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必修 第二册1 功与功率精品课件ppt
展开功的概念起源于早期工业发展的需要
19世纪20年代,法国数学家、工程学家、科学家科里奥利最早研究一般意义上的机器,并将“力在一定距离内对物体的效果”称为功。1829年,他发表了《机器功效的计算》一书,在书中明确提出了功的概念。
初中:力与物体在力的方向上通过的距离的乘积,是一个有物理意义的量,在物理学中,我们把这一乘积称为机械功,简称功。 功用W表示功,F表示力,s表示物体在力的方向上通过的距离,则功的公式为:W = Fs
实例:一质量为m=2kg的物体置于μ=0.2的水平面上。g=10m/s2,则:
1)用水平拉力F=3N拉物体,求在4s时间中F对物体做的功
做功的两个要素是:力和在力方向上的位移
2)用水平拉力F=10N拉物体,求拉了4m中F对物体做的功
3)用水平拉力F=10N拉物体,求拉了4m中G、N分别对物体做的功
1、功的概念:一个物体受到力的作用,如果在力的方向上发生一段位移,力就对物体做了功。2、做功的两个必要因素:力和在力的方向上发生的位移。
人对水桶的拉力是竖直向上的,水桶只在水平方向上有位移,而在竖直方向没有位移,所以人对水桶没有做功。
人水平推小车走了一段距离,车在水平力的作用下有了水平方向上的位移,所以人对车做了功。
如图所示,一个物体在与水平面夹角为α、大小为F的力作用下沿着水平方向运动,位移为l,则力对物体所做的功是多少?
把力F分解为两个分力;跟位移方向一致的分力F1,跟位移方向垂直的分力F2,设物体在力F的作用下发生的位移的大小是l,则分力F1所做的功等于F1l。分力F2的方向跟位移的方向垂直,物体在F2的方向上没有发生位移,F2所做的功等于0。
因此,力F对物体所做的功W等于F1l,F1=Fcsα,所以: W=Flcsα
将位移沿力的方向和垂直于力的方向分解,分别为l1和l2。此时力F做的功W=Fl1 。因为l1=lcsα,所以,W=Flcsα
力对物体所做的功,等于力的大小、位移的大小、力和位移的夹角的余弦这三者的乘积。
功是一个标量。在国际单位制中单位是焦耳,简称焦,符号是J。 1J等于1N的力使物体在力的方向上发生1m的位移时所做的功。1J=1N×1m=1N•m
练习、两质量相等的物体A、B分别放在粗糙水平面上和光滑的水平面上,在同样的拉力F作用下,产生相同的位移S,则拉力: A、对A做的功多 B、对B做功多 C、一样多 D、以上都有可能
力对物体做的功只与F、 l 、 α三者有关,与物体的运动状态等因素无关
1.公式只能用于求恒力的功,如果力是变力,无论力的大小变化,还是力的方向变化,都不能直接用该公式求解;2.α角是“力的方向和位移方向的夹角”,而不是题目中的某一个以α命名的角;3.功与物体受力后通过这段位移做什么运动无关;4. 同一物体的运动,相对于不同的参照系,位移是不同的,故为避免结果的“不确定性”在计算功时,位移都是以地面为参照系的。
公式中的F和l分别指“力的大小”和“位移的大小”,即公式中F和l恒取正值。公式应为W=|F|·|l|csα。 可见W有正负,且正负取决于csα的正负,也就是α的大小。 由于功是标量,W的正负并不表示功有方向。
(1)当α=π/2时,csα=0,W=0。这表示力F的方向跟位移l的方向垂直,力F不做功。
如小球在水平桌面上运动时,重力G和支持力FN都跟位移方向垂直,这两个力不做功。
(2)当α<π/2时,csα>0,W>0。这表示力F对物体做正功。力F对物体产生位移有一定的贡献。(促进运动,动力做功)
如人用力拉车前进时,人的拉力F对车做正功。
(3)当π/2 <α≤ π时,csα<0,W<0。这表示力F对物体做负功.F对物体产生位移起着阻碍的作用。(阻碍运动,阻力做功)
如推着小车跑动的人,到达目的地减速时,人向后拉车的力F对车做负功.
