2.求: 图 5 (1)小球到达斜面底端的速度大小; (2)下滑过程中,A 的水平顶面对 B 的支持力大小; (3)下滑过程中,A 对 B 所做的功. 审题突破 A、B 组成的系统内发生转移或转化的是什么能量?A 的水平顶面对 B 的支 持力方向如何? 解析 (1)根据机械能守恒定律: (M+m)gLsin θ= 1 2(M+m)v2 (2 分) 解得:v= 2gLsin θ=2 5 m/s (2 分) (用牛顿运动定律和运动学知识求出速度的同样给 4 分) (2)小球与容器一起沿斜面自由下滑,加速度为 a=gsin θ (1 分) 对 B 进行受力分析,如图所示,竖直方向受 mg、FN 作用,斜向下加速运 动,根据牛顿第二定律 mg-FN=masin θ (3 分) 代入 a=gsin θ 解得 FN=mg(1-sin2 θ)=mgcos2 θ=7.5 N (2 分) (3)设 A 对 B 做的功为 Wm,则根据动能定理 mgLsin θ+Wm= 1 2mv2 (2 分) 解得 Wm= 1 2mv2-mgLsin θ = 1 2m( 2gLsin θ)2-mgLsin θ=0 (2 分) 答案 (1)2 5 m/s (2)7.5 N (3)0 以题说法 若判断多个物体组成的系统机械能是否守恒,最简单有效的方法是看能量 是否向机械能之外的其他能量转化.比如,此题中各个接触面都是光滑的,不会产生内 能,也没有其他能量参与转移或转化,所以 A、B 组成的系统机械能守恒. 如图 6 所示,轮半径 r=10 cm 的传送带,水平部分 AB 的长度 L=1.5 m, 与一圆心在 O 点、半径 R=1 m 的竖直光滑圆轨道的末端相切于 A 点,AB 高出水平地面 H=1.25 m,一质量 m=0.1 kg 的小滑块(可视为质点),由圆轨道上的 P 点从静止释放, OP 与竖直线的夹角 θ=37°.已知 sin 37°=0.6,cos 37°=0.8,g=10 m/s2,滑块 与传送带间的动摩擦因数 μ=0.1,不计空气阻力. 图 6 (1)求滑块对圆轨道末端的压力; (2)若传送带一直保持静止,求滑块的落地点与 B 间的水平距离; (3)若传送带以 v0=0.5 m/s 的速度沿逆时针方向运行(传送带上部分由 B 到 A 运动), 求滑块在传送带上滑行过程中产生的内能. 答案 (1)1.4 N,方向竖直向下 (2)0.5 m (3)0.2 J 解析 (1)从 P 点到圆轨道末端的过程中,由机械能守恒定律得:mgR(1-cos 37°)= 1 2 mv2 在轨道末端由牛顿第二定律得: FN-mg= mv2 R 由以上两式得 FN=1.4 N 由牛顿第三定律得,滑块对圆轨道末端的压力大小为 1.4 N,方向竖直向下. (2)若传送带静止,从 A 到 B 的过程中,由动能定理得: -μmgL= 1 2mv2B- 1 2mv2 解得:vB=1 m/s 滑块从 B 点开始做平抛运动 滑块的落地点与 B 点间的水平距离为:x=vB 2H g =0.5 m (3)传送带向左运动和传送带静止时,滑块的受力情况没有变化,滑块从 A 到 B 的运动 情况没有改变.所以滑块和传送带间的相对位移为:Δx=L+v0 v-vB μg =2 m 滑块在传送带上滑行过程中产生的内能为: Q=μmgΔx=0.2 J. 6. 综合应用动力学和能量观点分析多过程问题 审题示例 (12 分)如图 7 所示,半径为 R 的光滑半圆轨道 ABC 与倾角为 θ=37°的粗糙斜面轨道 DC 相切于 C 点,半圆轨道的直径 AC 与斜面垂直.质量为 m 的小球从 A 点左上方距 A 点 高为 h 的斜面上方 P 点以某一速度 v0 水平抛出,刚好与半圆轨道的 A 点相切进入半圆 轨道内侧,之后经半圆轨道沿斜面刚好滑到与抛出点等高的 D 点.已知当地的重力加速 度为 g,取 R= 50 9 h,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8,不计空气阻力,求: 图 7 (1)小球被抛出时的速度 v0; (2)小球到达半圆轨道最低点 B 时,对轨道的压力大小; (3)小球从 C 到 D 过程中摩擦力做的功 Wf. 