内容正文:
暑假作业九 功与功率 重力势能
摘要:
1.理解功的概念,会用功的公式W=Flcosα
进行计算.
2.理解功率的概念,会用功率公式P=Wt
或
P=Fv进行计算.
3.会分析机车的启动问题.
4.知道重力做功与重力势能变化的关系,弹
力做功与弹性势能变化的关系.
1.(1)某物体从某一位置运动到另一位置,重
力一定做功吗?
(2)物体从高度和倾角相同的斜面滑下,一
个斜面光滑,一个斜面不光滑,重力做的功
相等吗? 为什么?
2.功有正负之分,功是矢量吗? 正负的意义
是 什 么? 如 力 F1 做 功 10J,F2 做 功
-15J,力F1 和F2 哪个做功多?
3.汽车上坡时,司机为什么要换低挡来降低
速度?
4.重力势能Ep=mgh与高度成正比,弹簧的
弹性势能是否与形变量成正比?
【例1】 如图所示,质量为m=2kg的
物体静止在水平地面上,受到与水平地面夹
角为θ=37°、大小F=10N的拉力作用,物
体移动l=2m,物体与地面间的动摩擦因数
μ=0.3,g取10m/s
2.求:
(1)拉力F所做的功W1;
(2)摩擦力Ff所做的功W2;
(3)重力G所做的功W3;
(4)弹力FN 所做的功W4;
(5)合力F合 所做的功W.
【解析】 (1)对物体进行受力分析,如图
所示.W1=Flcosθ=10×2×0.8J=16J.
(2)FN=G-Fsinθ=20N-10×0.6N
=14N,Ff=μFN=0.3×14N=4.2N,
W2=Fflcos180°=-4.2×2J=-8.4J.
(3)W3=Glcos90°=0.
(4)W4=FNlcos90°=0.
(5)W=W1+W2+W3+W4=7.6J,也
可由合力求 总 功,F合 =Fcosθ-Ff=10×
0.8N-4.2N=3.8N,
F合 与l方向相同,所以W=F合l=3.8
×2J=7.6J.
【答案】 (1)16J (2)-8.4J (3)0
(4)0 (5)7.6J
32
【规律方法】 计算恒力做功要注意的三
个问题
(1)某力对物体做功只跟这个力和物体
的位移以及力与位移间的夹角有关,跟物体
是否还受其他力的作用无关.
(2)力F 与位移l必须具有同时性,即l
必须是力F 作用过程中的位移.
(3)计算功时一定要明确在哪段位移过
程中对哪个物体做的功.
一、单项选择题
1.如图所示,两个互相垂
直的力F1 和F2 作用在
同一物体上,使物体沿
虚线方向运动,在通过
一段位移的过程中,F1 对物体做功4J,F2
对物体做功3J,则F1 和F2 的合力对物体
做的功为 ( )
A.5J B.7J
C.1J D.3.5J
2.如图所示,质量为 m 可
视为质点的物体,从倾
角为θ=30°的光滑固定
斜面的顶端由静止滑下,已知物体由斜面
顶端滑到底端所用时间为t,到达斜面底
端时的速度为v,斜面高为h.下列叙述正
确的是 ( )
A.物体滑到斜面底端时重力做功的瞬时
功率为mgv
B.物体滑到斜面底端时重力做功的瞬时
功率为mg
2t
4
C.物体由斜面顶端滑到底端的过程中重
力做的功为2mgh
D.物体由斜面顶端滑到底端的过程中重
力做功的平均功率为mgv
2
3.如今高层居民小区越来越多,家住高层,窗
外“风光无限”,可电梯房虽好,就是怕停
电.要是电梯停运了,给高层住户的生活带
来很多不便.家住10楼的李同学某次停电
时步行从一楼走楼梯回家,已知该同学质
量为50kg,每层楼的高度为3m,取g=
10m/s2.则该同学在这个过程中 ( )
A.重力做负功,楼梯的支持力做正功
B.重力做负功,楼梯的支持力不做功
C.重力势能增加1.5×105J
D.重力势能增加1.35×105J
