高考物理动能定理的综合应用解题技巧及经典题型及练习题(含答案)

高考物理动能定理的综合应用解题技巧及经典题型及练习题(含答案)

一、高中物理精讲专题测试动能定理的综合应用

1．如图所示,倾角为37°的粗糙斜面AB 底端与半径R=0.4 m 的光滑半圆轨道BC 平滑相连,O 点为轨道圆心,BC 为圆轨道直径且处于竖直方向,A 、C 两点等高．质量m=1 kg 的滑块从A 点由静止开始下滑,恰能滑到与O 点等高的D 点,g 取10 m/s 2,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8．求:

(1)求滑块与斜面间的动摩擦因数μ;

(2)要使滑块能到达C 点,求滑块从A 点沿斜面滑下时初速度v 0的最小值;

(3)若滑块离开C 点的速度为4 m/s ,求滑块从C 点飞出至落到斜面上所经历的时间． 【答案】（1）0.375（2）3/m s （3）0.2s 【解析】

试题分析：⑴滑块在整个运动过程中，受重力mg 、接触面的弹力N 和斜面的摩擦力f 作用，弹力始终不做功，因此在滑块由A 运动至D 的过程中，根据动能定理有：mgR －

μmgcos37°

2sin 37R

?

＝0－0 解得：μ＝0.375

⑵滑块要能通过最高点C ，则在C 点所受圆轨道的弹力N 需满足：N≥0 ①

在C 点时，根据牛顿第二定律有：mg ＋N ＝2C

v m R

② 在滑块由A 运动至C 的过程中，根据动能定理有：－μmgcos37°

2sin 37R ?＝2

12

C mv －

2

012

mv ③ 由①②③式联立解得滑块从A 点沿斜面滑下时的初速度v 0需满足：v 03gR ＝23 即v 0的最小值为：v 0min ＝3

⑶滑块从C 点离开后将做平抛运动，根据平抛运动规律可知，在水平方向上的位移为：x ＝vt ④

在竖直方向的位移为：y ＝

2

12

gt ⑤ 根据图中几何关系有：tan37°＝

2R y

x

-⑥ 由④⑤⑥式联立解得：t ＝0.2s

考点：本题主要考查了牛顿第二定律、平抛运动规律、动能定理的应用问题，属于中档题．

2．为了备战2022年北京冬奥会，一名滑雪运动员在倾角θ=30°的山坡滑道上进行训练，运动员及装备的总质量m=70 kg．滑道与水平地面平滑连接，如图所示．他从滑道上由静止开始匀加速下滑，经过t=5s到达坡底，滑下的路程 x=50 m．滑雪运动员到达坡底后又在水平面上滑行了一段距离后静止．运动员视为质点,重力加速度g=10m/s2，求：

（1）滑雪运动员沿山坡下滑时的加速度大小a；

（2）滑雪运动员沿山坡下滑过程中受到的阻力大小f；

（3）滑雪运动员在全过程中克服阻力做的功W f．

【答案】（1）4m/s2（2）f = 70N （3）1.75×104J

【解析】

【分析】

（1）运动员沿山坡下滑时做初速度为零的匀加速直线运动，已知时间和位移，根据匀变速直线运动的位移时间公式求出下滑的加速度．

（2）对运动员进行受力分析，根据牛顿第二定律求出下滑过程中受到的阻力大小．（3）对全过程，根据动能定理求滑雪运动员克服阻力做的功．

【详解】

（1）根据匀变速直线运动规律得：x=1

2

at2

解得：a=4m/s2

（2）运动员受力如图，根据牛顿第二定律得：mgsinθ-f=ma

解得：f=70N

（3）全程应用动能定理，得：mgxsinθ-W f =0

解得：W f =1.75×104J

【点睛】

解决本题的关键要掌握两种求功的方法，对于恒力可运用功的计算公式求．对于变力可根据动能定理求功．

3．为了研究过山车的原理，某物理小组提出了下列设想：取一个与水平方向夹角为

θ=60°、长为L13m的倾斜轨道AB，通过微小圆弧与长为L2=

3

2

m的水平轨道BC相

连，然后在C处设计一个竖直完整的光滑圆轨道，出口为水平轨道上D处，如图所示.现将

一个小球从距A 点高为h =0.9m 的水平台面上以一定的初速度v 0水平弹出，到A 点时小球的速度方向恰沿AB 方向，并沿倾斜轨道滑下.已知小球与AB 和BC 间的动摩擦因数均为μ

=

3

3

，g 取10m/s 2.

