功的定义:
必须有作用在物体上的力,且物体在这个力的方向上通过一段距离,就说这个力对物体做了机械功,简称做功;
功的两个要素:
一是作用在物体上的力,二是物体在力的方向上通过的距离。
以下三种情况下力对物体不做功:(1)靠惯性运动的物体没有力对它做功。例如:某同学踢足球,球离开脚后飞出10m远,足球飞出10m 远的过程中,人做功为零。
(2)物体受到力的作用,但没有移动距离,也就不可能在力的方向上通过距离,力对物体不做功。如:一辆汽车停止在路边,一个人用很大的力却没有推动它。推力对汽车不做功。
(3)物体受到力的作用,同时也运动了一段距离,但两者相互垂直,即在力的方向上没有通过距离,这个力也没有对物体做功。如手提水桶在水平面上运动一段距离,水桶虽然受到手的提力作用,但是由于手提桶的力的方向始终竖直向上,跟水平地面垂直,所以在水平面上走得再远,手的提力对水桶也没有做功。
功和机械能知识梳理:
如何判断力对物体是否做功: 判断力对物体是否做功,可以从物体在力的作用下,在该力的方向上是否移动了距离来进行判断。
如冰块在光滑冰面上匀速滑动,水平方向上没有受到力的作用,只是在竖直方向上受重力和支持力;因此,水平方向上没有力对冰块做功,而竖直方向上,重力、支持力的方向都与冰块运动的方向垂直,所以重力、支持力也没有对冰块做功。
人用力推车,对车有水平推力,且车沿水平方向通过了距离,符合做功的两个要素,推力做了功。
例1教学大楼每层楼高为3m,小明提着一重 50N的箱子,沿楼梯从一楼登上三楼,再沿三楼水平走廊走了4m进入教室,从一楼到教室过程中小明对箱子做的总功为( )
A.0J B.300J C.450J D.500J
解析:本题包括两个过程,一是小明将50N的箱子提高6m,人对箱子的拉力是50N,箱子在拉力方向上移动6m的距离,根据W=Fs=50N×6m= 300J;另一过程是提着箱子在水平走廊走了4m,拉力和箱子移动距离的方向垂直,在这一过程中人没有做功。
答案:B
动能:
物体由于运动而具有的能量。
定义:
所谓能量,是指物体能够做功的本领。能够做的功越多,就表明这个物体的能量越大。能量简称为能。
注意:“能够做功”并不等于正在做功。只要该物体具有做功的本领,不论它是在做功,还是没在做功,做功的潜在本领始终存在,则说该物体具有能。判断一个物体是否具有能的标志是看它能否做功。
能量的单位:在国际单位制中能量的单位是焦耳(J)。
势能包括重力势能和弹性势能两种。单位是焦耳(J)。
重力势能:物体由于被举高而具有的能量。
弹性势能:物体由于发生弹性形变而具有的能,叫弹性势能。
重力势能的影响因素:
质量、被举的高度。物体的质量越大,举得越高,它具有的重力势能就越大;
弹性势能的影响因素:
弹性形变。同一物体的弹性形变程度越大,它具有的弹性势能就越大。
机械能定义:动能与势能之和称为机械能。
机械能守恒:动能与势能之间是可以相互转化的,即动能可以转化成势能,势能也可以转化成动能。在只有动能与势能转化的过程中,机械能的总量保持不变。如图:卫星绕地球转动时,由于太空是真空,动能和势能相互转化,机械能不变。
规律总结:在只有重力、引力、弹力做功时,机械能是守恒的,其他力做功,机械能不守恒。
机械能间的转化:(1)动能和重力势能可以相互转化。
①动能转化为重力势能的标志是速度减小,所处的高度增加;
②重力势能转化为动能的标志是所处的高度减小,速度增大。
(2)动能和弹性势能可以相互转化。
①动能转化为弹性势能的标志是速度减小,形变增大;
②弹性势能转化为动能的标志是动能增大,形变减小;
