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第 4 讲 功能关系 能量守恒定律
知识点一 功能关系
1.功能关系
(1)功是________的量度,即做了多少功就有多少________发生了转化.
(2)做功的过程一定伴随着____________,而且________必须通过做功来实现.
2.几种常见的功能关系及其表达式:
力做功 能的变化 定量关系
合力的功 动能变化 W=Ek2-Ek1=ΔEk
重力的功 ________变化
(1)重力做正功,重力势能
________
(2)重力做负功,重力势能
________
(3)WG=-ΔEp=________
弹簧弹力的功 ________变化
(1)弹力做正功,弹性势能
________
(2)弹力做负功,弹性势能
________
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(3)WF=-ΔEp=Ep1-Ep2
只有重力、弹簧弹力做功 ________不变化 机械能守恒ΔE=________
除重力和弹簧弹力之外的其
他力做的功
________变化
(1)其他力做多少正功,物体
的机械能就________多少
(2)其他力做多少负功,物体
的机械能就________多少
(3)W 其他=ΔE
一对相互作用的滑动摩擦力
的总功
机械能________
内能________
(1)作用于系统的一对滑动摩
擦力一定做负功,系统内能
________
(2)摩擦生热 Q=________
3.两个特殊的功能关系:
(1)滑动摩擦力与两物体间相对位移的乘积等于产生的内能,即________=Q.
(2)感应电流克服安培力做的功等于产生的电能,即 W 克安=E 电.
知识点二 能量守恒定律
1.内容
能量既不会凭空________,也不会凭空消失,它只能从一种形式________为另一种形式,
或者从一个物体________到别的物体,在转化或转移的过程中,能量的总量________.
2.表达式
(1)E1=E2.(2)ΔE 减=________.
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思考辨析
(1)功等于能,功就是能.( )
(2)力对物体做功过程中,功和能相互转化.( )
(3)在物体的机械能减少的过程中,动能有可能是增大的.( )
(4)滑动摩擦力做功时,一定会引起机械能的转化.( )
(5)一个物体的能量增加,必定有别的物体能量减少.( )
(6)合力(不包括重力)做的功等于物体动能的改变量.( )
(7)克服与势能有关的力(重力、弹簧弹力、电场力等)做的功等于对应势能的增加量.( )
(8)能量守恒定律是有条件的.( )
教材改编
[人教版必修 2P80T1,改编](多选)把质量是 0.2 kg 的小球放在竖立的弹簧上,并把球往下
按至 A 的位置,如图甲所示.迅速松手后,弹簧把球弹起,球升至最高位置 C(图丙),途中经
过位置 B 时弹簧正好处于自由状态(图乙).已知 B、A 的高度差为 0.1 m,C、B 的高度差为
0.2 m,弹簧的质量和空气的阻力均可忽略.则状态甲中弹簧的弹性势能与状态乙中小球的动
能分别为(g=10 m/s2)( )
A.Ep=0.6 .Ep=6 J
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C.Ek=0.4 J D.Ek=4 J
考点一 功能关系的理解及应用
师生共研
题型 1|由能量变化分析做功
例 1 如图,一质量为 m,长度为 l 的均匀柔软细绳 PQ 竖直悬挂.用外力将绳的下端 Q
缓慢地竖直向上拉起至 M 点,M 点与绳的上端 P 相距
l.重力加速度大小为 g.在此过程中,外
力做的功为( )
A.
mgl B.
mgl C.
mgl D.