某力对物体做负功,往往说成“物体克服某力做功”(取绝对值)。这两种说法的意义是等同的。 例如,竖直向上抛出的球,在向上运动的过程中,重力对球做负功,可以说成“球克服重力做功”。汽车关闭发动机以后,在阻力的作用下逐渐停下来,阻力对汽车做负功,可以说成“汽车克服阻力做功”。
练习、关于功的论述,下列说法正确的是: A、大的力一定比小的力做的功多 B、+5J的功比-5J的功多 C、+10J功比+5J的功多 D、力F做功-5J表示物体克服力F做功5J
要点:功的正负不表示功的大小,表示动力还是阻力,比较大小要看绝对值。
思考与讨论:摩擦力是否一定做负功?
在日常生活中,一个物体往往是在几个力的共同作用下发生一段位移时,那么如何计算这几个力对物体所做的总功。
一辆质量m=2kg的小车,受到与水平方向成37°角斜向上方的拉力F1=10N,在水平地面上移动的距离l=2m。小车与地面间的摩擦力F2=4.2N。求外力对小车所做的总功。
方法一:解:小车所受到的合力为: F合 = F1x-F2 = F1cs37°–F2 外力对小车所做的总功为: W = F合lcs0°=(F1cs37°-F2)lcs0° = F1lcs37°–F2s = 16J +(-8.4J)= 7.6J
方法二:解:拉力F1对小车所做的功为: W1=F1l csα1= F1l cs37° 摩擦力F2对小车所组的功为: W2=F2l csα2= F2lcs180° 外力对小车所做的总功W等于W1和W2的代数和: W=W1+W2= F1lcs37°+F2lcs180° =16J+(-8.4J)=7.6J
方法二:求出各个力所做的功,则总功等于各个力所做功的代数和。注意要代入功的正、负号。
方法一:先求出各个力的合力,则总功等于合力所做的功。(要求各个力都是恒力,且作用时间相同(位移形态))
【例】如图所示,在一倾角为370的固定斜面上,有一质量m=1kg的物体在沿斜面向上的拉力F=24N作用下运动,已知μ=0.5、g=10m/s2。则在上移2m的位移中:1)F、G、N各对物体做的功 2)物体克服重力做的功 3)物体克服摩擦力做的功 4)合力对物体做的功5)斜面光滑,则在上移2m的位移中F、G、N又各做的功
2.微元法: 过程无限分小后, 可认为每小段是恒力做功。
4.利用F-l图像:F- l图线与坐标轴所包围的面积即是力F做功的数值。
*5.已知变力做功的平均功率P,则功W=Pt。
*6.用动能定理进行求解:W=ΔEK 或功能关系.
1.转化为恒力功: 通过转换研究对象变为恒力做功
1、等值法(转化为恒力做功)
【例】如图,定滑轮至滑块的高度为h,已知细绳的拉力为F(恒定),滑块沿水平面由A点前进S至B点,滑块在初、末位置时细绳与水平方向夹角分别为α和β。求滑块由A点运动到B点过程中,绳的拉力对滑块所做的功。
【例】如图所示,某力F=10N作用于半径R=1m的转盘的边缘上,力F的大小保持不变,但方向始终保持与作用点的切线方向一致,则转动一周这个力F做的总功应为:
A、 0J B、20πJ C 、10J D、20J
解析:把圆周分成无限个小元段,每个小元段可认为与力在同一直线上,故ΔW=FΔS,则转一周中各个小元段做功的代数和为W=F×2πR=10×2πJ=20πJ,故B正确。
如果力的方向不变,力的大小对位移按线性规律变化时,可用力的算术平均值(恒力)代替变力,利用功的定义式求功。
【例】一辆汽车质量为105kg,从静止开始运动,其阻力为车重的0.05倍。其牵引力的大小与车前进的距离变化关系为F=103x+f0,f0是车所受的阻力。当车前进100m时,牵引力做的功是多少?
解析:由于车的牵引力和位移的关系为F=103x+f0,是线性关系,由题意可知f0=0.05×105×10N=5×104N,所以前进100m过程中的平均牵引力:
∴W=1×105×100J=1×107J。
1.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,还可以不做功。
(2)在静摩擦力做功的过程中,只有机械能的相互转移(静摩擦力起着传递机械能的作用),而没有机械能转化为其他形式的能.
