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1 / 10 第5 讲 功与功率 动能定理 1.(2024·海南高考1 题)神舟十七号载人飞船返回舱于2024 年4 月30 日在东风着陆场成功着陆,在返回舱返回 至离地面十几公里时打开主伞,返回舱快速减速,速度大大减小,在减速过程中( ) A.返回舱处于超重状态 B.返回舱处于失重状态 C.主伞的拉力不做功 D.重力对返回舱做负功 解析:A 返回舱减速下落,加速度向上,则其处于超重状态,A 正确,B 错误;主伞的拉力向上,而返回舱速度 向下,则主伞的拉力做负功,C 错误;返回舱的重力向下,速度向下,则重力对返回舱做正功,D 错误。 2.(2024·浙江6 月选考5 题)一个音乐喷泉喷头出水口的横截面积为2×10-4 m2,喷水速度约为10 m/s,水的密 度为1×103 kg/m3,则该喷头喷水的功率约为( ) A.10 W B.20 W C.100 W D.200 W 解析:C 单位时间内从喷头流出的水的质量m=ρSv,喷头喷水的功率等于单位时间内喷出的水的动能增加量, 即P=1 2mv2,联立解得P=100 W,C 正确。 3.(2024·新课标卷24 题)将重物从高层楼房的窗外运到地面时,为安全起见,要求下降过程中重物与楼墙保持一 定的距离。如图,一种简单的操作方法是一人在高处控制一端系在重物上的绳子P,另一人在地面控制另一根一端 系在重物上的绳子Q,二人配合可使重物缓慢竖直下降。若重物的质量m=42 kg,重力加速度大小g=10 m/s2。 当P 绳与竖直方向的夹角α=37°时,Q 绳与竖直方向的夹角β=53°。(sin 37°=0.6) (1)求此时P、Q 绳中拉力的大小; (2)若开始竖直下降时重物距地面的高度h=10 m,求在重物下降到地面的过程中,两根绳子拉力对重物做的总 功。 答案:(1)1 200 N 900 N (2)-4 200 J 解析:(1)由题意可知重物下降过程中受力平衡,设此时P 绳中拉力的大小为FP、Q 绳中拉力的大小为FQ,则 在竖直方向上有FPcos α=FQcos β+mg 2 / 10 在水平方向上有FPsin α=FQsin β 联立并代入数据,解得FP=1 200 N、FQ=900 N。 (2)重物下降到地面的过程,根据动能定理有 mgh+W 总=0 代入数据解得W 总=-4 200 J。 考点一 功与功率问题 1.功的求法 2.功率的求法 【例1】 (2024·广东广州模拟)如图所示,水平路面上有一辆质量为M 的汽车,车厢中有一质量为m 的人正用 恒力F 向前推车厢,在车以加速度a 向前加速行驶距离L 的过程中,下列说法错误的是( ) A.人对车的推力F 做的功为FL B.车对人做的功为maL C.车对人的摩擦力做的功为(F+ma)L D.车对人的作用力大小为ma 答案:D 解析:根据功的定义可知,人对车的推力F 做的功为W=FL,故A 正确;根据牛顿第二定律可知,车对人的合力 为F1=ma,方向向前,所以车对人做的功为W1=maL,故B 正确;根据牛顿第二定律可得f-F=ma,所以车厢对 人的摩擦力大小为f=ma+F,方向向前,则摩擦力做功为Wf=fL=(ma+F)L,故C 正确;车厢对人有三个作用 3 / 10 力:竖直向上的支持力大小为mg;水平向后的推力大小为F;水平向前的摩擦力大小为F+ma。所以车对人的合 力大小为F 合=√(mg) 2+(ma) 2,故D 错误。 【例2】 (2024·江苏苏州三模)我国劳动人民发明了汉石磨盘,人们通常用驴来拉磨把谷物磨成面粉。如图所 示,若驴对磨杆的拉力F 沿圆周切线方向作用在磨杆末端,大小为400 N,磨盘半径r=0.5 m,磨杆长L=0.5 m,驴以恒定的速率拉动磨盘转动,在1 分钟的时间内转动了6 圈。圆周率π 近似取3,下列说法正确的是( ) A.磨盘边缘的线速度大小为3 m/s B.