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【期末专项复习】2022-2023学年人教版八年级物理下册期末专项练习:专题05 功和机械能(原卷版+解析版)
展开专题五:功和机械能(解析版)
思维导图
知识点回顾
一、功
1.功的定义:一个力作用在物体上,使物体在 力的方向上通过一段 距离 ,这个力就对物体做了功。
2.功的两个必要条件:① 有力作用在物体上;② 物体在力的方向上通过了距离。
3.不做功的三种情况:有力无距离(如图(1)静止在桌面上的茶杯,受到重力和桌面对它的支持力的作用);有距离无力(如图(2),小球在光滑的桌面上运动,小球不受力的作用力)、力和距离垂直(如图(3)小球在光滑桌面上匀速运动,重力和支持力与运动方向垂直)。
图(1)茶杯受到重力和支持力作用,但无运动
图(2)在光滑的桌面上匀速运动的小球不受力的作用
图(3)沿水桌面运动的小球,它受到的重力和支持力与运动方向垂直
4.功的公式:功等于力跟物体在力的方向上通过的距离的乘积。公式:。
5.功的单位:国际单位制中,功的单位是:焦耳,符号是J,1J= 1N·m 。
6.功的公式的应用:①分清哪个力对物体做功,计算时F就是这个力;②公式中S一定是在力的方向上通过的距离,强调对应;③功的单位“焦”(牛·米 = 焦),不是力和力臂的乘积(牛·米,力臂单位不能写成“焦”)。
二、功率
1.定义:单位时间里完成的功;或说成:单位时间内力作做的功。
2.功率的物理意义:功率是表示力做功快慢的物理量;即单位时间内完成的功。
3.公式:。
4.单位:在国际单位制中,功率单位是瓦特,符号是 W 。常用单位还有千瓦(kW)、马力。
换算关系:。
5.功率公式的解释:(1)物体在拉力F的作用下,以速度v沿拉力的方向做匀速直线运动,则拉力做功的功率等于力与物体速度的乘积,即。
(2)利用该公式时要注意:拉力F必须是恒力,且物体运动的速度应不变;v的单位必须用m/s,这样算出的功率单位才是W;速度v跟拉力F必须对应,即v必须是受到拉力的物体在拉力的方向上移动的速度。
三、动能和势能
(一)动能
1.什么是动能:物体由于运动而具有的能。如图(1)所示,物体都具有动能。
行驶的汽车
飞翔的小鸟
空中的客机
自由下落的小球
图(1)运动的物体
2.影响动能的因素
物体动能的大小与两个因素有关:一是物体的质量,二是物体运动的速度大小。当物体的质量一定时,物体运动的速度越大其动能越大,物体的速度越小其动能越小;具有相同运动速度的物体,质量越大动能越大,质量越小动能越小。
3.动能是“由于运动”而产生的,一定不要把它理解成“运动的物体具有的能量叫动能”,不运动的物体也具有能量,但不具有动能。例如在空中飞行的飞机,不但有动能而且还具有其它形式的能量。
(二)势能
1.重力势能:物体由于被举高而具有的能量,叫做重力势能。
(1)重力势能的大小与质量和高度有关。物体的质量越大,被举得越高,则它的重力势能越大。
(2)重力势能是“被举高”这个原因而产生的,一定不要把它理解成“被举高的物体具有的能量叫重力势能”,被举高的物体具有重力势能,同时也具有其他形式能量。例如在空中飞行的飞机,不但有重力势能而且还具有其它形式的能量。
2.弹性势能:物体由于发生弹性形变,而具有的能叫做弹性势能。如图(2)所示,撑杆跳高时弯曲的杆、拉开的弓箭都具有弹性势能。
弹性势能的大小与弹性形变的程度有关;形变程度越大,其弹性势能越大。
撑杆跳高
拉开的弓箭
图(2)物体的形变
四、机械能及其转化
1.动能、重力势能和弹性势能统称为机械能。
2.动能与势能的相互转化
(1)在一定的条件下,动能和重力势能之间可以相互转化。如将一块小石块,从低处抛向高处,再从高下落的过程中,先是动能转化为重力势能,后又是重力势转化为动能。