4.如图所示,高速公路上汽车定速巡航(即保
持汽车的速率不变)通过路面abcd,其中
ab段为平直上坡路面,bc段为水平路面,
cd段为平直下坡路面.不考虑整个过程中
空气阻力和摩擦阻力的大小变化.下列说
法正确的是 ( )
A.在ab段汽车的输出功率逐渐减小
B.汽车在ab段的输出功率比bc段的大
C.在cd段汽车的输出功率逐渐减小
D.汽车在cd段的输出功率比bc段的大
二、多项选择题
5.竖直上抛运动是理想化的物理模型,实际
的上抛运动是受阻力的.现有质量为2kg
的物体以60m/s的速度竖直上抛,所受阻
力恒为重力的0.2倍,重力加速度g 取
10m/s2,则物体由抛出到落回抛出点的过
程中 ( )
A.整个过程中重力做的功为零
B.整个过程中阻力做的功为零
C.整个过程中合力做的功是1200J
D.运 动 到6s时 刻 重 力 的 瞬 时 功 率 是
160W
42
6.如图所示,某中学科技
小组制作了利用太阳
能驱动小车的装置.当
太阳光照射到小车上
方的光电板时,光电板中产生的电流经电
动机带动小车前进.小车在平直的公路上
由静止开始匀加速行驶,经过时间t,速度
为v时功率达到额定功率,并保持不变;小
车又继续前进了距离s,达到最大速度vm.
设小车的质量为m,运动过程所受阻力恒
为f,则 ( )
A.小车的额定功率为fvm
B.小车的额定功率为fv
C.小车做匀加速直 线 运 动 时 的 牵 引 力
为f+mvt
D.小车做匀加速直线运动时的牵引力
为f+vt2
三、非选择题
7.如图所 示,质 量 为 m=
4kg的 木 块 在 倾 角θ=
37°的足够长的固定斜面
上由静止开始下滑,木块
与斜面间的动摩擦因数为μ=0.5,已知:
sin 37°= 0.6,cos 37°= 0.8,g 取
10m/s2,求:
(1)前3s内重力做的功;
(2)前3s内重力的平均功率;
(3)3s末重力的瞬时功率.
物理学史 功能关系的发现
随着动力学的发展,人们逐
渐形成了“功”和“能”的概念.伽
利 略 将 力 与 路 程 的 乘 积 称 为
“矩”;莱布尼茨把与重量和高度
的乘积等值的运动作为基本量来考查运动的
量度———“活力”.从1820年起,在法国出版
的一系列工程技术论著中,“功”逐渐被确立
为一个重要概念,特别是在分析机器的运转
中,功被看作一个基本参数,显示出了它的重
要性.(图为火车)
52
暑假作业八
有问必答·固双基
1.(1)GMm
r2
=ma向 =mv
2
r=mω
2r=m4π
2
T2
r.
(2)mg=GMmR2
(物体在天体表面时受到的万有引力等于物
体重力),整理可得gR2=GM,该公式通常被称为黄金代换
式.
2.不是,卫星仍然受到地球引力的作用,但地球引力全部用
来提供卫星做圆周运动的向心力.
3.将人造卫星视为绕地球(或其他天体)做匀速圆周运动,所
需向心力等于地球(或其他天体)对卫星的万有引力,即G
Mm
r2
=mv
2
r =mω
2r=m 2πT
2
r=ma,得到以下关 系 和
规律:
v= GMr
,r越大,v越小,
ω= GM
r3
,r越大,ω越小,
T=2π r
3
GM
,r越大,T 越大,
an=
GM
r2
,r越大,an 越小.
4.(1)双星绕它们共同的圆心做匀速圆周运动,它们之间的
距离保持不变.
(2)两星之间的万有引力提供各自需要的向心力.
(3)双星系统中每颗星的角速度相等.
(4)两星的轨道半径之和等于两星间的距离.
(5)
r1
r2
=
m2
m1
,v1
v2
=
m2
m1
,a1
a2
=
m2
m1
.
(6)
G(m1+m2)
L3
=4π
2
T2
.