磨杆末端的向心加速度大小为3.6 m/s2 C.驴拉磨转动一周拉力所做的功为1 200 J D.驴拉磨转动一周拉力的平均功率为240 W 答案:D 解析:由题意可知周期为T=60 6 s=10 s,则角速度为ω=2π T =0.6 rad/s,磨盘边缘的线速度大小为v1=ωr= 0.6×0.5 m/s=0.3 m/s,磨杆末端的向心加速度大小为an=ω2(L+r)=0.62×(0.5+0.5)m/s2=0.36 m/s2, 故A、B 错误;驴拉磨转动一周拉力所做的功为W=F·2π(L+r)=400×2×3×(0.5+0.5)J=2 400 J,驴拉 磨转动一周拉力的平均功率为P=W T =2 400 10 W=240 W,故C 错误,D 正确。 【例3】 (2024·江西宜春二模)一塔吊竖直提升重物由静止开始向上匀加速运动,电动机输出功率达到某值后 保持不变,最终做匀速运动。不计阻力及绳索质量,此过程中重物的速度v、电动机输出功率P 随时间t 的变化规 律正确的是( ) 答案:C 解析:设汽车的额定功率为P,所受恒定阻力为f,牵引力为F,匀加速结束时的速度为v,由于汽车开始做匀加速 直线运动,设其加速度为a,则根据速度与时间的关系可得v=at,当汽车的匀加速阶段结束,其速度还未达到最 大值,此时根据P=Fv,根据牛顿第二定律F-f=ma 可知,速度将继续增大,而牵引力将减小,则加速度将减小, 即此后汽车将做加速度逐渐减小的加速运动,直至牵引力等于阻力时,加速度减小为0,速度达到最大值vm,而速 度—时间图像的斜率表示加速度,因此可知该图像第一阶段为倾斜的直线,第二阶段为斜率逐渐减小的向下弯曲 的曲线,故A、B 错误;根据P=Fv,而汽车在匀加速阶段F-f=ma,可得F=ma+f,而v=at,即在匀加速阶段 有P=Fv=(ma+f)v=(ma+f)at,等式中(ma+f)a 为一定值,则可知在汽车匀加速阶段汽车的功率与时间 成正比,即P-t 图像为过原点的一条倾斜直线,而匀加速结束后,汽车的功率达到额定值,此后功率不变,其图像 与时间轴平行,故C 正确,D 错误。 考点二 动能定理的应用 运用动能定理解题的基本思路 【例4】 (多选)(2024·广东深圳二模)如图,甲将排球从离地面高为1 m 的O 位置由静止击出并沿轨迹①运 动,当排球运动到离地面高为2.8 m 的P 位置时,速度大小为10 m/s,此时,被乙击回并以水平速度18 m/s 沿轨 4 / 10 迹②运动,恰好落回到O 位置。已知排球的质量约为0.3 kg,重力加速度g 取10 m/s2,忽略空气阻力,则( ) A.排球沿轨迹②运动的时间为0.6 s B.O、P 两位置的水平距离为10.8 m C.甲对排球做的功为20.4 J D.乙对排球做的功约为15 J 答案:ABC 解析:对于轨迹②的运动,根据平抛运动的规律得h=1 2gt2,解得t=√ 2ℎ g =√ 2×1.8 10 s=0.6 s,A 正确;水平 位移的距离为x=v't=18×0.6 m=10.8 m,B 正确;从O 到P 点,设排球在O 点的速度为v0,到P 点的速度v, 根据动能定理可知-mgh=1 2mv2-1 2mv0 2,解得1 2mv0 2=mgh+1 2mv2=20.4 J,根据动能定理可知W 甲=1 2mv0 2= 20.4 J,C 正确;设乙对排球所做的功为W 乙,则排球在P 点被击回的过程,根据动能定理可知W 乙=1 2mv'2-1 2 mv2=33.6 J,D 错误。 【例5】 (2024·山东潍坊三模)如图所示为冰雪冲浪项目流程图,AB 段为水平加速区,BC 段为半径r=22.5 m 的光滑圆管型通道,AB 与BC 相切于B 点;CDE 段为半径R=100 m 的圆弧冰滑道,BC 与CDE 相切于C 点,弧 DE 所对应的圆心角θ=37°,D 为轨道最低点,C、E 关于OD 对称。