审题模板 答题模板 (1)小球到达 A 点时,速度与水平方向的夹角为 θ,如图所示. 则有 v21=2gh ① 由几何关系得 v0=v1cot θ ② 联立①②式得 v0= 4 3 2gh ③ (2)A、B 间竖直高度 H=R(1+cos θ) ④ 设小球到达 B 点时的速度为 v,则从抛出点到 B 过程中由机械能守恒定律得 1 2mv20+mg(H+h)= 1 2mv2 ⑤ 在 B 点,根据牛顿第二定律有 FN-mg=m v2 R ⑥ 联立③④⑤⑥式 解得 FN=5.6mg ⑦ 由牛顿第三定律知,小球在 B 点对轨道的压力大小是 5.6mg ⑧ (3)全过程应用动能定理:Wf=0- 1 2mv20 即 Wf=- 1 2mv20=- 16 9 mgh ⑨ (评分标准:本题共 12 分,其中,⑤式 2 分,⑨式 3 分,其余每式 1 分) 答案 (1) 4 3 2gh (2)5.6mg (3)- 16 9 mgh 点睛之笔 多个运动的组合实际上是多种物理规律和方法的综合应用,分析这种问题 时注意要各个运动过程独立分析,而不同过程往往通过连接点的速度建立联系;有时对 整个过程应用能量的观点解决问题会更简单. 如图 8 所示,将一质量 m=0.1 kg 的小球自水平平台顶端 O 点水平抛出, 小球恰好无碰撞地落到平台右侧一倾角为 α=53°的光滑斜面顶端 A 并沿斜面下滑, 斜面底端 B 与光滑水平轨道平滑连接,小球以不变的速率过 B 点后进入 BC 部分,再进 入竖直圆轨道内侧运动.已知斜面顶端与平台的高度差 h=3.2 m,斜面高 H=15 m,竖 直圆轨道半径 R=5 m.取 sin 53°=0.8,cos 53°=0.6,g=10 m/s2,试求: 图 8 (1)小球水平抛出的初速度 v0 及斜面顶端与平台边缘的水平距离 x; (2)小球从平台顶端 O 点抛出至落到斜面底端 B 点所用的时间; (3)若竖直圆轨道光滑,小球运动到圆轨道最高点 D 时对轨道的压力. 答案 (1)6 m/s 4.8 m (2)2.05 s (3)3 N,方向竖直向上 解析 (1)小球做平抛运动落至 A 点时,由平抛运动的速度分解图可 得: v0=vycot α 由平抛运动规律得:v2y=2gh h= 1 2gt21 x=v0t1 联立解得:v0=6 m/s,x=4.8 m (2)小球从平台顶端 O 点抛出至落到斜面顶端 A 点,需要时间 t1= 2h g =0.8 s 小球在 A 点的速度沿斜面向下,速度大小 vA= v0 cos α=10 m/s 从 A 点到 B 点 由动能定理得 mgH= 1 2mv2B- 1 2mv2A 解得 vB=20 m/s 小球沿斜面下滑的加速度 a=gsin α=8 m/s2 由 vB=vA+at2,解得 t2=1.25 s 小球从平台顶端 O 点抛出至落到斜面底端 B 点所用的时间 t=t1+t2=2.05 s (3)水平轨道 BC 及竖直圆轨道均光滑,小球从 B 点到 D 点,由动能定理可得 -2mgR= 1 2mv2D- 1 2mv2B 在 D 点由牛顿第二定律可得:FN+mg=m v2D R 联立解得:FN=3 N 由牛顿第三定律可得,小球在 D 点对轨道的压力 FN′=3 N,方向竖直向上 (限时:45 分钟) 一、单项选择题 1. (2013·安徽·17)质量为m 的人造地球卫星与地心的距离为 r 时,引力势能可表示为 Ep =- GMm r ,其中 G 为引力常量,M 为地球质量,该卫星原来在半径为 R1 的轨道上绕地球 做匀速圆周运动,由于受到极稀薄空气的摩擦作用,飞行一段时间后其圆周运动的半径 变为 R2,此过程中因摩擦而产生的热量为 ( ) A.GMm( 1 R2- 1 R1) B.GMm( 1 R1- 1 R2) C. GMm 2 ( 1 R2- 1 R1) D. GMm 2 ( 1 R1- 1 R2) 答案 C 解析 由万有引力提供向心力知 G Mm r2=m v2 r ,所以卫星的动能为 1 2mv2= GMm 2r ,则卫星在半 经为 r 的轨道上运行时机械能为 E= 1 2mv2+Ep= GMm 2r - GMm r =- GMm 2r .