(2)在一定的条件下,动能和弹性势能之间可以相互转化。如跳水运动员,在起跳的过程中,压跳板是动能转化为弹性势能,跳板将运动员反弹起来是弹性势能转化为动能。
(3)机械能守恒:如果一个过程中,只有动能和势能相互转化,机械能的总和就保持不变,这个规律叫做机械能守恒。
命题点解析
命题点一:不做功的三种情况
例1.如图所示,冰壶被推出后,由于 冰壶继续向前运动;冰壶自由滑行过程中运动员对冰壶 (选填“有”或“没有”)做功;受阻力影响冰壶最终停止运动,这说明力是 (选填“维持”或“改变”)物体运动状态的原因。
【答案】惯性;没有;改变
【解析】冰壶被推出后,由于惯性会继续保持原来的运动状态,继续向前运动。
冰壶自由滑行过程中,运动员没有对冰壶施加力的作用,因此运动员对冰壶没有做功。
冰壶最终停止是受到摩擦力的作用,冰壶由运动变为静止,运动状态发生改变,说明了力是改变物体运动状态的原因。
【方法点拨】不做功的三种情况:有力无距离;有距离无力;力和距离垂直。
命题点二:功和功率的计算
例2.如图甲所示,小林用水平推力F推动水平地面上的一木块,此过程中,推力F和木块前进的速度v的大小随时间t的变化情况分别如图乙、丙所示。则3s~5s推力F对木块所做的功为 J, 5~6s木块受到的摩擦力大小为 N。若已知在1s~3s内,木块水平移动的距离为1m,则在1s~3s内,木块克服摩擦力做的功为 J。
【答案】400;200;200
【解析】由图丙可知,3s~5s物体以1m/s的速度做匀速直线运动,木块运动的路程为s=vt=1m/s×2s=2m,由图乙可知,3s~5s推力大小为200N,则3s~5s推力F对木块所做的功为W=Fs=200N×2m=400J
3s~5s时,由于木块做匀速直线运动,木块受到的摩擦力和推力是一对平衡力,大小相等f=F=200N,5~6s木块做减速运动,但与3s~5s时相比,接触面的粗糙程度和木块对水平地面的压力不变,木块受到的滑动摩擦力不变,仍为200N。同理,1s~3s内,物体受到摩擦力也为200N,木块克服摩擦力做的功为W′=fs=200N×1m=200J
例3.图甲中,物块A在水平拉力F的作用下由静止沿粗糙程度均匀的水平面向右运动,拉力F随时间t变化的关系如图乙。图丙是从t=0开始每隔2s记录一次物块A的位置,下列说法正确的是( )
A.6~12s内物块A所受的摩擦力为9N
B.6~12s内拉力F做功的功率保持不变
C.12~18s内拉力F做功的功率为0.36W
D.12~18s内物块A克服摩擦力做功216J
【答案】C
【解析】A.由丙图可知,6~12s内物块A的速度不断增加,做加速直线运动,物体受到的是非平衡力,初中知识不能求解,由丙图可知,物体在12~18s内做匀速直线运动,受力平衡,滑动摩擦力的大小等于拉力的大小,由图乙可知,此时物块A受到的拉力为6N,所以滑动摩擦力也为6N,6~12s内物块A受到的摩擦力为滑动摩擦力,且物体对地面的压力和地面的粗糙程度没有变化,所以滑动摩擦力没有变化,所以摩擦力为 6N,A不符合题意;
B.由丙图可知,6~12s内物块A的速度不断增加,做加速直线运动,根据功率的推导公式可知,由图乙可知,F拉力不变,v不断增大,所以6~12s内拉力F做功的功率不断增加,B不符合题意;。
CD.已知12~18s内拉力为6N,摩擦力也为6N,由图丙可知,物体移动的距离为
克服摩擦力所做的功为
拉力所做的共为
拉力的功率为
C符合题意,D不符合题意。
故答案为:C。
命题点三:判断动能和势能的变化
例4.2022年6月5日,我国成功发射神舟十四号载人飞船。在宇航员随着飞船一起加速上升的过程中,宇航员的质量 ,动能 ,势能 。(三空均选填“增大”、“减小”或“不变”)
【答案】不变;增大;增大
【解析】质量是物体的一种属性,不随位置的改变而改变,宇航员在随火箭加速上升的过程中,质量不变,高度变大,则重力势能变大,加速上升过程中速度变大,则动能变大。