mgl
题型 2|由做功分析能量变化
例 2 [2018·全国卷Ⅰ,18]如图,abc 是竖直面内的光滑固定轨道,ab 水平,长度为 2R;
bc 是半径为 R 的四分之一圆弧,与 ab 相切于 b 点.一质量为 m 的小球,始终受到与重力大
小相等的水平外力的作用,自 a 点处从静止开始向右运动.重力加速度大小为 g.小球从 a 点
开始运动到其轨迹最高点,机械能的增量为( )
A.2mgR B.4mgR C.5mgR D.6mgR
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题型 3|功能关系的综合应用
例 3 [2020·全国卷Ⅰ,20] (多选)一物块在高 3.0 m、长 5.0 m 的斜面顶端从静止开始沿
斜面下滑,其重力势能和动能随下滑距离 s 的变化如图中直线Ⅰ、Ⅱ所示,重力加速度取 10
m/s2.则( )
A.物块下滑过程中机械能不守恒
C.物块下滑时加速度的大小为 6.0 m/s2
D.当物块下滑 2.0 m 时机械能损失了 12 J
练 1 [2020·某某模拟]蹦极是一项既惊险又刺激的运动,深受年轻人的喜爱,如图所示,
蹦极者从 P 点由静止跳下,到达 A 处时弹性绳刚好伸直,继续下降到最低点 B 处,B 离水面
还有数米距离.蹦极者(视为质点)在其下降的整个过程中,重力势能的减少量为ΔE1,绳的弹
性势能的增加量为ΔE2,克服空气阻力做的功为 W,则下列说法正确的是( )
A.蹦极者从 P 到 A 的运动过程中,机械能守恒
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B.蹦极者与绳组成的系统从 A 到 B 的运动过程中,机械能守恒
C.ΔE1=W+ΔE2
D.ΔE1+ΔE2=W
练 2 焰火晚会上,万发礼花弹点亮夜空,如图所示为竖直放置的炮筒在发射礼花弹.炮
筒的长度为 1 m,每个礼花弹质量为 1 kg(在炮筒内运动过程中看作质量不变),礼花弹在炮
筒中受到重力、高压气体的推力和炮筒内阻力的作用.当地重力加速度为 10 m/s2,发射过程
中高压气体对礼花弹做功 900 J,礼花弹离开炮筒口时的动能为 800 J.礼花弹从炮筒底部竖
直运动到炮筒口的过程中,下列判断正确的是( )
A.重力势能增加 800 J
B.克服炮筒内阻力做功 90 J
C.克服炮筒内阻力做功无法计算
D.机械能增加 800 J
考点二 能量守恒定律的应用
师生共研
对能量守恒定律的理解
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(1)转化:某种形式的能量减少,一定存在其他形式的能量增加,且减少量和增加量一定
相等.
(2)转移:某个物体的能量减少,一定存在其他物体的能量增加,且减少量和增加量相等.
例 4 如图所示,一物体质量 m=2 kg,在倾角θ=37°的斜面上的 A 点以初速度 v0=3 m/s
下滑,A 点距弹簧上端 B 的距离 AB=4 m.当物体到达 B 点后将弹簧压缩到 C 点,最大压缩
量 BC=0.2 m,然后物体又被弹簧弹上去,弹到的最高位置为 D 点,D 点距 A 点的距离 AD
=3 m,挡板及弹簧质量不计,g 取 10 m/s2,sin 37°=0.6,求:
(1)物体与斜面间的动摩擦因数μ.
(2)弹簧的最大弹性势能 Epm.
练 3 (多选)如图所示,AB 为固定水平长木板,长为 L,C 为长木板的中点,AC 段光滑,
CB 段粗糙,一原长为
的轻弹簧一端连在长木板左端的挡板上,另一端连一物块,开始时将物
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块拉至长木板的右端 B 点,由静止释放物块,物块在弹簧弹力的作用下向左滑动,已知物块
与长木板 CB 段间的动摩擦因数为μ,物块的质量为 m,弹簧的劲度系数为 k,且 k>
,物
块第一次到达 C 点时,物块的速度大小为 v0,这时弹簧的弹性势能为 E0,不计物块的大小,
则下列说法正确的是( )
A.物块可能会停在 CB 面上某处
B.物块最终会做往复运动
C.弹簧开始具有的最大弹性势能为
m
+E0
D.物块克服摩擦做的功最大为
m
+
μmgL
练 4 [2021·某某东阳模拟]如图所示,水平面上的 A 点有一固定的理想弹簧发射装置,
发射装置内壁光滑,A 点为发射口所在的位置,在竖直面内由内壁光滑的钢管弯成的“9”字
形固定轨道在 B 点与水平面平滑相接,钢管内径很小,“9”字全高 H=1 m,“9”字上半部
分圆弧轨道半径 R=0.1 m,圆弧为
圆周,圆弧轨道与其下端相接的水平部分轨道相切,当弹
簧压缩量为 2 cm(弹性限度内)时,启动发射装置,恰能使质量 m=0.1 kg 的滑块沿轨道上升
到最高点 C,已知弹簧弹性势能与其压缩量的平方成正比,A、B 间距离为 L=4 m,滑块与
水平面间的动摩擦因数为 0.2,重力加速度 g=10 m/s2,求:
(1)当弹簧压缩量为 2 cm 时,弹簧的弹性势能;
(2)当弹簧压缩量为 3 cm(弹性限度内)时,启动发射装置,滑块滑到轨道最高点 C 时对轨
道的作用力;
(3)当弹簧压缩量为 3 cm 时,启动发射装置,滑块从 D 点水平抛出后的水平射程.