故卫星在轨道 R1 上 运行时:E1=- GMm 2R1,在轨道 R2 上运行时:E2=- GMm 2R2,由能的转化和守恒定律得产生的 热量为 Q=E1-E2= GMm 2 ( 1 R2- 1 R1),故正确选项为 C. 2.如图 1 所示,质量为 m 的物体(可视为质点)以某一初速度从 A 点冲上倾角为 30°的固定 斜面,其运动的加速度大小为 3 4g,沿斜面上升的最大高度为 h,则物体沿斜面上升的过 程中 ( ) 图 1 A.物体的重力势能增加了 3 4mgh B.物体的重力势能增加了 mgh C.物体的机械能损失了 1 4mgh D.物体的动能减少了 mgh 答案 B 解析 该过程物体克服重力做功为 mgh,则物体的重力势能增加了 mgh,选项 A 错误, 选项 B 正确;由牛顿第二定律有 Ff+mgsin 30°=ma,解得 Ff= 1 4mg,克服摩擦力做的 功等于机械能的减少量,Wf=-Ff· h sin 30°=- 1 2mgh,选项 C 错误;根据动能定理 知,合外力做的功等于动能的变化量,故动能减少量为 3 2mgh,选项 D 错误. 3. 用电梯将货物从六楼送到一楼的过程中,货物的 v-t 图象如图 2 所示.下列说法正确 的是 ( ) 图 2 A.前 2 s 内货物处于超重状态 B.最后 1 s 内货物只受重力作用 C.货物在 10 s 内的平均速度是 1.7 m/s D.货物在 2 s~9 s 内机械能守恒 答案 C 解析 由题图知,前 2 s 内货物加速下降,加速度方向向下,货物处于失重状态,选项 A 错误;最后 1 s 内货物减速下降,加速度方向向上,货物一定受到向上的作用力,选 项 B 错误;v-t 图象中图线与时间轴所围的面积在数值上等于货物发生的位移大小, 货物在 10 s 内发生的位移大小为 x= 1 2×(7+10)×2 m=17 m,则 10 s 内货物的平均速 度是 1.7 m/s,选项 C 正确;货物在 2 s~9 s 内匀速下降,重力势能减小,动能不变, 机械能减小,选项 D 错误. 4. 质量为m 的汽车在平直的路面上启动,启动过程的速度—时间图象如图 3 所示,其中 OA 段为直线,AB 段为曲线,B 点后为平行于横轴的直线.已知从 t1 时刻开始汽车的功率 保持不变,整个运动过程中汽车所受阻力的大小恒为 Ff,以下说法正确的是 ( ) 图 3 A.0~t1 时间内,汽车牵引力的数值为 m v1 t1 B.t1~t2 时间内,汽车的功率等于(m v1 t1+Ff)v2 C.t1~t2 时间内,汽车的平均速率小于 v1+v2 2 D.汽车运动的最大速率 v2=( mv1 Fft1+1)v1 答案 D 解析 0~t1 时间内汽车的加速度大小为 v1 t1,m v1 t1为汽车所受的合外力大小,而不是牵引 力大小,选项 A 错误;t1 时刻汽车牵引力的功率为 Fv1=(m v1 t1+Ff)v1,之后汽车功率保 持不变,选项 B 错误;t1~t2 时间内,汽车的平均速率大于 v1+v2 2 ,选项 C 错误;牵引 力等于阻力时速度最大,即 t2 时刻汽车速率达到最大值,则有(m v1 t1+Ff)v1=Ffv2,解得 v2=( mv1 Fft1+1)v1,选项 D 正确. 二、多项选择题 5. (2013·江苏·9)如图 4 所示,水平桌面上的轻质弹簧一端固定,另一端与小物块相 连.弹簧处于自然长度时物块位于 O 点(图中未标出).物块的质量为 m,AB=a,物块 与桌面间的动摩擦因数为 μ.现用水平向右的力将物块从 O 点拉至 A 点,拉力做的功为 W.撤去拉力后物块由静止向左运动,经 O 点到达 B 点时速度为零.重力加速度为 g.则 上述过程中 ( ) 图 4 A.物块在 A 点时,弹簧的弹性势能等于 W- 1 2μmga B.物块在 B 点时,弹簧的弹性势能小于 W- 3 2μmga C.经 O 点时,物块的动能小于 W-μmga D.物块动能最大时弹簧的弹性势能小于物块在 B 点时弹簧的弹性势能 答案 BC 解析 如图,在 A 点弹簧的弹力大于摩擦力,即 FA>μmg ,在 B 点弹 簧的弹力小于等于摩擦力,即 FB≤μmg,因此 O 点距离 B 点较近,即 xOB查看更多
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