(3)相互摩擦的系统内,一对静摩擦力所做功的代数和总为零。
【例】AB两物体叠放在水平面上,保持相对静止一起向右做匀加速运动移动S,则摩擦力f1对A做———功,f2对B做———功。
W1=f S W2= - f S W1 + W2= 0
【例】小木块置于旋转的水平转台上,随转台一起匀速转动,小木块受到的摩擦力对木块做——功。
若小木块随转台一起加速转动而没有相对滑动,则小木块受到的摩擦力对木块做————功。
2.滑动摩擦力做功的特点:
(1)可以对物体做正功,负功,也可以不做功。
(2)一对滑动摩擦力做功的过程中,能量的转化有两个方面:一是相互摩擦的物体之间机械能的转移;二是机械能转化为内能。
(3)一对滑动摩擦力做功的代数和等于 –fΔS,式中ΔS指物体间的相对位移
(4)转化为内能的量值等于滑动摩擦力与相对位移的乘积,即W=Q(即摩擦生热).
(5)滑动摩擦力、空气摩擦阻力等,在曲线运动或往返运动时等于力和路程(不是位移)的乘积
【例】AB两物体叠放在水平面上,A物体用线系在墙上,B 物体在力 F作用下向右运动,则f1对A做————功,f2对B做————功。
【例】正在运动的水平传送带上轻轻放一个小木块,小木块受到的摩擦力对小木块做————功。
开始物体在摩擦力的作用下做匀加速运动,摩擦力对物体做正功。
达到速度v后,物体不受摩擦力,做匀速运动,不做功.
【例】AB两物体叠放在水平面上,A物体在力 F作用下在B物体上相对滑动,则f1对A做————功,f2对B做————功。
W1 + W2= f(S2 - S1 )= - f Δ S
六、一对相互作用力做功特点
一对相互作用力可以同时做正功,也可以同时做负功,
一对相互作用力也可以作用力做正功,反作用力做负功, 反作用力不做功
一对相互作用力也可以作用力做负功, 反作用力不做功
不要以为作用力与反作用力大小相等、方向相反,就一定有作用力、反作用力的功数值相等,一正一负.作用力与反作用力做功不一定相等.
【例】质量为M的长板放在光滑水平面上,一个质量为m的滑块以速度v沿木板表面从A点滑到B点,在木板上前进了L,而木板在水平面上前进了s,如图,设滑块与木板间的动摩擦因数为求:
(1)摩擦力对滑块做的功;(2)摩擦力对木板做的功;(3)摩擦力做的总功;
【解析】分别对滑块和木板进行受力分析,如图所示.f=mg,f = f′ 摩擦力对滑块做的功为:Wm=-f(s+L)=-mg(s+L),摩擦力对木板做的功为:WM=f′·s=mg·s,摩擦力做的总功为:W=Wm+WM=-mgL,
摩擦力是阻力(对滑块)时,它所做的功是负功;摩擦力是动力(对木板)时,它所做的功是正功。我们还体会到摩擦力f和f′虽然是一对作用力和反作用力,但它们做的功却不一定相等.
【例】如图所示,在光滑水平面上放一木板,木板的左端放一物体,对物体施加一水平恒力F,将物体由静止开始从木板右端拉出,如果第一次木板被固定在地面上,第二次木板未被固定,则这两种情况下( )(A)摩擦力大小相同 (B)F做的功相同(C)摩擦产生热相同 (D)物体获得的动能相同
起重机提起货物,拉力做功,重力势能增大。
机车牵引车厢加速行驶,牵引力做功,动能增加。
手握弹簧,压力做功,弹性势能增加。
如果在力的作用下,物体的能量发生了变化,则这个力对物体做了功,做功对应某种能量的变化。
思考:在这些能量变化过程中是否具有共同点?
1、做功的因素:力和物体在力的方向上发生的位移;2、功的公式:W=Flcsα 力对物体所做的功,等于力的大小、位移的大小、力和位移的夹角的余弦这三者的乘积;3、功的国际单位:焦耳 功是标量;4、功的正、负;5、总功的求法:(1)求出各个力所做的功,则总功等于各个力所做功的代数和;(2)先求出各个力的合力,则总功等于合力所做的功。6、变力功的求法
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