安全员将小朋友和滑板(可视为质点)从A 点沿水平方向向左加速推动一段距离后释放,到达光滑圆管型通道上B 点时小朋友和滑板与通道没有相互作用力, 小朋友运动至滑道E 点时对滑道压力FN=410 N。已知小朋友和滑板总质量为m=40 kg,重力加速度g 取10 m/s2,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8。求: (1)小朋友在B 点时的速度v0; (2)小朋友通过CDE 段滑道克服摩擦力做的功。 答案:(1)15 m/s,方向水平向左 (2)1 800 J 解析:(1)由于到达光滑圆管型通道上B 点时小朋友和滑板与通道没有相互作用力,则mg=mv0 2 r ,所以v0=15 m/s,方向水平向左。 (2)小朋友从B 滑到E,根据动能定理可得mgr(1-cos 37°)-W 克f=1 2mv E 2-1 2mv0 2,在E 点,根据牛顿第 二定律可得FN-mgcos 37°=mv E 2 R ,联立可得W 克f=1 800 J。 【例6】 (2024·江苏苏州模考)如图所示,高度h=0.8 m 的光滑导轨AB 位于竖直平面内,其末端与长度L= 0.7 m 的粗糙水平导轨BC 相连,BC 与竖直放置内壁光滑的半圆形管道CD 相连,半圆的圆心O 在C 点的正下方, 5 / 10 C 点离地面的高度H=1.25 m。一个质量m=1 kg 的小滑块(可视为质点),从A 点由静止下滑,小滑块与BC 段间的动摩擦因数μ=0.5,重力加速度g 取10 m/s2,不计空气阻力。求: (1)小滑块到达C 点时的速度大小; (2)若半圆形管道的半径r=0.5 m,求小滑块从C 点刚进入管道时对管壁的弹力大小和方向; (3)若半圆形管道半径可以变化,则当半径为多大时,小滑块从其下端射出的水平距离最远?最远的水平距离为 多少? 答案:(1)3 m/s (2)8 N 方向竖直向上 (3)当r=0.2 m 时水平射程最远,最远的水平距离为1.7 m 解析:(1)对小滑块从A 到C 整个过程应用动能定理得mgh-μmgL=1 2mvC 2,代入数据解得vC=3 m/s。 (2)小滑块在C 点受到弹力和重力,其合力提供向心力,则FN+mg=mvC 2 r ,代入数据解得FN=8 N,根据牛顿 第三定律可知小滑块刚进入圆管时对外管壁的弹力FN'=FN=8 N,方向竖直向上。 (3)设小滑块做平抛运动的时间为t,在竖直方向上有H-2r=1 2gt2,水平射程x=vDt,从C 到D 的过程,由动能 定理得mg×2r=1 2mv D 2-1 2mvC 2,解得x=√ 2(H -2r ) g √(vC 2+ 4 gr )=√ (2 H -4 r )×( vC 2 g + 4 r) ,当2H-4r=vC 2 g +4r 时,解得r=0.2 m,即当r=0.2 m 时水平射程最远。最远的水平距离为xmax=1.7 m。 应用动能定理解题的四点注意 动能定理与图像的结合问题 6 / 10 【典例1】 (多选)(2024·辽宁大连五校联考)在某一粗糙的水平面上,一质量为2 kg 的物体在水平恒定拉力 作用下做匀速直线运动,当运动一段时间后,拉力逐渐减小,且当拉力减小到零时,物体刚好停止运动,图中给 出了拉力随位移变化的关系图像。已知重力加速度g=10 m/s2。根据以上信息能得出的物理量有( ) A.物体与水平面间的动摩擦因数 B.合外力对物体所做的功 C.物体做匀速运动时的速度 D.物体运动的时间 答案:ABC 解析:由题意知物体开始做匀速直线运动,故拉力F 与滑动摩擦力f 大小相等,方向相反,物体与水平面间的动摩 擦因数为μ=F mg =0.35,A 正确;减速过程由动能定理得WF+Wf=0-1 2mv2,根据F-x 图像中图线与横轴围成的 面积表示力F 做的功WF,而Wf=-μmgx,由此能求得合外力对物体所做的功及物体做匀速运动时的速度,B、C 正确;因为拉力逐渐减小过程中,物体做变减速运动,所以运动时间无法求出,D 错误。 