③动能和弹性势能的相互转化可以发生在同一物体上,也可以发生在不同物体之间。
(3)在动能和势能相互转化的过程中,若没有能量损失(如克服阻力)或其他形式的能量的补充,机械能的总和保持不变,机械能守恒。
(4)机械能也可以转化为其他形式的能量。
对能量转化的理解:(1)分析某个物体在物理变化的过程中机械能的大小发生改变与否时,应全面考虑。即同时考虑动能、重力势能、弹性势能的变化情况。
(2)物体储存能量时,物体具有做功的本领,物体损失能量时,就说物体正在做功。
(3)物体对外界做功时,物体的能量减小。
(4)外界对物体做功时,物体的能量增加。
滚摆:
滚摆又称麦克斯韦摆,它是在学习机械能时,常用来演示重力势能和动能之间相互转化的仪器,如图。
做滚摆实验时,先调整悬绳,使摆轮处于水平最低位置,然后转动摆轮,使悬绳均匀地绕在摆轮的轴上,直至摆轮上升到悬绳的最上部,并且保持摆轮的轴与水平地面平行。此时,摆轮具有一定的重力势能,而动能为零。当由静止释放摆轮,在重力和悬绳拉力的共同作用下,摆轮边旋转,边下降,摆轮的重力势能不断减少,转化成摆轮的动能。当悬线全部伸开时,摆轮的重力势能不再减少,摆轮的动能达到最大值。由于惯性,摆轮继续旋转,摆轮轴又开始把绳绕在轴上,使摆轮开始上升,随着重力势能的增加,动能不断减少,动能转化为势能。直到上升到开始位置,摆轮停止转动,停止上升。接着又开始新的一轮下降、上升…… 实际上,摆轮每次下降后再上升都不会上升到前一次的高度,这是摩擦力、空气阻力等作用的结果,使一部分机械能转化为内能。
水能及其利用:
水能及其利用流动的水具有动能,高处的水具有势能,水所具有的机械能统称水能。
瀑布的水向下流时(如图),它会以极大的力量冲击瀑布下的岩石,并且以很大的速度冲刷土壤。
数千年前,人们已知道利用流水的能量来转动水车,汲水灌溉。自从19世纪末德国建成世界上第一座水电站以来,水力发电就成了水能利用的主要形式。当上游的水冲击水轮机的叶片时,就把大部分动能传递给水轮机,使水轮机转动起来,由此带动发电机发电。
为了增加水的机械能,必须修筑拦河大坝来提高河流上游的水位。如图是水力发电站的原理图。
区别:温度是用来表示物体冷热程度的物理量,内能是物体内部所包含的总能量,即所有分子动能和分子势能的和,物体的内能跟温度的高低、体积大小都有关系。热量指热传递过程中内能的改变量。因此与内能是一个状态量不同,热量是一个过程量。一个物体有内能,但不能说其具有热量或者含有热量。在热传递过程中物体内能变化的多少只能用热量来表示;
联系:物体温度的变化可以改变一个物体的内能,传递热量的多少可以量度物体内能改变的多少。物体吸收或放出热量,它的内能将发生改变,但它的温度不一定改变。,内能增加,但温度却保持在0℃不变;同样,物体放出热量时,温度也不一定降低。可以总结为一个物体温度改变了,其内能就一定改变,但内能改变时,其温度不一定改变。
概念辨析法区分温度、内能、热量三者的关系:
方法指南:
①一个物体温度升高了,不一定吸收了热量,也有可能是外界对物体做功,但它的内能一定增加。
②一个物体吸收了热量,温度不一定升高,但它的内能一定增加(物体不对外做功),如晶体熔化、液体沸腾等。
③一个物体内能增加了,它的温度不一定升高,如0℃的冰变成0℃的水;也不一定吸收了热量,有可能是外界对物体做了功。
④物体本身没有热量。只有发生了热传递,有了内能的转移时,才能讨论热量问题。
⑤热量是在热传递过程中,传递内能的多少,是一个过程量,不能说“含有”或“具有”热量。
⑥热量的多少与物体内能的多少、物体温度的高低没有关系。