厚积薄发·勤演练
1.A 冥王星、星体“卡戎”依靠彼此间的万有引力提供向心
力而做匀速圆周运动,因此轨道圆心一定始终在两星体的
连线上,所以两星体具有相同的角速度,B错误;两星体彼
此间的万有 引 力 是 作 用 力 与 反 作 用 力,故 向 心 力 大 小 相
等,因此有m1ω2r1=m2ω2r2,所以
r1
r2
=
m2
m1
=17
,A正确,D
错误;由v=ωr知
v1
v2
=
r1
r2
=17
,C错误.
2.D 星球表面飞行的卫星,受到的万有引力提供向心力,有
GMm
R2
=mv
2
R
解得第一宇宙速度为v= GMR
某行星的质量与地球质量相等,半径为地球的1
4
,则行星
的“第一宇宙速度”是地球上第一宇宙速度的2倍,故D正
确,A、B、C错误.
3.B 在轨道1与在轨道2运行比较,合力等于万有引力,根
据牛顿第二定律得a=GM
r2
卫星在P 点的加速度都相同;卫星由轨道1在P 点进入轨
道2做离心运动,要加速,所以在轨道1和在轨道2运行经
过P 点的速度不同,故B正确,A错误;卫星在轨道2的任
何位置都具有相同的加速度大小,但加速度方向不同,故C
错误;根据开普勒第三定律a
3
T2
=k
可知卫星在轨道1的运行周期小于在轨道2的运行周期,
故D错误.故选B.
4.C “嫦娥六号”探测器没有脱离地球的束缚,因此发射速
度大于第一宇宙速度,小于第二宇宙速度,故A错误;月球
的第一宇宙速度等于近月圆轨道上的环绕速度,“嫦娥六
号”探测器在近月点B 所在椭圆轨道相对于近月圆轨道为
高轨道,由椭圆轨道变轨到近月圆轨道,需要在近月点 B
减速,可知“嫦娥六号”探测器运行至B 点时的速度大于月
球的第一宇宙速度,故B错误;图中圆轨道相对于椭圆轨
道为高轨道,可知,要想从圆轨道进入椭圆轨道必须在 A
点减速,故C正确;令图中圆轨道半径为R1,椭圆轨道的半
长轴为R2,根据开普勒第三定律有
R31
T21
=
R32
T22
,由于R1>R2,
可知T1>T2,即在椭圆轨道上运行的周期比在圆轨道上
运行的周期短,故D错误.故选C.
5.AD 由于同步卫星与赤道上的物体具有相同的角速度,则
对同步卫星,a1=ω2r;对赤道上的物体,a2=ω2R,由以上
二式可得
a1
a2
=rR
,故选项A正确,B错误:同步卫星需要的
向心力 完 全 由 万 有 引 力 提 供,则GMm
r2
=
mv21
r
,所 以v1=
GM
r
;对于第一宇宙速度,由GMm
R2
=
mv22
R
,得v2=
GM
R
,
以上两速度相比可得
v1
v2
= Rr
,故选项C错误,D正确.
6.BC 由万有引力提供向心力GMm
r2
=mv
2
r=m
2π
T
2
r
卫星P 与Q 的轨道高度相同,两卫星的轨道半径相同,所
以两卫星的线速度大小相等、但方向不同,运行周期相同,
A错误,B正确;由万有引力提供向心力GMm
r2
=ma
可知,卫星P、M 运行的加速度大小之比为9∶25,C正确;
因为卫星P、M 的质量大小关系不明确,所以它们受到的
地球引力大小无法比较,D错误.故选BC.
7.【解析】 (1)地球对卫星的万有引力提供卫星绕地球做圆
周运动的向 心 力,有GMm
r2
=m4π
2
T2
r,解 得 地 球 的 质 量 M
=4π
2r3
GT2
.
(2)物体在地球表面受到的重力近似等于万有引力,
mg=GMmR2
解得地球表面的重力加速度g=GMR2
=4π
2r3
R2T2
.
(3)近地卫星绕地球做匀速圆周运动,万有引力提供向心力
GMm
R2
=mv
2
R
,解得第一宇宙速度v= GMR =
4π2r3
T2R
.