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题后反思
1.运用能量守恒定律解题的基本思路
2.多过程问题的解题技巧
(1)“合”——初步了解全过程,构建大致的运动图景.
(2)“分”——将全过程进行分解,分析每个过程的规律.
(3)“合”——找到子过程的联系,寻找解题方法.
考点三 摩擦力做功与能量转化
多维探究
1.两种摩擦力的做功情况比较
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类别
比较
静摩擦力 滑动摩擦力
不
同
点
能量的转
化方面
只有能量的转移,而没有能量的
转化
既有能量的转移,又有能量的转化
一对摩擦
力的总功
方面
一对静摩擦力所做功的代数和
等于零
一对滑动摩擦力所做功的代数和不为
零,总功 W=-Ff·x 相对,即摩擦时产
生的热量
相
同
点
正功、负
功、不做功
方面
两种摩擦力对物体可以做正功、负功,还可以不做功
(1)正确分析物体的运动过程,做好受力情况分析.
(2)利用运动学公式,结合牛顿第二定律分析物体的速度关系及位移关系.
(3)公式 Q=Ff·x 相对中 x 相对为两接触物体间的相对位移,若物体在传送带上做往复运动时,
则 x 相对为总的相对路程.
题型 1|滑块一滑板模型中能量的转化问题
例 5 如图甲所示,一长木板静止在水平地面上,在 t=0 时刻,一小物块以一定速度从左
端滑上长木板,之后长木板运动 v t 图象如图乙所示,已知小物块与长木板的质量均为 m
=1 kg,已知木板足够长,(g=10 m/s2),求:
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(1)小物块与长木板间动摩擦因数的值;
(2)在整个运动过程中,系统所产生的热量.
题型 2|传送带模型中能量的转化问题
例 6 电动机带动水平传送带以速度 v 匀速传动,一质量为 m 的小木块由静止轻放在传送
带上,如图所示.若小木块与传送带之间的动摩擦因数为μ,当小木块与传送带相对静止时,
求:
(1)小木块的位移;
(2)传送带转过的路程;
(3)小木块获得的动能;
(4)摩擦过程产生的摩擦热;
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(5)电动机带动传送带匀速传动输出的总能量.
练 5 [2021·某某某某一模](多选)第一次将一长木板静止放在光滑水平面上,如图甲所
示,一小铅块(可视为质点)以水平初速度 v0 由木板左端向右滑动,到达右端时恰能与木板保持
相对静止.第二次将长木板分成 A、B 两块,使 B 的长度和质量均为 A 的 2 倍,并紧挨着放
在原水平面上,让小铅块仍以初速度 v0 由 A 的左端开始向右滑动,如图乙所示.若小铅块相
对滑动过程中所受的摩擦力始终不变,则下列说法正确的是( )
A.小铅块将从 B 的右端飞离木板
B.小铅块滑到 B 的右端前已与 B 保持相对静止
C.第一次和第二次过程中产生的热量相等
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D.第一次过程中产生的热量大于第二次过程中产生的热量
练 6 [2020·某某某某市期末]如图所示,固定的粗糙弧形轨道下端 B 处水平,上端 A 与
B 的高度差为 h1=0.3 m,倾斜传送带与水平方向的夹角为θ=37°,传送带的上端 C 点与 B
点的高度差为h2=0.112 5 m(传送带传动轮的大小可忽略不计).一质量为 m=1 kg 的滑块(可
看作质点)从轨道的 A 点由静止滑下,然后从 B 点水平抛出,恰好以平行于传送带的速度落到
传送带上 C 点,传送带逆时针转动,速度大小为 v=0.5 m/s,滑块与传送带间的动摩擦因数
为μ=0.8,且传送带足够长,空气阻力忽略不计,g=10 m/s2,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8,
试求:
(1)滑块运动至 C 点时的速度 vC 的大小;
(2)滑块由 A 到 B 运动过程中克服摩擦力做的功 Wf;
(3)滑块在传送带上运动时与传送带因摩擦产生的热量 Q.
