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专题6.1 功和功率、动能定理的应用【练】
目录
一.练经典题型.............................................................................................................................................................1
二、练创新情景.............................................................................................................................................................4
三.练规范解答.............................................................................................................................................................9
一.练经典题型
1.(2020·广西南宁模拟)关于功的概念,下列说法正确的是 ( )
A.物体受力越大,位移越大,力对物体做功越多
B.合力的功等于各分力功的矢量和
C.摩擦力可以对物体做正功
D.功有正、负,但正、负不表示方向,而表示大小
【答案】:C
【解析】:因功的决定因素为力、位移及二者的夹角,若力大、位移大,但两者夹角为90°时,则做功为
0,选项A错误;合力的功等于各分力功的代数和,选项 B错误;摩擦力可以做正功,也可以做负功,这
要看摩擦力与位移的方向关系,选项C正确;功是标量,有正、负之分,但功的正、负不是表示方向,而
是表示力对物体做功的效果,所以选项D错误.
2.一物体所受的力F随位移x变化的图象如图所示,求在这一过程中,力F对物体做的功为( )
A.3 J B.6 JC.7 J D.8 J
【答案】:B
【解析】:力F对物体做的功等于图线与横轴x所包围面积的代数和,即
W=×(3+4)×2 J=7 J
1
W=×(5-4)×2 J=1 J
2
所以力F对物体做的功为
W=W-W=7 J-1 J=6 J.
1 2
故选项B正确.
3.(2021·白银模拟)如图所示,小物块甲从竖直固定的光滑圆弧轨道顶端由静止滑下,轨道半径为R,圆弧
底端切线水平。小物块乙从高为R的光滑斜面顶端由静止滑下。下列判断正确的是( )
A.两物块到达底端时速度相同
B.两物块运动到底端的过程中重力做功相同
C.两物块到达底端时动能相同
D.两物块到达底端时,重力对乙做功的瞬时功率大于重力对甲做功的瞬时功率
【答案】D
【解析】两物块下落的高度相同,根据动能定理,有mgR=mv2,解得v=,可知两物块到达底端时的速度
大小相等,但方向不同,A错误;两物块的质量大小关系不确定,故无法判断两物块运动到底端时重力做
的功及动能是否相同,B、C错误;在底端时,重力对甲做功的瞬时功率为零,重力对乙做功的瞬时功率
大于零,D正确。
4.质量为2 kg的小铁球从某一高度由静止释放,经3 s到达地面,不计空气阻力,g取10 m/s2。则( )
A.2 s末重力的瞬时功率为200 W
B.2 s末重力的瞬时功率为400 W
C.前2 s内重力的平均功率为100 WD.前2 s内重力的平均功率为400 W
【答案】B
【解析】物体只受重力,做自由落体运动,2 s末速度为v=gt=20 m/s,下落2 s末重力做功的瞬时功率P
1 1
=mgv =400 W,故选项A错误,B正确;前2 s内的位移为h =gt=20 m,所以前2 s内重力的平均功率
1 2
为 ==200 W,故选项C、D错误。
2
5.(2020·天津模拟)一个质量为0.5 kg的物体,从静止开始做直线运动,物体所受合外力 F随物体位移x变
化的图象如图所示,则物体位移x=8 m 时,物体的速度为( )
A.2 m/s B.8 m/s
C.4 m/s D.4 m/s
【答案】C
【解析】Fx图象中图线与横轴所围面积表示功,横轴上方为正功,下方为负功,x=8 m时,可求得W=8
J;由动能定理有mv2=8 J,解得v=4 m/s,选项C正确。
6.水平路面上的汽车以恒定功率P做加速运动,所受阻力恒定,经过时间t,汽车的速度刚好达到最大,