【典例2】 (多选)(2024·山东德州二模)质量为m=1 kg 的物体静止在水平且粗糙的地面上,在一水平外力 F 的作用下运动,如图甲所示。外力F 做的功及物体克服摩擦力f 做的功与物体位移的关系如图乙所示,重力加速 度g 取10 m/s2。下列分析正确的是( ) A.物体与地面之间的动摩擦因数为0.2 B.物体的位移为13 m C.物体在前3 m 内的加速度为3 m/s2 D.x=9 m 时,物体的速度为3√2 m/s 答案:ACD 解析:设物体与地面之间的动摩擦因数为μ,则根据物体克服摩擦力做的功Wf=fx=μmgx 可知20 J= μ×1×10×10 J,解得μ=0.2,整个过程中滑动摩擦力一直做功,故物体的位移为x'=W f ' μmg = 27 0.2×1×10 m= 13.5 m,选项A 正确,B 错误;前3 m 内拉力F1= W F1 x1 =15 3 N=5 N,又f=μmg=2 N,则物体在前3 m 内的 加速度为a1=F1-f m =3 m/s2,选项C 正确;由动能定理得WF-fx=1 2mv2,当x=9 m 时WF=27 J,代入解得物 体的速度为v=3√2 m/s,选项D 正确。 7 / 10 1.人们用滑道从高处向低处运送货物,如图所示,可看作质点的货物从四分之一圆弧滑道顶端P 点由静止释放, 沿滑道运动到圆弧末端Q 点时速度大小为4 m/s。已知货物质量m=10 kg,滑道半径r=4 m,且过Q 点的切线水 平,重力加速度g 取10 m/s2。关于货物从P 点运动到Q 点的过程,下列说法正确的是( ) A.重力做的功为600 J B.经过Q 点时货物对轨道的压力大小为280 N C.经过Q 点时货物的向心加速度大小为4 m/s2 D.货物克服阻力做的功为80 J 解析:C 重力做的功WG=mgr=400 J,选项A 错误;经过Q 点时轨道对货物的支持力的大小FN=mg+mv 2 r = 140 N,根据牛顿第三定律知,货物对轨道的压力大小140 N,选项B 错误;经过Q 点时货物的向心加速度大小an =v 2 r =4 m/s2,选项C 正确;货物克服阻力做的功Wf=mgr-1 2mv2=320 J,选项D 错误。 2.(多选)(2024·河南南阳模拟)解放军战士为了增强身体素质,进行拉轮胎负重训练,如图所示,已知绳子与 水平地面间的夹角恒为θ,轮胎质量为m,该战士由静止开始做加速直线运动,位移为x 时,速度达到v,已知绳 上拉力大小恒为F,重力加速度为g,则由静止加速到v 的过程中( ) A.轮胎克服阻力做的功为Fxcos θ B.轮胎所受合外力做的功为1 2mv2 C.拉力的最大功率为Fvcos θ D.拉力所做的功为1 2mv2+Fxcos θ 解析:BC 拉力所做的功WF=Fxcos θ,轮胎做加速运动,则Fcos θ>f,则轮胎克服阻力做的功小于Fxcos θ, 选项A、D 错误;由动能定理可知,轮胎所受合外力做的功W 合=1 2mv2,选项B 正确;拉力的最大功率Pm=Fvcos θ,选项C 正确。 3.(2024·山东济南二模)如图所示的是古代的水车,该水车周边均匀分布着N 个盛水的容器,容器到水车大圆转 轴的距离为R。在流水的冲力作用下,水车以n 转/分的转速匀速转动,当装满水的容器到达最高处时将水全部倒 入水槽中。设每个盛水容器装入水的质量均为m,忽略容器装水给水增加的动能和水车浸入水的深度,不计一切 摩擦。已知重力加速度为g,则水车运水的功率为( ) 8 / 10 A.nNmgR 30 B.nNmgR 60 C.120 NmgR n D.2nNmgR 解析:A 水车每秒转动的圈数为n 60,水车转动一圈对水做的功W=Nmg·2R,则水车运水的功率P=W 1 × n 60= 2NmgR× n 60=nNmgR 30 ,故选A。 4.(多选)(2024·苏北四市调研)在某次帆船运动比赛中,质量为500 kg 的帆船在风力和水的阻力(1 s 末风力 消失)的共同作用下做直线运动的v-t 图像如图所示。