例5.北京冬奥会于2022年2月4日开幕,中国运动员谷爱凌在自由式滑雪女子大跳台项目中获得金牌。如图所示,比赛过程中,运动员由助滑区高速滑下,通过过渡区后沿起跳台的斜坡起跳,上升到空中做各种动作,最后落地并滑到终点。运动员由起跳台的斜坡起跳上升后( )
A.动能增大,重力势能减少 B.动能增大,重力势能增加
C.动能减小,重力势能增加 D.动能减小,重力势能减少
【答案】C
【解析】运动员由起跳台的斜坡起跳上升后,质量不变,高度升高,重力势能增加,速度降低,动能减小,ABD不符合题意,C符合题意。
故答案为:C。
命题点四:动能和势能的转化
例6.如图,弹簧的左端固定,右端连接一个小球,把它们套在光滑的水平杆上,a是压缩弹簧后小球静止释放的位置,b是弹簧原长时小球的位置,c是小球到达最右端的位置。则小球从a运动到c的过程中,在 (选填“a”、“b”或“c”)位置动能最大;从b到c的过程中,小球的动能转化为弹簧的 ,小球从a运动到b的过程机械能总量 (选填“变大”、“变小”或“不变”)。
【答案】b;弹性势能;变大
【解析】由题意可知,小球从a运动到b的过程中,弹簧的形变程度减小,其弹性势能减小,小球的速度变大,动能变大,弹簧的弹性势能转化为小球的动能,而小球的重力势能不变,所以小球的机械能总量变大;到达b点时,弹簧恢复原状,不计摩擦阻力,其弹性势能全部转化为小球的动能;再从b运动到c时,弹簧被拉伸,小球的动能再逐渐转化为弹簧的弹性势能,小球的动能会变小。因此,在b点时小球的动能最大。
例7.如图AOB是光滑轨道,A点的高度H大于B点的高度h,让小球从A点由静止开始自由滑下时, 能转化 能,小球沿轨道AOB到达B点后离开(不计空气阻力),则小球离开B点后的运动轨迹最符合实际的是 。
【答案】重力势;动;c
【解析】小球从光滑轨道由静止自由滑下时,高度变小,而速度变大,整个过程质量不变,所以是重力势能转化为动能。 由题意可知,不计空气阻力,轨道又是光滑的,没有摩擦力,小球只在重力作用下运动,机械能守恒;小球离开B点后做斜抛运动,当达到最高点时速度沿水平方向,由机械能守恒定律得,则a种运动轨迹不符合实际,因为a种轨迹的最高点高于A点,即最高点时的机械能大于A点;b种运动轨迹的最高点与A点相同,但其最高点有水平方向的动能,则此时最高点的机械能也大于A点的机械能,那么小球离开B点后的最高高度应稍低于A点,所以b种运动轨迹不符合实际,C符合题意;而小球离开B点时有斜向上的速度,所以应是向上冲出的,所以d种轨迹不符合实际。
跟踪训练
一、选择题
1.要测量小敏同学上楼梯时的功率,不需要测量他的( )
A.质量 B.通过的楼梯高度
C.通过的路程 D.上楼梯所用的时间
【答案】C
【解析】【解答】小敏同学上楼梯的过程就是克服其重力做功的过程,根据功率的计算公式
需要测量的物理量有人的质量、楼梯的竖直高度、登楼所用的时间,不需要测量通过的路程,C符合题意,ABD不符合题意。
故答案为:C。
2.如图所示,生活情境中有力对物体做功的是( )
A. 吊着重物水平移动
B. 用力将杠铃举起
C. 用力推车没动
D. 背着书包等车
【答案】B
【解析】A.吊着重物水平移动距离,对重物有施力,但重物没有在力的方向上通过距离,所以力对物体不做功,A不符合题意;
B.用力将杠铃举起,对杠铃有施力,且杠铃在力的方向上通过了距离,所以力对杠铃做了功,B符合题意;
C.用力推车没动,对车有施力,但车在力的方向上通过距离的距离为0,所以力对车不做功,C不符合题意;
D.背着书包等车,对书包有施力,但书包没有在力的方向上通过距离,所以力对书包不做功,D不符合题意。
故答案为:B。
3.下列现象中,物体的动能转化为重力势能的是( )
A.甲:人骑自行车从高处冲下 B.乙:运动员拉开弓射箭