在t时间内( )
A.汽车做匀加速直线运动
B.汽车加速度越来越大
C.汽车克服阻力做的功等于Pt
D.汽车克服阻力做的功小于Pt
【答案】D
【解析】根据P=Fv知,随着速度增大牵引力减小,根据牛顿第二定律得a=,加速度减小,故A、B错
误;牵引力做功W=Pt,根据动能定理知,克服阻力做的功小于牵引力做的功,即小于Pt,故C错误,D
正确。
7.(2021·遵义模拟)提高物体(例如汽车)运动速率的有效途径是增大发动机的功率和减小阻力因数(设阻力
与物体运动速率的平方成正比,即F=kv2,k是阻力因数)。当发动机的额定功率为P 时,物体运动的最大
f 0
速率为v ,如果要使物体运动的速率增大到2v ,则下列办法可行的是 ( )
m mA.阻力因数不变,使发动机额定功率增大到2P
0
B.发动机额定功率不变,使阻力因数减小到
C.阻力因数不变,使发动机额定功率增大到8P
0
D.发动机额定功率不变,使阻力因数减小到
【答案】C
【解析】物体匀速运动时,牵引力与阻力相等,由 P=Fv =Fv =kv,要使物体运动的速率增大到2v ,
m f m m
阻力因数不变时,需使发动机额定功率增大到8P ,故A错误,C正确;发动机额定功率不变时,需使阻
0
力因数减小到,故B、D错误。
8.(2021·泰安一模)做平抛运动的小球在下落两个连续相同高度的过程中,相同的是 ( )
A.运动的位移 B.速度的变化
C.重力做的功 D.重力的功率
【答案】:C
【解析】:做平抛运动的小球在下落两个连续相同高度的过程中,时间不同,则水平位移不同,则小球的
位移的大小和方向都不同,选项A错误;根据Δv=gt可知,速度的变化不同,选项B错误;重力做功为
W=Gh,则重力做功相同,选项C正确;根据P=可知,重力的功率不同,选项D错误.
9.(2021·中原名校联盟质检)如图甲所示,水平面上一质量为 m的物体在水平力F作用下开始做加速运
动,力F的功率P保持恒定,运动过程中物体所受的阻力f大小不变,物体速度最终达到稳定值v ,作用
m
过程物体速度的倒数与加速度a的关系图象如图乙所示.仅在已知功率P的情况下,根据图象所给信息可
知以下说法中正确的是 ( )
A.可求出m、f和v B.不能求出m
m
C.不能求出f D.可求出加速运动时间
【答案】:A
【解析】:当加速度为零时,物体做匀速运动,此时的牵引力等于阻力,速度为最大值,最大速度 v =
m
m/s=10 m/s;由功率的计算公式可得P=Fv,而F-f=ma,联立可得= a+,物体速度的倒数与加速度a的关系图象斜率为k=,纵轴截距为=0.1,因此可求出m、f和v ,选项A正确,B、C错误.物体做变加
m
速运动,无法求出物体加速运动的时间,选项D错误.
10.(2020·新乡模拟)如图所示,物体沿弧形轨道滑下后进入足够长的水平传送带,传送带以图示方向匀速
运转,则传送带对物体做功的情况可能是 ( )
A.始终不做功 B.先做负功后做正功
C.先做正功后不做功 D.先做负功后不做功
【答案】:ACD
【解析】:当物体到达传送带上时,如果物体的速度恰好和传送带的速度相等,那么物体和传送带将一起
在水平面上运动,它们之间没有摩擦力的作用,所以传送带对物体始终不做功,所以 A正确.若物体速度
大则受向后的摩擦力,做负功;直至速度一致为止,摩擦力消失,不做功,不会出现再做正功的情况,所
以B错误.若物体速度小,则受向前的摩擦力,做正功;到速度一致时,摩擦力又变为零,不做功,所以
C正确.若物体速度大,则受向后的摩擦力,做负功;直到速度一致为止,摩擦力消失,不做功,所以D
正确.
11.如图所示,小物块与水平轨道、倾斜轨道之间的动摩擦因数均相同,小物块从倾角为 θ 的轨道上高度
1
为h的A点由静止释放,运动至B点时速度为v.现将倾斜轨道的倾角调至为θ ,仍将物块从轨道上高度为
1 2
h的A点静止释放,运动至B点时速度为v.已知θ<θ,不计物块在轨道接触处的机械能损失.则 (
2 2 1
)
A.vv
1 2
C.v=v
1 2
D.由于不知道θ、θ 的具体数值,v、v 关系无法判定
1 2 1 2
【答案】:C【解析】:物体运动过程中摩擦力做负功,重力做正功,由动能定理可得 mgh-μmgcos θ·-μmgx =
BD
mv2,即mgh-μmg·-μmgx =mv2,因为=x ,所以mgh-μmgx =mv2,故到达B点的速度与倾斜轨道的
BD CD BC
倾角无关,所以v=v,故选项C正确.