下列表述正确的是( ) A.在0~1 s 内,风力对帆船做功为1 500 J B.在0~1 s 内,水的阻力对帆船做功为500 J C.在0~1 s 内,合外力对帆船做功为2 000 J D.在1~3 s 内,水的阻力对帆船做功为-1 000 J 解析:AD 根据牛顿第二定律,在0~1 s 内,有F-f=ma1,在1~3 s 内,有f=ma2,结合图线可得a1=Δv1 Δt1 = 2 1 m/s2=2 m/s2,a2=Δv2 Δt2 =2 2 m/s2=1 m/s2,联立可得F=1 500 N,f=500 N,0~1 s 内,帆船的位移为x1=1 2 vt1=1 m,在0~1 s 内,风力对帆船做功WF=Fx1=1 500 J,水的阻力对帆船做功Wf=-fx1=-500 J,合外力对 帆船做功W 合=WF+Wf=1 000 J,故A 正确,B、C 错误;在1~3 s 内,帆船的位移x2=1 2vt2=2 m,水的阻力对 帆船做功Wf'=-fx2=-1 000 J,故D 正确。 5.(2024·湖南长沙二模)如图甲,辘轳是古代民间提水设施,由辘轳头、支架、井绳、水斗等部分构成,图乙为 提水设施工作原理简化图,某次从井中汲取m=2 kg 的水,辘轳绕绳轮轴半径为r=0.1 m,水斗的质量为0.5 kg,井足够深且井绳的质量忽略不计。t=0 时刻,轮轴由静止开始绕中心轴转动向上提水桶,其角速度随时间变 化规律如图丙所示,g 取10 m/s2,则( ) A.水斗上升的加速度为2 m/s2 B.10 s 时水斗的动能为4 J C.10 s 时井绳拉力的瞬时功率为50 W D.0~10 s 内井绳拉力所做的功为255 J 解析:D 由图丙可知ω=2t,所以水斗速度随时间变化规律为v=ωr=0.2t,可知水斗从静止开始做匀加速直线运 动,其水斗上升的加速度a=0.2 m/s2,故A 错误;10 s 时水斗的速度v10=0.2×10 m/s=2 m/s,动能Ek=1 2(m +m')v2=5 J,故B 错误;由牛顿第二定律,可得F-(m+m')g=(m+m')a,解得F=25.5 N,10 s 时井绳 9 / 10 拉力的瞬时功率P=Fv10=51 W,故C 错误;水斗匀加速上升,0~10 s 内它上升的高度h=1 2at2=10 m,0~10 s 内井绳拉力所做的功W=Fh=255 J,故D 正确。 6.(2024·江西赣州二模)某山顶有一排风力发电机,发电机的叶片转动时可形成半径为R=20 m 的圆面。某时间 内该山顶的风速达10 m/s,风向恰好跟某风力发电机叶片转动形成的圆面垂直,已知空气的密度ρ=1.2 kg/m3, 若该风力发电机能将此圆内20%的空气动能转化为电能,则此风力发电机发电的功率P 约为( ) A.1.5×104 W B.1.5×105 W C.5×104 W D.5×105 W 解析:B 时间Δt 内,通过圆面的空气的质量m=ρvΔt·πR2,该部分空气的动能Ek=1 2mv2,则此风力发电机发电 的功率P=20%Ek Δt ,解得P≈1.5×105 W,故选B。 7.(2024·安徽皖江二模)一辆汽车以某一恒定功率爬上一倾角为θ 的斜坡,如图甲所示,车内的传感器记录了汽 车从坡底爬到坡顶的v-t 图像,如图乙中实线AD 所示,AB 是曲线最左端A 点的切线,CD 是曲线AD 的渐近线, 已知汽车质量m=2×103 kg,汽车行驶过程中受到的阻力可视为不变,重力加速度g 取10 m/s2,sin θ=0.1,对 于此次爬坡过程,下列说法正确的是( ) A.汽车受到的阻力Ff=2×104 N B.汽车的功率P=32 kW C.该斜坡长为160 m D.