C.丙:人从最低点向上荡秋千 D.丁:人乘电梯匀速上行
【答案】C
【解析】A.人骑自行车从高处冲下,高度降低,速度变大,重力势能转化为动能,A不符合题意;
B.运动员拉开弓射箭,使弓箭具有弹性势能,B不符合题意;
C.人从最低点向上荡秋千,高度变大,速度减小,动能转化为重力势能,C符合题意;
D.人乘电梯匀速上行,速度不变,动能不变,高度增大,重力势能增大,机械能增大,D不符合题意。
故答案为:C。
4.如图所示,是跳远运动的几个主要阶段示意图。下面关于运动员能量的说法正确的是( )
A.助跑过程中机械能始终保持不变
B.从最高点到落地过程中动能由重力势能转化
C.从起跳到最高点过程中势能与动能越来越大
D.运动员在跳到最高点时动能为零
【答案】B
【解析】A.助跑过程中,运动员的质量不变,高度不变,重力势能不变,速度变大,动能变大,所以机械能变大,A不符合题意;
B.从最高点到落地过程中,质量不变,高度变小,重力势能变小,速度变大,动能变大,是重力势能转化为动能,B符合题意;
C.从起跳到最高点过程中,质量不变,速度变小,动能变小,高度变大,重力势能变大,C不符合题意;
D.运动员在跳到最高点时在水平方向上有一定的速度,动能不为零,D不符合题意。
故答案为:B。
5.如图,质量为m的小环穿在固定的光滑曲杆上,从某点A静止释放后沿曲杆运动,若不计空气阻力,则环在运动过程中,下列判断正确的是( )
A.只要A点高于D点,小环就一定能到达D点
B.小环从A点到B点,动能一直增加,机械能不变
C.小环从A点到D点,重力势能一直减小,机械能不变
D.若小环能到达D点,小球到达C点时的动能为0
【答案】B
【解析】A. A点高于D点,但低于C点,则小环在A点的重力势能小于C点的重力势能,小环无法越过C点,所以小环就不能到达D点,A不符合题意;
B.小环从A点到B点,高度降低,重力势能转化为动能,所以动能一直增加,由于曲杆光滑,没有能量损失,所以机械能保持不变,B符合题意;
C.小环从A点到B点,重力势能减小,从B点到C点,重力势能增大,从C点到D点,重力势能又减小,C不符合题意;
D.若小环能到达D点,则小环到达C点时仍要向右继续运动,所以小环到达C点时有向右运动的速度,即小球到达C点时的动能不为0,D不符合题意。
故答案为:B。
6.如图所示,完全相同的两个小球A、B分别与轻质棉线和轻质弹簧连接,将两球拉高使棉线与弹簧在同一水平方向上,此时弹簧处于原长状态,且弹簧原长长度(O'B)小于棉线长度(OA),由静止释放后,两球运动到最低点时在同一水平面上(不计空气阻力),关于小球A、B在这一段运动过程能量变化的描述,下面说法正确的是( )
A.两个小球A,B的机械能保持不变,最低点时两球的动能相等
B.两个小球A,B的机械能保持不变,最低点时A球的动能大于B球的动能
C.两个小球A,B的机械能保持不变,最低点时A球的动能小于B球的动能
D.A球的机械能不变,B球的机械能减少,最低点时A球的动能大于B球的动能
【答案】D
【解析】重力势能与物体的质量和高度有关,完全相同的两个小球A、B在同一水平方向上由静止释放时重力势能相同,不计空气阻力,释放后两球运动到最低点的过程中,A球的重力势能转化为动能,而B球的重力势能转化为动能和弹簧的弹性势能。因为B球的重力势能有一部分转化成弹簧的弹性势能,所以,A球的机械能不变,B球的机械能减少,两个小球在最低点时,A球的动能大于B球的动能,D符合题意,ABC不符合题意。
故答案为:D。
7.如图甲所示,将一个带孔的金属球和一根弹簧套在铁架台的金属杆上,现将小球提到A点后松手,小球的高度随时间变化情况如图乙所示,下列说法正确的是( )
A.弹簧的原长为50cm
B.0~t1过程中,小球的动能先增大后减小
C.0~t1过程中,小球的减少的机械能等于弹簧增加的弹性势能