1 2
12.(2021·西北狼联盟一诊联考)质量为m的物体从高为h的斜面顶端静止下滑,最后停在平面上,若该物
体以v 的初速度从顶端下滑,最后仍停在平面上,如图甲所示。图乙为物体两次在平面上运动的v-t图
0
象,则物体在斜面上运动过程中克服摩擦力的功为( )
A.mv-3mgh B.3mgh-mv
C.mv-mgh D.mgh-mv
【答案】 D
【解析】 若物体静止开始下滑,由动能定理得mgh-W=mv,若该物体以v 的初速度从顶端下滑, 由
f 0
动能定理得mgh-W=mv-mv,由乙图可知,物体两次滑到平面的速度关系为v =2v ,由以上三式解W
f 2 1 f
=mgh-mv。
二、练创新情景
1.(2020·天津南开区模拟)一个高中生骑电动车以20 km/h的速度匀速行驶,电动车所受的阻力是人和车总
重力的.已知人和车的总质量约为80 kg,重力加速度大小g取10 m/s2,则此时电动车电机的输出功率约为(
)
A.50 W B.100 W
C.450 W D.800 W
【答案】:C
【解析】:车在匀速行驶时,人和车受力平衡,人和车受到的阻力大小为F=mg=×800 N=80 N,此时的
f
功率P=Fv=Fv=80× W≈444 W,所以选项C正确.
f
2.(2021·南京三校联考)身高约1.7 m的高中男生在学校体育课完成“引体向上”的测试,该同学在 1 min
内完成了15次“引体向上”,每次“引体向上”都使自己的整个身体升高一个手臂的高度,且每次“引体向上”都需要2 s才能完成,则该同学在整个测试过程中克服重力的平均功率约为 ( )
A.10 W B.20 W
C.90 W D.300 W
【答案】:C
【解析】:男生的体重为60 kg,每次引体向上上升高度约为0.6 m,克服重力做功为W=mgh=60×10×0.6
J=360 J,全过程克服重力做功的平均功率为P== W =90 W,故C正确.
3.水平路面上行驶的汽车所受到的阻力大小 F 与汽车行驶的速率成正比.若汽车从静止出发,先做匀加
f
速直线运动,达到额定功率后保持额定功率行驶,则在整个行驶过程中,汽车受到的牵引力大小F与阻力
大小F 关系图象是
f
( )
【答案】:A
【解析】:汽车先做匀加速直线运动,速度增大,F=kv增大,根据牛顿第二定律得:F=F+ma可知,
f f
牵引力随着F 的增大而均匀增大,图象是一条倾斜的直线,功率达到额定功率后,F=,F=kv,则F=,
f f
则牵引力与阻力成反比,故A正确.
4.把动力装置分散安装在每节车厢上,使其既具有牵引动力,又可以载客,这样的客车车厢叫作动车.