思维拓展
能量守恒与功能关系 STSE 问题
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例 1 [太阳能路灯]图中的路灯为太阳能路灯,每只路灯的光伏电池板有效采光面积约 0.3
m2.晴天时电池板上每平方米每小时接收到的太阳辐射能约为 3×106 J.如果每天等效日照时
间约为 6 h,光电池一天产生的电能可供 30 W 的路灯工作 8 h,则光电池的光电转换效率约
为( )
A.4.8% B.9.6% C.16% D.44%
例 2 [风力发电]某某,是全国唯一一个以“开发扶贫、生态建设”为主题的试验区,是国
家“西电东送”的主要能源基地.如图所示,赫章的韭菜坪建有风力发电机,风力带动叶片
转动,叶片再带动转子(磁极)转动,使定子(线圈,不计电阻)中产生电流,实现风能向电能的
转化.若叶片长为 l,设定的额定风速为 v,空气的密度为ρ,额定风速下发电机的输出功率为
P,则风能转化为电能的效率为( )
A.
π
B.
π
C.
π
D.
8π
例 3 [节能汽车] (多选)某汽车研发机构在汽车的车轮上安装了小型发电机,将减速时的部
分动能转化并储存在蓄电池中,以达到节能的目的.某次测试中,汽车以额定功率行驶一段
距离后关闭发动机,测出了汽车动能 Ek 与位移 x 的关系图象如图所示,其中①是关闭储能装
置时的关系图线,②是开启储能装置时的关系图线.已知汽车的质量为 1 000 kg,设汽车运
动过程中所受地面阻力恒定,空气阻力不计.根据图象所给的信息可求出( )
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A.汽车行驶过程中所受地面的阻力为 1 000 N
B.汽车的额定功率为 80 kW
C.汽车加速运动的时间为 22.5 s
D.汽车开启储能装置后向蓄电池提供的电能为 5×105 J
例 4 [无人驾驶乘用车]
情境:2018 年 11 月 11 日,在百度世界大会上,百度与一汽共同宣布:L4 级别完全自
动化无人驾驶乘用车将批量生产.有关资料检测表明,当无人驾驶车正以 20 m/s 的速度在平
直公路上行驶时,遇到紧急情况需立即刹车(忽略无人驾驶汽车反应时间).设该车刹车时产生
的加速度大小为 8 m/s2.
问题:将上述运动简化为匀减速直线运动,直到汽车停下.已知无人驾驶汽车质量为 1.8
t.
求:在此过程中该无人驾驶汽车
(1)动能如何变化?
(2)前进的距离 x 是多少?
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第 4 讲 功能关系 能量守恒定律
基础落实
知识点一
1.(1)能量转化 能量(2)能量的转化 能量转化
2.重力势能 减小 增加 Ep1-Ep2 弹性势能 减少 增加 机械能 0 机械能 增
加 减小 减少 增加 增加 Ff·x 相对
3.Ff·x 相对
知识点二
1.产生 转化 转移 保持不变
2.(2)ΔE 增
思考辨析
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(1)× (2)× (3)√ (4)√ (5)√ (6)× (7)√ (8)×
教材改编
答案:AC
考点突破
例 1 解析:以均匀柔软细绳 MQ 段为研究对象,其质量为
m,取 M 点所在的水平面为
零势能面,开始时,细绳 MQ 段的重力势能 Ep1=-
mg·
=-
mgl,用外力将绳的下端 Q
缓慢地竖直向上拉起至 M 点时,细绳 MQ 段的重力势能 Ep2=-
mg·
=-
mgl,则外力做
的功即克服重力做的功等于细绳 MQ 段的重力势能的变化,即 W=Ep2-Ep1=-
mgl+
mgl=
mgl,选项 A 正确.
