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7.1 功与能的关系

功和能 · 高一
先确认一下:这一关能不能学
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 功是能量转化的量度,力对物体做功的过程,就是其他形式能量转化为物体动能的过程。

从哪来 建立在 2.1 重力与万有引力 之上。理解重力做功与高度变化的关系,是推导动能定理及理解能量守恒的基础。

为什么 力在空间上的积累效应(功)会导致物体运动状态(速度)的改变。根据牛顿第二定律 $F=ma$ 和运动学公式 $v^2 - v_0^2 = 2ax$,消去加速度 $a$ 和质量 $m$ 后,可推导出 $W = \frac{1}{2}mv^2 - \frac{1}{2}mv_0^2$。这说明力做功直接改变了物体的动能,功是能量变化的桥梁。

生活类比法
适合形象思维强、抽象逻辑较弱的学生。 把“功”比作“银行转账”,把“能量”比作“账户余额”。力做功就是“转账操作”,正功是“存入”(能量增加),负功是“取出”(能量减少)。强调没有转账(不做功),余额(能量)就不会变。
数学推导法
适合逻辑严密、擅长代数运算的学生。 直接从牛顿第二定律 $F=ma$ 出发,结合匀变速直线运动位移公式 $x = \frac{v^2 - v_0^2}{2a}$,代入功的定义式 $W=Fx$,一步步推导出 $W = \Delta E_k$。强调这是从动力学角度对能量关系的数学证明。
实验探究法
适合动手能力强、喜欢实证的学生。 利用气垫导轨或光滑斜面,让小车在不同拉力下运动,测量拉力 $F$、位移 $x$ 以及初末速度 $v_0, v$。让学生分组计算 $Fx$ 和 $\frac{1}{2}mv^2 - \frac{1}{2}mv_0^2$ 的数值,发现两者在误差允许范围内相等,从而归纳出功与能的关系。
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练一道
基础题
质量为 2kg 的物体在光滑水平面上,初速度为 2m/s,受到 10N 的水平恒力作用,移动了 5m。求:(1) 力做的功;(2) 物体动能的变化量。
变式
上述物体若受到 10N 的拉力,但拉力方向与位移方向成 30° 角,移动 5m。求:(1) 力做的功;(2) 物体动能的变化量。
试试手自己判
检测题
一个物体在水平面上运动,受到一个与运动方向相反的摩擦力 $f$,位移为 $s$。下列说法正确的是: A. 摩擦力做正功,物体动能增加 B. 摩擦力做负功,物体动能减少 C. 摩擦力不做功,物体动能不变 D. 摩擦力做负功,物体动能增加
看答案和判分标准
答案:B
判对标准:
- 选 B 且能解释:摩擦力方向与位移方向相反,$\cos 180^\circ = -1$,故 $W_f = -fs < 0$;根据动能定理,合外力做负功,动能减少。
- 选 A/C/D 均判错。若选 D,需指出其逻辑矛盾(负功对应动能减少,而非增加)。
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