（1）求小球初速度v 0的大小； （2）求小球滑过C 点时的速率v C ；

（3）要使小球不离开轨道，则竖直圆弧轨道的半径R 应该满足什么条件？ 【答案】（16m/s （2）6m/s （3）0

试题分析：（1）小球开始时做平抛运动：v y 2=2gh

代入数据解得：22100.932/y v gh m s =??＝＝

A 点：60y x v tan v ?=

得：032

/6/603

y

x v v v s m s tan ==

?

＝

＝ （2）从水平抛出到C 点的过程中，由动能定理得：

()22

11201122

C mg h L sin mgL cos mgL mv mv θμθμ+---＝代入数据解得：36/C v m s ＝

（3）小球刚刚过最高点时，重力提供向心力，则：2

1

mv mg R ＝

22111 222

C mv mgR mv +＝ 代入数据解得R 1=1．08 m

当小球刚能到达与圆心等高时2

21

2

C mv mgR ＝ 代入数据解得R 2=2．7 m

当圆轨道与AB 相切时R 3=BC?tan 60°=1．5 m 即圆轨道的半径不能超过1．5 m

综上所述，要使小球不离开轨道，R 应该满足的条件是 0＜R≤1．08 m ． 考点：平抛运动；动能定理

4．质量 1.5m kg =的物块（可视为质点）在水平恒力F 作用下，从水平面上A 点由静止开始运动，运动一段距离撤去该力，物块继续滑行 2.0t s =停在B 点，已知A 、B 两点间的距

离 5.0s m =，物块与水平面间的动摩擦因数0.20μ=，求恒力F 多大．（2

10/g m s =）

【答案】15N 【解析】 设撤去力

前物块的位移为

，撤去力

时物块的速度为，物块受到的滑动摩擦力

对撤去力后物块滑动过程应用动量定理得

由运动学公式得

对物块运动的全过程应用动能定理

由以上各式得 代入数据解得

思路分析：撤去F 后物体只受摩擦力作用，做减速运动，根据动量定理分析，然后结合动能定律解题

试题点评：本题结合力的作用综合考查了运动学规律，是一道综合性题目．

5．一种氢气燃料的汽车，质量为m =2.0×103kg ，发动机的额定输出功率为80kW ，行驶在平直公路上时所受阻力恒为车重的0.1倍。若汽车从静止开始先匀加速启动，加速度的大小为a =1.0m/s 2。达到额定输出功率后，汽车保持功率不变又加速行驶了800m ，直到获得最大速度后才匀速行驶。求：(g =10m/s 2) (1)汽车的最大行驶速度。

(2)汽车从静止到获得最大行驶速度所用的总时间。 【答案】（1）40m/s ；（2）55s 【解析】 【详解】

（1）设汽车的最大行驶速度为v m ．汽车做匀速直线运动，牵引力等于阻力，速度达到最大，即有：F =f

根据题意知，阻力为：f =0.1mg =2000N 再根据公式 P=Fv 得：v m =P /f =40m/s ； 即汽车的最大行驶速度为40m/s

（2）汽车匀变速行驶的过程中，由牛顿第二定律得

F f ma -=

得匀变速运动时汽车牵引力4000N F =

则汽车匀加速运动行驶得最大速度为020/P

v m s F

=

= 由a 1t 1=v 0，得汽车匀加速运动的时间为：t 1=20s

汽车实际功率达到额定功率后到速度达到最大的过程，由动能定理W F +W f =△E k ，即得：

Pt 2－0.1mgs 2=2201122

m mv mv 得：t 2=35s

所以汽车从静止到获得最大行驶速度所用的总时间为：t =t 1+t 2=55s

6．如图的竖直平面内，一小物块(视为质点)从H =10m 高处，由静止开始沿光滑弯曲轨道AB 进入半径R =4m 的光滑竖直圆环内侧，弯曲轨道AB 在B 点与圆环轨道平滑相接。之后物块沿CB 圆弧滑下，在B 点(无动量损失)进入右侧的粗糙水平面上压缩弹簧。已知物块的质量m =2kg ，与水平面间的动摩擦因数为0.2，弹簧自然状态下最左端D 点与B 点距离L =15m ，求：(g =10m/s 2)