答案:A
例 2 解析:设小球运动到 c 点的速度大小为 vc,则对小球由 a 到 c 的过程,由动能定理
有 F·3R-mgR=
m
,又 F=mg,解得 vc=2
g
,小球离开 c 点后,在水平方向做初速度
为零的匀加速直线运动,竖直方向在重力作用下做匀减速直线运动,由牛顿第二定律可知,
小球离开 c 点后水平方向和竖直方向的加速度大小均为 g,则由竖直方向的运动可知,小球从
离开 c 点到其轨迹最高点所需的时间为 t=
g
=2
g
,在水平方向的位移大小为 x=
gt2=2R.
由以上分析可知,小球从 a 点开始运动到其轨道最高点的过程中,水平方向的位移大小为 5R,
则小球机械能的增加量为ΔE=F·5R=5mgR,C 正确,A、B、D 错误.
答案:C
例 3 解析:由题图可得 Fp0=mgh=30 J,其中 h=3 m,则 m=1 kg,动能和重力势
能之和减小,机械能不守恒,故 A 正确;由题图可知,物块到达底端时动能为 10 J,由 Ek=
mv2,
可得 v=2
m/s,由 v2-
=2as 得,a=
=2 m/s2,故 C 错误;设斜面倾角为θ,有
sin θ=0.6,cos θ=0.8,由牛顿第二定律有 mg sin θ-μmg cos θ=ma,解得μ=0.5,
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故 B 正确;下滑 2.0 m 时,动能、重力势能之和为 22 J,故机械能损失 8 J,故 D 错误.故
选 A、B.
答案:AB
练 1 解析:蹦极者从 P 到 A 及从 A 到 B 的运动过程中,由于有空气阻力做功,所以机
械能减少,选项 A、B 错误;整个过程中重力势能的减少量等于绳的弹性势能增加量和克服空
气阻力做功之和,即ΔE1=W+ΔE2,选项 C 正确,选项 D 错误.
答案:C
练 2 解析:礼花弹从炮筒底部竖直运动到炮筒口的过程中,重力势能增加ΔEp=mgΔh
=10 J,A 错误;由动能定理可知,合外力对礼花弹做功 800 J,重力做功-10 J,高压气体
做功 900 J,所以克服炮筒内阻力做功 90 J,B 正确,C 错误;由功能关系,重力以外其他力
做功 810 J,所以礼花弹机械能增加 810 J,D 错误.
答案:B
例 4 解析:(1)物体从开始位置 A 点到最后 D 点的过程中,弹性势能没有发生变化,动
能和重力势能减少,机械能的减少量为
ΔE=ΔEk+ΔEp=
m
+mgxADsin 37°①
物体克服摩擦力产生的热量为 Q=Ffx②
其中 x 为物体的路程,即 x=5.4 m③
Ff=μmgcos 37°④
由能量守恒定律可得ΔE=Q⑤
由①②③④⑤式解得μ=0.52.
(2)由 A 到 C 的过程中,动能减少ΔE′k=
m
⑥
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重力势能减少ΔE′p=mgxACsin37°⑦
摩擦生热 Q′=FfxAC=μmgcos37°xAC⑧
由能量守恒定律得弹簧的最大弹性势能为
ΔEpm=ΔE′k+ΔE′p-Q′⑨
联立⑥⑦⑧⑨解得ΔEpm=24.5 J.
答案:(1)0.52 (2)24.5 J
练 3 解析:由于 k>
,k·
L>μmg,由此,物块不可能停在 BC 段,故 A 错误;只要
物块滑上 BC 段,就要克服摩擦力做功,物块的机械能就减小,所以物块最终会在 AC 段做往
返运动,故 B 正确;物块从开始运动到第一次运动到 C 点的过程中,根据能量守恒定律得:
Epm=E0+
m
+μmg·
,故 C 错误;物块第一次到达 C 点时,物块的速度大小为 v0,物块
最终会在 AC 段做往返运动,到达 C 点的速度为 0,可知物块克服摩擦做的功最大为 Wfm=
Epm-E0=
m
+
μmgL,故 D 正确.