而动车组是几节自带动力的车厢(动车)加几节不带动力的车厢(也叫拖车)编成一组.假设动车组运行过程中
受到的阻力与其所受重力成正比,每节动车与拖车的质量都相等,每节动车的额定功率都相等.若 2节动
车加6节拖车编成的动车组的最大速度为120 km/h,则9节动车加3节拖车编成的动车组的最大速度为(
)
A.120 km/h B.240 km/h
C.360 km/h D.480 km/h
【答案】:C
【解析】:若开动2节动车带6节拖车,最大速度可达到120 km/h.设每节动车的功率为P,每节车厢所受
的阻力为F,则有2P=8Fv,当开动9节动车带3节拖车时,有9P=12Fv′,联立两式解得v′=360 km/h,
f f f
故选项C正确.5.(2021·师大附中检测)如图是某中学科技小组制作的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,光电板中产生的电流经电动机带动小车前进。若小车在平直的水泥路上从静止开始加速行
驶,经过时间t前进距离s,速度达到最大值v ,设这一过程中电动机的功率恒为 P,小车所受阻力恒为
m
F,那么( )
A.小车先匀加速运动,达到最大速度后开始匀速运动
B.这段时间内电动机所做的功为Pt
C.这段时间内电动机所做的功为mv
D.这段时间内电动机所做的功为mv-Fs
【答案】B
【解析】小车电动机的功率恒定,速度不断变大,根据牛顿第二定律,有-F=ma,故小车的运动是加速
度不断减小的加速运动,选项A错误;这一过程中电动机的功率恒为P,所以W =Pt,选项B正确;对
电
小车启动过程,根据动能定理,有W -Fs=mv,这段时间内电动机所做的功为W =Fs+mv,选项C、
电 电
D错误。
6.(2021·四川四市联考)如图甲所示,用起重机将地面上静止的货物竖直向上吊起,货物由地面运动至最高
点的过程中,其v t图象如图乙所示.下列说法正确的是 ( )
甲 乙
A.在0~t 时间内,货物处于超重状态
1
B.在t~t 时间内,起重机拉力对货物不做功
1 2
C.在t~t 时间内,起重机拉力对货物做负功
2 3
D.匀速阶段拉力的功率可能比加速阶段某一时刻拉力的瞬时功率小【答案】:AD
【解析】:由v t图象可知在0~t 时间内,货物具有向上的加速度,故处于超重状态,选项A正确;在t
1 1
~t 时间内,起重机的拉力始终竖直向上,一直做正功,选项B、C错误;匀速阶段拉力小于加速阶段的拉
3
力,而匀速阶段的速度大于加速阶段的速度,由P=Fv可知匀速阶段拉力的功率可能比加速阶段某一时刻
拉力的瞬时功率小,选项D正确.
7.(2021·湖南怀化期中联考)一起重机的钢绳由静止开始匀加速提起质量为m的重物,当重物的速度为v
1
时,起重机的有用功率达到最大值P,此后,起重机保持该功率不变,继续提升重物,直到以最大速度v
2
匀速上升为止,则整个过程中,下列说法正确的是 ( )
A.重物的最大速度 v=
2
B.重物匀加速运动的加速度为
C.钢绳的最大拉力为
D.钢绳的最大拉力为
【答案】:AD
【解析】:匀速上升时F=mg,由P=Fv可得重物的最大速度v =,选项A正确;当重物的速度为v 时,
2 1
起重机的钢绳的拉力F=,由F-mg=ma解得重物匀加速运动的加速度为a=-g,选项B错误;起重机
匀加速拉起重物时钢绳的拉力最大,最大拉力为,选项C错误,D正确.
8.(2021·吉林市第二次调研)冬季奥运会中有自由式滑雪U型池比赛项目,其赛道横截面如图3所示,为一
半径为R、粗糙程度处处相同的半圆形赛道竖直固定放置,直径POQ水平。一质量为m的运动员(按质点
处理)自P点上方高度R处由静止开始下落,恰好从P点进入赛道。运动员滑到赛道最低点N时,对赛道的
压力为4mg,g为重力加速度的大小。用W表示运动员从P点运动到N点的过程中克服赛道摩擦力所做的
功(不计空气阻力),则( )
A.W=mgR,运动员没能到达Q点
B.W=mgR,运动员能到达Q点并做斜抛运动
C.W=mgR,运动员恰好能到达Q点D.W=mgR,运动员能到达Q点并继续竖直上升一段距离
【答案】 D
【解析】在N点,根据牛顿第二定律有F -mg=m,解得v =,对质点从下落到N点的过程运用动能定理
N N