当汽车速度为10 m/s 时,汽车的加速度为2.2 m/s2 解析:C 在A 点,汽车加速度a1=Δv Δt =2 m/s2,根据牛顿第二定律F1-Ff-mgsin θ=ma1,此时汽车的功率P= F1v=(Ff+mgsin θ+ma1)v0,由图可知汽车最大速度vm=16 m/s,此时牵引力F2=Ff+mgsin θ,则P=F2v= (Ff+mgsin θ)vm,汽车功率不变,联立两式解得Ff=2×103 N,P=64 kW,故A、B 错误;从A 点到D 点,根 据动能定理Pt-(Ff+mgsin θ)L=1 2mvm 2-1 2mv0 2,解得斜坡长L=160 m,故C 正确;根据P=Fv,可得当v= 10 m/s 时,牵引力F3=6.4×103 N,根据牛顿第二定律F3-Ff-mgsin θ=ma2,解得汽车的加速度a2=1.2 m/s2, 故D 错误。 8.(2024·浙江杭州三模)惊险刺激的飞车表演中,杂技演员驾驶摩托车在竖直轨道内做圆周运动,如图所示,已 知轨道半径为4 m,人和摩托车的总质量为m=200 kg,人和摩托车可视为质点,重力加速度取g=10 m/s2,求: 10 / 10 (1)表演者恰好能通过最高点B 时的速度大小v1; (2)表演者以v2=10 m/s 的速度通过轨道最左端C 点时摩托车对轨道的压力; (3)在(1)问的基础上,测得摩托车通过最低点A 的速度为2v1,求由A 到B 过程中牵引力和阻力做的总功W。 答案:(1)2√10 m/s (2)5 000 N 方向水平向左 (3)4 000 J 解析:(1)在B 点,由牛顿第二定律,可得mg=mv1 2 R ,解得v1=2√10 m/s。 (2)同理,在C 点,有FN=mv2 2 R ,解得FN=5 000 N,由牛顿第三定律可知FN'=FN=5 000 N,方向水平向左。 (3)从A 到B 过程,根据动能定理可得W-mg×2R=1 2mv1 2-1 2m(2v1)2,解得W=4 000 J。 9.(2024·江西南昌二模)2024 年将迎来名副其实的“体育大年”,今年有两个奥运会,分别是江原冬青奥会和巴 黎奥运会,滑板运动是其中一个精彩的比赛项目。一滑板训练场地如图,斜坡AB 与光滑圆轨道相切于B 点,斜坡 长度为10 m,倾角为37°,圆轨道半径为3 m,圆心为O,圆轨道右侧与一倾角为60°足够长斜面PQ 相连,运 动员连同滑板总质量为60 kg,运动员站在滑板上从斜坡顶端A 点由静止下滑,滑板与左侧倾斜轨道间的动摩擦因 数为0.2,其通过光滑圆弧轨道BCP 的P 点后落在了右侧的斜面上,滑板和运动员可视为质点,不计空气阻力, 重力加速度g 大小取10 m/s2,sin 37°=0.6,sin 60°=√3 2 ,求: (1)滑板和运动员通过圆弧轨道最低点C 时对C 点的压力大小; (2)右侧斜面的落点到P 点的距离。 答案:(1)2 600 N (2)14√3 m 解析:(1)对滑板和运动员从A 点到C 点,根据动能定理可得 mgLsin 37°-μmgLcos 37°+mgR(1-cos 37°)=1 2mv2-0 解得v=10 m/s, 在最低点C 点,有FN-mg=m v 2 R ,解得FN=2 600 N,由牛顿第三定律可得,滑板和运动员通过圆弧轨道最低点 C 时对C 点的压力大小为2 600 N。 (2)从C 到P 的过程,根据动能定理可得-mgR(1-cos 60°)=1 2mv1 2-1 2mv2, 解得v1=√70 m/s, 设右侧斜面的落点到P 点的距离为l,由抛体运动规律可得lcos 60°=v1xt, lsin 60°=-v1yt+1 2gt2,其中v1x=v1cos 60°,v1y=v1sin 60°, 解得l=14√3 m。












































































































































































































