内容正文:
易错点12 动能定理应用与图像分析
一、动能定理
(1)内容:力在一个过程中对物体做的功,等于物体在这个过程中动能的变化。
(2)表达式:W=ΔEk; W=Ek2-Ek1; W=mv-mv。
适用范围广泛
(1)既适用于直线运动,也适用于曲线运动。
(2)既适用于恒力做功,也适用于变力做功。
(3)力可以是各种性质的力,既可以同时作用,也可以不同时作用。
二、动能定理的理解和应用
(1)做功的过程就是能量转化的过程,动能定理表达式中的“=”的意义是一种因果关系在数值上相等的符号。
因果关系:合力做功是引起物体动能变化的原因。
数量关系:合力做功与动能变化具有等量代换的关系。
单位关系:国际单位制中功和能的单位都是焦耳。
(2)动能定理叙述中所说的“力”,既可以是重力、弹力、摩擦力,也可以是静电力、磁场力或其他力;既可以是恒力,也可以是变力。
(3)动能定理中涉及的物理量有F、l、α、m、v、W、Ek,在处理含有上述物理量的问题时,优先考虑使用动能定理。
三、应用动能定理解决问题的流程
四、与动能定理结合紧密的几种图像
(1)v-t图:由公式x=vt可知,v-t图线与横坐标轴围成的面积表示物体的位移。
(2)F-x图:由公式W=Fx可知,F-x图线与横坐标轴围成的面积表示力所做的功。
(3)P-t图:由公式W=Pt可知,P-t图线与横坐标轴围成的面积表示力所做的功。
(4)a-t图:由公式Δv=at可知,a-t图线与横坐标轴围成的面积表示物体速度的变化量。
(5)Ekx图:由公式F合x=Ek-Ek0可知,Ekx图线的斜率表示合力。
题型一:运用动能定理求变力做的功
[例题1] (2024•新郑市校级一模)如图,圆形水平餐桌面上有一个半径为r、可绕中心轴转动的同心圆盘,在圆盘的边缘放置一个质量为m的小物块。物块与圆盘及与餐桌面间的动摩擦因数均为μ,现从静止开始缓慢增大圆盘的角速度,物块从圆盘上滑落后,最终恰好停在桌面边缘。若最大静摩擦力等于滑动摩擦力,重力加速度为g,圆盘厚度及圆盘与餐桌间的间隙不计,物块可视为质点。则( )
A.物块从圆盘上滑落的瞬间,圆盘的角速度大小为
B.物块从圆盘上滑落的瞬间,圆盘的线速度大小为
C.餐桌面的半径为
D.物块随圆盘运动的过程中,圆盘对小物块做功为μmgr
[例题2] (2023秋•石家庄期末)如图甲所示,质量m=2kg的物体受到水平拉力F的作用,在水平面上做加速直线运动,其加速度a随位移x的变化规律如图乙所示,物体的初速度v0=2m/s。已知物体与水平面间的动摩擦因数为0.2,g取10m/s2,下列说法正确的是( )
A.拉力F随时间均匀增大
B.物体发生10m位移时,拉力F变为原来的二倍
C.物体发生10m位移的过程中,拉力F做功为60J
D.物体发生10m位移时,拉力做功的功率为96W
题型二:牛顿定律与动能定理相结合解决问题
[例题3] (2024•吉林一模)我国航天员翟志刚、王亚平、叶光富于2022年4月16日9时56分搭乘神舟十三号载人飞船返回舱在东风着陆场成功着陆。返回舱在离地面约6000m的高空打开主伞(降落伞),在主伞的作用下返回舱速度从80m/s降至10m/s,此后可视为匀速下降,当返回舱在距离地面1m时启动反推发动机,速度减至0后恰落到地面上。设主伞所受的空气阻力为f=kv,其中k为定值,v为速率,其余阻力不计。已知返回舱(含宇航员)总质量为3000kg,主伞的质量忽略不计,忽略返回舱质量的变化,重力加速度g取10m/s2,设全过程为竖直方向的运动。求:
(1)在主伞打开后的瞬间,返回舱的加速度大小;
(2)若在反推发动机工作时主伞与返回舱之间的绳索处于松弛状态,则反推发动机在该过程中对返回舱做的功。
[例题4] (2024•岳麓区校级模拟)如图所示是2023年10月31日神舟十六号载人飞船返回舱成功返回的画面。高度在8公里时,返回舱主伞打开,此时返回舱速度为80m/s,离地1m前,返回舱已经匀速运动,速度为10m/s,已知主伞打开后主伞所受空气阻力与速度成正比,即f=kv,已知返回舱质量(含宇航员)为m=3000kg,不考虑返回舱质量的变化,主伞质量忽略不计,不计其他阻力,g=10m/s2。求:
(1)主伞打开瞬间,返回舱的加速度大小;
(2)估算主伞打开到返回舱离地1m的过程中系统克服阻力做的功(结果保留两位有效数字)。
题型三:动能定理与图像
[例题5] (2023春•杨浦区校级期末)已知篮球在空气中运动时所受空气阻力与速度大小成正比。篮球与地面碰撞后以大小为v0的速度竖直弹起后到再次与地面碰撞的过程中,以v表示篮球的速度,t表示篮球运动的时间,Ek表示篮球的动能,h表示篮球的高度,则下列图像可能正确的是( )
A. B.
C.