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1.2 能量与做功的关系

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机械能的过程。

从哪来 本知识点建立在2.1 重力与万有引力之上。理解重力做功与重力势能变化的关系,是理解“功是能量转化量度”这一核心概念的基础模型。

为什么 能量是状态量,描述物体在某一时刻的状态;功是过程量,描述状态改变的过程。 根据牛顿第二定律 $F=ma$ 和运动学公式 $v^2 - v_0^2 = 2ax$,推导可得 $W = F \cdot s = ma \cdot s = m \frac{v^2 - v_0^2}{2} = \Delta E_k$。 这表明:力在空间上的积累(做功)导致了物体动能的变化。因此,做功不是创造能量,而是能量从一种形式转化为另一种形式(如化学能转动能、势能转动能)的“桥梁”和“计量单位”。没有做功,能量状态就不会改变。

讲法
生活类比法 适合:形象思维强、对抽象物理量感到困难的学生 把“能量”比作银行账户里的余额,“功”比作转账记录。 - 你存钱(外力做正功),余额增加(能量增加)。 - 你取钱(外力做负功/克服阻力做功),余额减少(能量减少)。 - 转账金额(功的大小)精确等于余额的变化量(能量变化)。 - 重点强调:钱(能量)不会凭空消失,只是从一个口袋(势能)转到另一个口袋(动能),而“转账”(做功)就是记录这一过程的凭证。
讲法
数学推导法 适合:逻辑严密、擅长公式推导的学生 直接展示从动力学到能量学的推导链条: 1. 恒力做功定义:$W = F \cdot l \cdot \cos\theta$ 2. 牛顿第二定律:$F = ma$ 3. 匀变速直线运动位移公式:$l = \frac{v^2 - v_0^2}{2a}$ 4. 代入消元:$W = ma \cdot \frac{v^2 - v_0^2}{2a} = \frac{1}{2}mv^2 - \frac{1}{2}mv_0^2$ 结论:合外力做的功等于物体动能的变化量。这揭示了功与动能变化的定量关系,进而推广到所有形式的能量转化。
讲法
实验探究法 适合:动手能力强、喜欢通过现象归纳规律的学生 设计“小车拖动纸带”实验: 1. 用不同大小的力拉小车,测量小车获得的末速度。 2. 计算拉力做的功 $W$ 和动能变化 $\Delta E_k$。 3. 让学生发现:无论力多大、距离多长,$W$ 总是等于 $\Delta E_k$。 4. 引入摩擦阻力,让学生发现:拉力做的功 = 动能增加量 + 克服摩擦产生的内能。 结论:做功是能量转化的通用语言,不仅限于动能,还包括内能等其他形式。
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练一道
基础题
一个质量为 2kg 的物体,在光滑水平面上受到 10N 的水平恒力作用,从静止开始运动了 5m。求: (1) 力对物体做的功; (2) 物体获得的动能。
变式
一个质量为 1kg 的物体,以 10m/s 的初速度在粗糙水平面上滑行,受到 5N 的恒定滑动摩擦力,最终停下。求: (1) 摩擦力做的功; (2) 物体克服摩擦力做的功; (3) 此过程中机械能转化为内能的量。
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成 60° 角、大小为 20N 的拉力作用,前进了 10m。已知物体初速度为 0,末速度为 2m/s,质量为 2kg。 问: (1) 拉力做的功是多少? (2) 除拉力外,其他力(如摩擦力)做的总功是多少? (3) 此过程中,有多少机械能转化为了内能?
看答案和判分标准
答案:(1) $W_F = F \cdot s \cdot \cos 60^\circ = 20 \times 10 \times 0.5 = 100\text{J}$。 (2) 根据动能定理:$W_{\text{合}} = \Delta E_k = \frac{1}{2}mv^2 - 0 = \frac{1}{2} \times 2 \times 2^2 = 4\text{J}$。 $W_{\text{合}} = W_F + W_{\text{其他}}$,所以 $W_{\text{其他}} = 4 - 100 = -96\text{J}$。 (3) 其他力做的负功(-96J)对应机械能转化为内能,故转化量为 96J。
判对标准:
- (1) 正确计算拉力功(100J)得 2 分;
- (2) 正确运用动能定理求出合外力功(4J),并正确推导出其他力功(-96J)得 3 分;
- (3) 正确指出转化内能等于克服其他力做功的绝对值(96J)得 1 分。
- 若只算出拉力功但无法处理其他力,视为未掌握“功是能量转化量度”的核心。
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