【答案】 (1)4π
2r3
GT2
(2)4π
2r3
R2T2
(3) 4π
2r3
T2R
暑假作业九
有问必答·固双基
1.(1)不一定.判断物体运动过程中重力是否做功,主要是看
运动的初、末位置是否在同一高度上,若初、末位置在同一
高度上,则重力不做功;若初、末位置不在同一高度上,则重
力做功.
(2)相等.重力做功只跟物体运动的起点和终点的位置
有关.
2.功是标量,功的正负既不表示方向,也不表示大小,只表示
做功的力是阻力还是动力,F1 做的功小于F2 做的功,F2
做功多.
3.由P=Fv可知,汽车上坡时,功率不变,为获得较大的牵引
力,需换低挡来减小速度.
4.否.因为举重物时,重力不变,而拉弹簧时拉得越长,拉力
越大,所以弹性势能与形变量不成正比.
厚积薄发·勤演练
1.B W合 =W1+W2=4J+3J=7J,功是标量,不能进行矢
量运算,所以本题易错选A.
14
2.B 下滑到斜面底端时的速度为v,重力的瞬时功率为P=
mgvcos60°,下滑到斜面底端时的速度为v=gsinθt,所以
重力的瞬时功率为P=mgvcos60°=mg
2t
4
,故A错误,B正
确;物体由斜面顶端滑到底端的过程中重力做的功为 W=
mgh,故C错误;物体由斜面顶端滑到底端的过程中重力做
功的平 均 功 率 为P=Wt =
mgh
t =
mg·12vtsin30°
t =
1
4
mgv,故D错误.
3.A 上楼梯时,重力竖直向下,支持力竖直向上,所以重力
做负功,楼梯的支持力做正功,故 A正确,B错误;上楼整
个过程中,重力做的功为WG=-mgh=-50×10×27J=
-1.35×104J,根据功能关系,重力做负功,所以重力势能
增加1.35×104J,故CD错误.故选A.
4.B 在ab段,根据平衡条件可知,牵引力F1=mgsinθ+f
所以在ab段汽车的输出功率P1=F1v不变,在bc段牵引
力F2=f,bc段的输出功率P2=F2v<P1,故 A错误B正
确;在cd段牵引力F3=f-mgsinθ,汽车的输出功率P3=
F3v<P2,在cd段汽车的输出功率不变,且小于bc段,故
CD错误.故选B.
5.AD 整个过程中,初、末位置的高度为零,故重力做的功为
零,故A正确;在整个运动过程中,由于阻力始终和运动方
向相反,故阻力做的功等于阻力与通过路程的乘积,不为
零,故B错误;在上升过程中,根据牛顿第二定律可得mg+
Ff=ma,解 得 a=12m/s2,物 体 上 升 的 高 度 h=
v2
2a=
150m,从 抛 出 到 落 回 抛 出 点 过 程 中,阻 力 做 的 功 Wf=
-0.2mg·2h=-1200J,在整个运动过程中,只有阻力做
功,故合力做的功为-1200J,故C错误;上升过程所需时
间t1=
v
a =5s
,在 下 降 过 程 中,mg-Ff=ma',解 得a'=
8m/s2,6s时 刻 即 物 体 下 落1s时 刻 的 速 度v'=a't'=
8m/s,故重力的瞬时功率P'=mgv'=160W,故D正确.
6.AC 小车匀加速行驶时,牵引力不变,电动机的功率随着
小车速度的增大而增大,当达到额定功率时,以额定功率
行驶,做加速度逐渐减小的加速运动,最终当牵引力等于
阻力时,速度达到最大,所以额定功率P=fvm,故A正确,
B错误;小车做匀加速直线运动加速度a=vt
,根据牛顿第
二定律知F-f=ma,联立解得 F=f+m vt
,故C正确,
vt
2
的单位是m,与力的单位不同,D错误.
7.【解析】 (1)根据题意,由牛顿第二定律有 mgsin37°-
μmgcos37°=ma,解得a=2m/s2
前3s内物体的位移为x=12at
2=9m
前3s内重力做的功为W=mgsin37°·x=216J.