D.小球在t1时刻的动能大于在t2时刻的动能
【答案】D
【解析】A.由图乙可知当弹力与重力平衡时,弹簧的长度为50cm,由于此时弹簧处于压缩状态,所以弹簧原来的长度应大于50cm,A不符合题意;
B.0~t1过程中,未接触弹簧前,小球在重力的作用下向下做加速运动;接触弹簧后,开始的弹力小于重力,小球继续做加速运动,在t1时刻,小球的重力与弹力大小相等,此时小球的动能最大,故0~t1过程中小球的动能一直增大,B不符合题意;
C.小球在运动的过程中,克服空气的阻力做功,一部分机械能转化为内能,所以0~t1过程中,小球的减少的机械能大于弹簧增加的弹性势能,C不符合题意;
D.在t1、t2两个时刻,由于能量的损失,t1时刻的速度最大,所以小球在t1时刻的动能大于在t2时刻的动能,D符合题意。
故答案为:D。
二、填空题
8.如图所示,一座天桥隐藏在雾中不知通向何方。小亮从地面往桥上跑,他的重力势能 变大,他的动能 变小。(以上两空均填“可能”或“一定”)
【答案】一定;可能
【解析】小亮从地面往桥上跑,他的质量不变,高度变大,重力势能一定变大。
质量不变,由于不知道速度的大小,所以无法判定动能的大小变化,所以动能可能变大、可能变小、也可能不变。
9.小明用20N的水平推力,用时5s将重150N的购物车沿水平地面向前推动10m,则推力对购物车做功 J,重力对购物车做功 J,推力做功的功率 W。
【答案】200;0;40
【解析】推力对购物车做功W=Fs=20N×10m=200J
购物车在水平地面上移动10m,重力的方向竖直向下,购物车没有在重力的方向上移动距离,所以重力不做功,即购物车的重力做功为0J。
推力做功的功率
10.2022年4月16日,神州十三号载人飞船返回舱顺利降落在东风着陆场附近。在距离地面1m左右时,返回舱启动反推式发动机,将返回舱落地速度降为2m/s,如图所示。发动机喷火使返回舱减速下降,说明了物体间力的作用是 的,又说明了力可以改变物体的 ,在此过程中,返回舱的机械能 (选填“变大”、“变小”或“不变”)
【答案】相互;运动状态;变小
【解析】反推式发动机向下喷火,根据力的作用是相互的,燃气会对返回舱有一个向上的推力,达到减速的效果。
返回舱的速度减小,运动状态发生改变,说明力可以改变物体的运动状态。
返回舱质量不变,速度变小,高度降低,则动能变小,重力势能变小,所以机械能变小。
11.“高空抛物”已成为城市的痛,一个50g的鸡蛋从高约70m的25楼落下,可使人当场死亡,说明鸡蛋的重力势能与质量和 有关,重力做的功为 J。鸡蛋在下落过程中,重力势能 (填“变大”、 “变小”或“不变”),机械能 (选填“守恒”或“不守恒”)。(g取10N/kg)
【答案】高度;35;减小;不守恒
【解析】鸡蛋从越高的地方落下,造成的危害越大,所以重力势能与高度有关。50g的鸡蛋从高约70m的25楼落下,重力做功
鸡蛋在下落过程中,高度逐渐降低,重力势能逐渐减小。
鸡蛋在下落过程中,受到空气阻力,机械能转化为内能,机械能减少,故机械能不守恒。
12.如图所示,一辆洒水车正在给平直的路面进行冲洗,冲洗路面的过程中洒水车始终做匀速直线运动,则冲洗路面的过程中洒水车动能 ,机械能 。(两空均选填“变大”、“变小”或“不变”)
【答案】变小;变小
【解析】在匀速洒水过程,洒水车的质量变小,速度不变,高度不变,所以动能变小,重力势能变小;机械能是动能个势能的总和,所以机械能变小。
13.如图所示,荡秋千的人由高处向下运动时会下蹲身体,降低重心的高度,尽可能多地将 ;由最低点向上摆动时会直立身体,克服身体重力做功,增加 能。如此循环往复,秋千就越荡越高机械能总量 (填“增大”或“者减小”)。
【答案】重力势能转化为动能;重力势;增大
【解析】当人从高处向下摆时,身体由直立变为下蹲,此过程降低重心高度,可以获得更大的速度,将更多的重力势能转化为动能。