得mg·2R-W=mv-0,解得W=mgR,由于PN段速度大于NQ段速度,所以NQ段的支持力小于PN段的
支持力,则在NQ段克服摩擦力做功小于在PN段克服摩擦力做功,对NQ段运用动能定理得-mgR-W′=
mv-mv,因为W′<mgR,可知v >0,所以质点到达Q点后,继续上升一段距离,A、B、C错误,D正
Q
确。
9.(2021·1月河北学业水平选择性考试模拟演练,10)随着航天技术的发展,人类已经有能力到太空去探索
未知天体。假设某宇宙飞船绕一行星在其表面附近做匀速圆周运动,已知运行周期为T,航天员在离该行
星表面附近h处自由释放一小球,测得其落到行星表如图4甲所示,置于水平地面上质量为m的物体,在
竖直拉力F作用下,由静止开始向上运动,其动能E 与距地面高度h的关系图象如图乙所示,已知重力加
k
速度为g,空气阻力不计。下列说法正确的是( )
A.在0~h 过程中,F大小始终为mg
0
B.在0~h 和h~2h 过程中,F做功之比为2∶1
0 0 0
C.在0~2h 过程中,物体的机械能不断增加
0
D.在2h~3.5h 过程中,物体的机械能不断减少
0 0
【答案】 C
【解析】 在0~h 过程中,E-h图象为一段直线,由动能定理得(F-mg)h=mgh -0,故F=2mg,A错
0 k 0 0
误;由A可知,在0~h 过程中,F做功为2mgh ,在h ~2h 过程中,由动能定理可知,W -mgh =
0 0 0 0 F 0
1.5mgh -mgh ,解得W =1.5mgh ,因此在0~h 和h ~2h 过程中,F做功之比为4∶3,故B错误;在0~
0 0 F 0 0 0 0
2h 过程中,F一直做正功,故物体的机械能不断增加,C正确;在2h~3.5h 过程中,由动能定理得W ′-
0 0 0 F
1.5mgh =0-1.5mgh ,则W ′=0,故F做功为0,物体的机械能保持不变,故D错误。
0 0 F10. (2021·1月湖北学业水平选择性考试模拟演练,7)如图所示,两倾角均为θ的光滑斜面对接后固定水平
地面上,O点为斜面的最低点。一个小物块从右侧斜面上高为 H处由静止滑下,在两个斜面上做往复运
动。小物块每次通过O点时都会有动能损失,损失的动能为小物块当次到达O点时动能的5%。小物块从
开始下滑到停止的过程中运动的总路程为( )
A. B. C. D.
【答案】 B
【解析】 由题意知,小物块第一次到达O点由动能定理可得mgH=E ,此时小物块所走路程s =,第一
k 1
次通过O点后动能E =95%E =95%mgH,此时利用动能定理知小物块上升高度H =95%H,第二次到达
k1 k 1
O点滑下的路程s ==95%,同理第二次离开O点到第三次到达O点所走路程s =(95%)2,…,故小物块
2 3
下滑的总路程s =s+s+…s=+95%+(95%)2+…(95%)n-1,n无穷大时,可得s =(等比数列求和),故
总 1 2 n 总
B正确。
三.练规范解答
1.(2021·湖北襄阳联考)质量m=1 kg的物体,在水平拉力F(拉力方向与物体初速度方向相同)的作用下,
沿粗糙水平面运动,经过位移为4 m时,拉力F停止作用,运动到位移为8 m时物体停止运动,运动过程
中Ex的图线如图所示。取g=10 m/s2,求:
k
(1)物体的初速度大小;
(2)物体和水平面间的动摩擦因数;
(3)拉力F的大小。
【答案】 (1)2 m/s (2)0.25 (3)4.5 N【解析】(1)从图线可知物体初动能为2 J,则
E =mv2=2 J
k0
得v=2 m/s。
(2)在位移为4 m处物体的动能为E =10 J,在位移为8 m处物体的动能为零,这段过程中物体克服摩擦力
k
做功。
设摩擦力为F,则
f
-Fx=0-E=0-10 J=-10 J,x=4 m
f 2 k 2
得F=2.5 N
f
因F=μmg
f
故μ=0.25。
(3)物体从开始运动到位移为4 m这段过程中,受拉力F和摩擦力F 的作用,合力为F-F,根据动能定理
f f
有
(F-F)x=E-E
f 1 k k0
故得F=4.5 N。
2.(2020·衡水模拟)如图甲所示,在水平路段AB上有一质量为2×103 kg的汽车(可视为质点),正以10 m/s的
速度向右匀速运动,汽车前方的水平路段BC较粗糙,汽车通过整个ABC路段的vt图象如图乙所示(在t=