(2)前3s内重力的平均功率P=Wt =
216
3 W=72W.
(3)物体3s末的速度为v=at=6m/s
3s末重力的瞬时功率P=mgsin37°·v=144W.
【答案】 (1)216J;(2)72W;(3)144W
暑假作业十
有问必答·固双基
1.物体由于运动而是有的能量叫动能,动能的单位和功的单
位相同,在国际单位制中都是焦耳.这是因为1kg·m2/s2
=1N·m=1J.
2.动能
3.(1)增加 (2)相等
4.由牛顿第二定律F=ma,又由运动学公式得2al=v22-v12,即
l=
v22-v12
2a .
把上面F、l的表达式代入 W=Fl得 W=
ma(v22-v12)
2a
,
也就是W=12mv2
2-12mv1
2.
厚积薄发·勤演练
1.B 在运动过程中,只有摩擦力做功,而摩擦力做功与路径
有关,根据动能定理-f·2πL=0-12mv
2
0,可得摩擦力的
大小f=
mv20
4πL
,故选B.
2.C 根据动能定理有:mgh=12mv
2-0知;高度相同,所以末动
能相等,速度的大小相等,但方向不同.故本题选C.
3.D 设小球初动能为:Ek0,从抛出到最高点,根据动能定理
得:0-Ek0=-mg(H-h,所以Ek0=mg(H-h),故A、B、
C错误,D正确.
4.A 0~10m内物块上滑,由动能定理得-mgsin30°·s-
fs=Ek-Ek0,整理得Ek=Ek0-(mgsin30°+f)s
结合0~10m内的图像得,斜率的绝对值|k|=mgsin30°
+f=4N
10~20m内物块下滑,由动能定理得 mgsin30°-f (s-
s1)=Ek
整理得Ek= mgsin30°-f s- mgsin30°-f s1
结合10~20m内的图像得,斜率k'=mgsin·30°-f=3N
联立解得f=0.5N,m=0.7kg,故选A.
5.AC 由于发动机功率恒定,则经过时间t,发动机所做的功
为W=Pt,故 A正确;当 速 度 达 到 最 大 值vm 时,有 P=
Fvm=fvm,所以汽车的牵引力在这段时间内做功也等于
Pt=fvmt,但不能根据初速度求解发动机做功,故B错误,
C正确;汽车从速度v0 到最大速度vm 过程中,由动能定理
可知W-fs=12mv
2
m-
1
2mv
2
0,解得W=fs+
1
2mv
2
m-
1
2
mv20,故D错误.
6.BC 对汽车运动的全过程,由动能定理得用 W1-W2=
ΔEk=0,所以W1=W2
由v-t图象与坐标轴所围面积表示位移可知x1∶x2=
1∶4,由动能定理得Fx1-Ffx2=0
所以F∶Ff=4∶1,故BC正确,AD错误.故选BC.
7.【解析】 (1)第一次篮球下落的过程中由动能定理可得
E1=mgh1
篮球反弹后向上运动的过程由动能定理可得
0-E2=-mgh2
第二次从1.5m的高度静止下落,同时向下拍球,在篮球
反弹上升的过程中,由动能定理可得0-E4=0-mgh4
第二次从1.5m的高度静止下落,同时向下拍球,篮球下
落过程中,由动能定理可得W+mgh3=E3
因篮球每次和地面撞击的前后动能的比值不变,则有比例
关系
E2
E1
=
E4
E3
代入数据可得W=4.5J.
(2)因作用力是恒力,在恒力作用下篮球向下做匀加速直
线运动,因此有牛顿第二定律可得F+mg=ma
在拍球时间内运动的位移为x=12at
2
做功为W=Fx
联立可得F=9N(F=-15N舍去).
【答案】 (1)W=4.5J;(2)F=9N
暑假作业十一
有问必答·固双基
1.减少的重力势能转化成了动能.
2.动能减少了,重力势能增加了.减少的动能转化为重力
势能.
3.在只有重力或弹力做功的物体系统内,动能与势能可以相
互转化,而总的机械能保持不变.
24