从最低点向上摆时,用力将身体由下蹲变为直立,此过程克服身体重力做功,此时高度增加,重力势能增大,从而增加了重力势能。
往复过程中,秋千能到达的最高点越来越高,说明秋千的最大重力势能越来越大,所以秋千的机械能总量在增大。
14.弹跳杆运动是一项广受欢迎的运动。其结构如图甲所示,图乙是小金玩弹跳杆时由最低位置上升到最高位置的过程,其中b是弹簧处在原长的状态。在玩弹跳杆过程中,小金在 (选填“b前某”、“b”或“b后某”)时具有的动能最大;在b→c的过程中, 转化成小金的重力势能。
【答案】b前某;小金的动能
【解析】根据题意可知,a→c的过程中,小金先加速后减速,在到达b之前,当弹簧的弹力等于人的重力时,小金的速度最大,动能最大,即b前某时的动能是最大的。
b→c的过程中,即离开地面上升的过程,小金的质量不变,速度减小,动能减小,高度增大,重力势能增大,所以该过程中是小金的动能转化为小金的重力势能。
三、计算题
15.在建的济南轨道交通6号线全线长约40km,计划采用的地铁机车最高时速为80km/h,列车质量大约为3×104kg,行驶过程中列车受到的阻力为1×104N(取g=10N/kg)请计算:
(1)已知地铁列车与轨道的接触面积约为500cm²,则该列车在平直轨道上静止时,对轨道的压强多大?
(2)若地铁列车以最高时速行驶,单程直达耗时多少?
(3)若地铁列车在平直轨道上匀速行驶全程,则牵引机车做功多少?
【答案】解:(1)列车的重力
对轨道的压强
(2)地铁列车以最高时速行驶,单程直达耗时
(3)地铁列车在平直轨道上匀速行驶全程,根据二力平衡原理可得
牵引机车做功
【解析】(1)根据公式,可求出压强;
(2)根据公式,可求出时间;
(3)根据公式W=Fs,可求出功。
16.北京冬奥会使用了功能各异的各种机器人。如图所示是一种服务机器人,质量为40kg,机器人在水平地面上运动时,由内置电动机向机器人提供的水平动力F。求:
(1)该机器人所提供的水平动力为400N时,在水平地面上匀速直线运动了3m,动力F做了多少功?
(2)提供相同动力时,该机器人在相同的水平地面上以0.4m/s速度匀速直线运动时,水平动力的功率是多大?
【答案】解:(1)水平动力做的功W=Fs=400N×3m=1200J
(2)根据
可知水平动力的功率为P=Fv=400N×0.4m/s=160W
【解析】(1)根据力和距离的乘积计算做功多少;
(2)根据力和速度的乘积,计算功率的大小。
17.爸爸开满载质量为1.8×103kg的小轿车带小明去旅行,如图所示,汽车行驶过程中牵引力的功率恒为1.2×105W。汽车从启动到匀速运动之前行驶的路程为150m,汽车匀速运动过程中受到的阻力保持不变,运动的速度v与时间t的关系如图所示,则:(g=10N/kg)
(1)在10s内,牵引力做了多少功?
(2)小轿车匀速运动时,牵引力是多少?
(3)当汽车牵引力做功7.2×106J时,汽车行驶路程多少米。
【答案】解:(1)牵引力的功率恒为1.2×105W,在10s内牵引力做的功W=Pt=1.2×105W×10s=1.2×106J
(2)由图象可知,在10~15s内,汽车匀速直线运动,速度为v=30m/s,根据
可知运动过程中受到的牵引力
(3)汽车从启动到匀速运动之前牵引力做的功W=1.2×106J
当汽车牵引力做功7.2×106J时,匀速行驶牵引力做的功W′=W总-W=7.2×106J-1.2×106J=6×106J
汽车匀速行驶路程
汽车总的路程s总=s1+s=150m+1500m=1650m
【解析】(1)根据公式W=Pt,可求出功;
(2)根据公式P=Fv,可求出牵引力;
(3)根据公式W=Fs,可求出路程。
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