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3.1 功能关系

功和功率 · 高一
先确认一下:这一关能不能学
先会这个
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 合外力对物体做的功等于物体动能的变化量,即 $W_{\text{合}} = \Delta E_k$。

从哪来 建立在 1.2 能量与做功的关系 之上。

为什么 功是能量转化的量度。当合外力对物体做功时,必然引起物体运动状态(速度)的改变,从而改变其动能。根据牛顿第二定律 $F=ma$ 和运动学公式 $v^2 - v_0^2 = 2ax$ 推导:$W = F \cdot x = ma \cdot x = m \cdot \frac{v^2 - v_0^2}{2} = \frac{1}{2}mv^2 - \frac{1}{2}mv_0^2$。这揭示了功与动能变化在数值上的严格相等关系,本质是力在空间上的积累效应转化为物体运动能量的变化。

讲法
适合:逻辑推导型、喜欢从公式本源理解的学生 从牛顿第二定律和匀变速直线运动公式出发,进行代数推导。 1. 设物体质量为 $m$,初速度 $v_0$,末速度 $v$,受恒力 $F$ 作用,位移为 $x$。 2. 由 $F=ma$ 得 $a=F/m$。 3. 由 $v^2 - v_0^2 = 2ax$ 得 $x = \frac{v^2 - v_0^2}{2a}$。 4. 功 $W = Fx = F \cdot \frac{v^2 - v_0^2}{2a} = ma \cdot \frac{v^2 - v_0^2}{2a} = \frac{1}{2}mv^2 - \frac{1}{2}mv_0^2$。 结论:合外力做的功等于动能的变化。强调这是普遍规律,虽由恒力推导,但适用于变力。
讲法
适合:形象思维型、喜欢物理图像和类比的学生 使用“银行存取款”类比。 1. 动能 $E_k$ 就像银行账户里的余额。 2. 合外力做的功 $W_{\text{合}}$ 就像净存取款额(存入为正,取出为负)。 3. 如果银行给你存了 100 元($W>0$),你的余额增加 100 元($\Delta E_k > 0$);如果取出了 50 元($W<0$),余额减少 50 元($\Delta E_k < 0$)。 4. 无论中间经过多少笔交易(多个力做功),最终余额的变化只取决于净存取款(合外力做功)。
讲法
适合:应用导向型、喜欢直接解题技巧的学生 强调“过程量”与“状态量”的对应,以及“整体法”优势。 1. 动能定理是连接“力”与“运动”的桥梁,特别适用于已知力、位移求速度,或已知速度变化求力/位移的问题。 2. 核心技巧:不需要分析中间过程的加速度 $a$ 和时间 $t$,只需关注初末状态和总功。 3. 口诀:“力乘位移算总功,初末动能相减得”。 4. 提醒:$W_{\text{合}}$ 是所有力做功的代数和,不是某个单独的力。
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练一道
基础题
质量 $m=2\text{kg}$ 的物体在光滑水平面上,初速度 $v_0=0$,受水平恒力 $F=10\text{N}$ 作用,移动 $x=5\text{m}$。求末速度 $v$。
变式
质量 $m=1\text{kg}$ 的物体以 $v_0=10\text{m/s}$ 在粗糙水平面上滑行,受到恒定阻力 $f=5\text{N}$,直到停止。求滑行距离 $x$。
试试手自己判
检测题
一个质量为 $2\text{kg}$ 的物体,从静止开始沿倾角 $30^\circ$ 的光滑斜面下滑 $4\text{m}$。取 $g=10\text{m/s}^2$。求物体滑到底端时的动能。
看答案和判分标准
答案:$40\text{J}$
判对标准:
1. 正确识别只有重力做功,支持力不做功。
2. 正确计算重力做功 $W_G = mgh = mg \cdot L \sin 30^\circ = 2 \times 10 \times 4 \times 0.5 = 40\text{J}$。
3. 正确应用动能定理 $W_{\text{合}} = \Delta E_k$,得出末动能为 $40\text{J}$。
4. 若学生先求加速度再求速度再求动能,过程正确且结果正确,也判对。
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