15 s 处水平虚线与曲线相切),运动过程中汽车发动机的输出功率保持20 kW不变,假设汽车在两个路段
上受到的阻力(含地面摩擦力和空气阻力等)各自有恒定的大小。求:
甲 乙
(1)汽车在AB路段上运动时所受阻力f 的大小;
1
(2)汽车刚好开过B点时加速度a的大小;
(3)BC路段的长度。
【答案】 (1)2 000 N (2)1 m/s2 (3)68.75 m
【解析】 (1)汽车在AB路段做匀速直线运动,根据平衡条件,有:F=f
1 1P=Fv
1 1
解得:f== N=2 000 N。
1
(2)t=15 s时汽车处于平衡状态,有:
F=f
2 2
P=Fv
2 2
解得:f== N=4 000 N
2
刚好开过B点时汽车的牵引力仍为F,
1
根据牛顿第二定律,有:
f-F=ma
2 1
解得:a=1 m/s2。
(3)对于汽车在BC路段运动,由动能定理得:
Pt-fs=mv-mv
2
解得:s=68.75 m。
3.在检测某种汽车性能的实验中,质量为3×103 kg的汽车由静止开始沿平直公路行驶,达到的最大速度为
40 m/s,利用传感器测得此过程中不同时刻该汽车的牵引力F与对应的速度v,并描绘出如图所示的F图象
(图线ABC为汽车由静止到达到最大速度的全过程,AB、BO均为直线)。假设该汽车行驶过程中所受的阻
力恒定,根据图线ABC,求:
(1)该汽车的额定功率;
(2)该汽车由静止开始运动,经过35 s达到最大速度40 m/s,求其在BC段的位移大小。
【答案】(1)8×104 W (2)75 m
【解析】 (1)图线AB表示牵引力F不变,即F=8 000 N,阻力F 不变,汽车由静止开始做匀加速直线运
f
动;图线BC的斜率表示汽车的功率P不变,达到额定功率后,汽车所受牵引力逐渐减小,汽车做加速度
减小的变加速直线运动,直至达到最大速度40 m/s,此后汽车做匀速直线运动。由题图可知:当达到最大速度v =40 m/s时,牵引力为F =2 000 N
max min
由平衡条件F=F 可得F=2 000 N
f min f
由公式P=F v 得额定功率P=8×104 W。
min max
(2)匀加速运动的末速度v =,代入数据解得
B
v =10 m/s
B
汽车由A到B做匀加速运动的加速度为
a==2 m/s2
设汽车由A到B所用时间为t,由B到C所用时间为t、位移为x,则t==5 s,t=35 s-5 s=30 s
1 2 1 2
B点之后,对汽车由动能定理可得
Pt-Fx=mv-mv,代入数据可得x=75 m。
2 f
4.(2021·浙江选考模拟)弹珠游戏在孩子们中间很受欢迎,有很多种玩法,其中一种玩法就是比距离,模型
如图所示,用内壁光滑的薄壁细圆管弯成的由半圆形APB(圆半径比细管的内径大得多)和光滑直管BC组成
的轨道固定在水平桌面上,已知APB部分的半径R=1.0 m,BC段长l =1.5 m。弹射装置将一个质量m=
1
100 g小球(可视为质点)以v =8 m/s的水平初速度从A点弹入轨道,小球从C点离开轨道随即进入长l =2
0 2
m,μ=0.1的粗糙水平地面(图上对应为CD),最后通过光滑轨道DE,从E点水平射出,已知E距离地面
的高度为h=1 m,不计空气阻力。求:
(1)小球在半圆轨道上运动时的角速度ω和到达C点时对圆管的压力大小;
(2)若小球能从A点运动到E点,则小球进入A点的速度至少为多大;
(3)若E点的高度h可以调节,小球仍以v =8 m/s从A点进入,当h多高时,水平射程x最大,并求出这个
0
最大值。
【答案】 (1)8 rad/s 1 N (2)2 m/s (3)1.5 m 3 m
【解析】 (1)角速度ω==8 rad/s,小球在BC段做匀速直线运动,合力为0,根据牛顿运动定律,小球处于平衡状态,F =mg=1 N,根据牛顿第三定律,小球对圆管的压力大小为1 N。
N
(2)小球从A点到E点根据动能定理有
-mgh-μmgl=0-mv
2
解得v=2 m/s。
0
(3)小球从A点到E点根据动能定理有
-(mgh+μmgl)=mv-mv
2
解得v =
E
过了E点小球做平抛运动,有h=gt2
x=v t
E
得到x与h的数学关系x=
即当h=1.5 m时,x的最大值为x=3 m