答案:BD
练 4 解析:(1)根据能量守恒定律得,Ep=μmgL+mgH,解得 Ep=1.8 J.
(2)因为弹簧弹性势能与压缩量的平方成正比
故当弹簧压缩量为 3 cm 时,E′P=
Ep
根据能量守恒定律得 E′P=μmgL+mgH+
m
由牛顿第二定律得 FN+mg=m
,解得 FN=44 N
由牛顿第三定律可知,滑块滑到轨道最高点 C 时对轨道作用力的大小 F′N=44 N,方向
竖直向上.
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(3)根据能量守恒定律可得 E′p=μmgL+mg(H-2R)+
m
,解得 vD=7 m/s
由平抛运动规律得 H-2R=
gt2,x=vDt
故水平射程 x=2.8 m.
答案:(1)1.8 J (2)44 N 方向竖直向上 (3)2.8 m
例 5 解析:本题考查功能关系在板块模型中的应用.
(1)设小物块与长木板间的动摩擦因数为μ1,长木板与地面间的动摩擦因数为μ2,长木板
达到的最大速度为 vm,长木板加速过程中,由牛顿第二定律得
μ1mg-2μ2mg=ma1,
vm=a1t1,
木板和物块相对静止,共同减速过程中,由牛顿第二定律得
μ2·2mg=2ma2,
vm=a2t2,
由图象可知,vm=2 m/s,t1=2 s,t2=1 s,
联立解得μ1=0.5.
(2)设小物块初速度为 v0,则滑上长木板时的加速度大小为 a0,则有μ1mg=ma0,
vm=v0-a0t1,
在整个过程中,由能量守恒定律得 Q=
m
=72 J.
答案:(1)0.5 (2)72 J
例 6 解析:木块刚放上时速度为零,必然受到传送带的滑动摩擦力作用,做匀加速直线
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运动,达到与传送带共速后不再相对滑动,整个过程中木块获得一定的能量,系统要产生摩
擦热.对小木块,相对滑动时由μmg=ma 得加速度 a=μg.由 v=at 得,达到相对静止所用
时间 t=
g
.
(1)小木块的位移 l1=
t=
g
.
(2)传送带始终匀速运动,路程 l2=vt=
g
.
(3)小木块获得的动能 Ek=
mv2
也可用动能定理μmgl1=Ek,故 Ek=
mv2.
(4)产生的摩擦热:Q=μmg(l2-l1)=
mv2.(注意:Q=Ek 是一种巧合,不是所有的问题都
这样)
(5)由能量守恒定律得,电机输出的总能量转化为小木块的动能与摩擦热,所以 E 总=Ek
+Q=mv2.
答案:(1)
g
(2)
g
(3)
mv2(4)
mv2 (5)mv2
练 5 解析:在第一次小铅块运动过程中,小铅块与木板之间的摩擦力使整个木板一直加
速,第二次小铅块先使整个木板加速,当小铅块运动到 B 上后 A 停止加速,只有 B 加速,加
速度大于第一次的对应过程,故第二次小铅块与 B 将更早共速,所以小铅块还没有运动到 B
的右端,二者就已共速,A 错误,B 正确;由于第一次的相对路程大于第二次的相对路程,则
第一次过程中产生的热量大于第二次过程中产生的热量,C 错误,D 正确.
答案:BD
练 6 解析:(1)在 C 点,竖直分速度:vy=
g
=1.5 m/s
由 vy=vCsin 37°,解得 vC=2.5 m/s
(2)C 点的水平分速度与 B 点的速度相等,则
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vB=vx=vCcos 37°=2 m/s
从 A 到 B 点的过程中,根据动能定理得
mgh1-Wf=
m
解得 Wf=1 J
(3)滑块在传送带上运动时,根据牛顿第二定律有
μmgcos 37°-mgsin 37°=ma
解得 a=0.4 m/s2
达到与传送带共速所需时间 t=
=5 s 滑块与传送带间的相对位移Δx=
㌠
t-vt=5
m
由于 mgsin 37°