(1)物块从A 滑到B 时的速度大小； (2)物块到达圆环顶点C 时对轨道的压力； (3)若弹簧最短时的弹性势能，求此时弹簧的压缩量。

【答案】(1)m/s ；(2)0N ；(3)10m 。

【解析】 【分析】 【详解】

(1)对小物块从A 点到B 点的过程中由动能定理

解得：

；

(2)小物块从B 点到C 由动能定理：

在C 点，对小物块受力分析：

代入数据解得C 点时对轨道压力大小为0N ；

(3)当弹簧压缩到最短时设此时弹簧的压缩量为x ,对小物块从B 点到压缩到最短的过程中由动能定理：

由上式联立解得：

x =10m 【点睛】

动能定理的优点在于适用任何运动包括曲线运动，了解研究对象的运动过程是解决问题的前提，根据题目已知条件和求解的物理量选择物理规律解决问题。动能定理的应用范围很

广，可以求速度、力、功等物理量，特别是可以去求变力功。

7．如图甲所示，静止在水平地面上一个质量为m =4kg 的物体，其在随位移均匀减小的水平推力作用下运动，推力F 随位移x 变化的图象如图乙所示．已知物体与地面之间的动摩擦因数为μ=0.5，g =10m/s 2．求：

（1）运动过程中物体的最大加速度大小为多少； （2）距出发点多远时物体的速度达到最大； （3）物体最终停在何处？

【答案】（1）20m/s 2（2）3.2m （3）10m 【解析】 【详解】

（1）物体加速运动，由牛顿第二定律得：

F -μmg =ma

当推力F =100N 时，物体所受的合力最大，加速度最大，代入数据得：

2max 20m/s F

a g m

μ=

-=， （2）由图象得出，推力F 随位移x 变化的数值关系为：

F =100 – 25x ，

速度最大时，物体加速度为零，则

F=μmg=20N ，

即

x = 3.2m

（3）F 与位移x 的关系图线围成的面积表示F 所做的功，即

01

200J 2

F W Fx ==

对全过程运用动能定理，

W F ?μmgx m =0

代入数据得：

x m =10m

8．如图所示，倾角 θ=30°的斜面足够长，上有间距 d =0.9 m 的 P 、Q 两点，Q 点以上斜面光滑，Q 点以下粗糙。可视为质点的 A 、B 两物体质量分别为 m 、2m 。B 静置于 Q 点，A 从 P 点由静止释放，与 B 碰撞后粘在一起并向下运动，碰撞时间极短。两物体与斜面粗糙部分的动摩擦因数均为23

5

μ=

取 g =10 m/s 2，求： （1）A 与 B 发生碰撞前的速度 v 1 （2）A 、B 粘在一起后向下运动的距离

【答案】（1）3m/s （2）0.5m 【解析】 【详解】

（1）A 在PQ 段下滑时，由动能定理得：

211

sin 02

mgd mv θ=-

得：

v 1=3 m/s

（2）A 、B 碰撞后粘在一起，碰撞过程动量守恒，则有：

1(2)AB mv m m v =+

之后A 、B 整体加速度为：

3sin 3cos 3AB mg mg ma θμθ-?=

得：

a AB =-1m/s 2

即A 、B 整体一起减速下滑，减速为零时：

22

02AB AB AB v a x -=

得：

x AB =0.5 m

9．遥控电动玩具车的轨道装置如图所示，轨道ABCDEF 中水平轨道AB 段和BD 段粗糙，AB =BD =2.5R ，小车在AB 和BD 段无制动运行时所受阻力是其重力的0.02倍，轨道其余部

分摩擦不计。斜面部分DE与水平部分BD、圆弧部分EF均平滑连接，圆轨道BC的半径为R，小段圆弧EF的半径为4R，圆轨道BC最高点C与圆弧轨道EF最高点F等高。轨道右侧有两个与水平轨道AB、BD等高的框子M和N，框M和框N的右边缘到F点的水平距离分别为R和2R。额定功率为P，质量为m可视为质点的小车，在AB段从A点由静止出发以额定功率行驶一段时间t（t未知）后立即关闭电动机，之后小车沿轨道从B点进入圆轨道经过最高点C返回B点，再向右依次经过点D、E、F，全程没有脱离轨道，最后从F点水平飞出，恰好落在框N的右边缘。

（1）求小车在运动到F点时对轨道的压力；

（2）求小车以额定功率行驶的时间t；

（3）要使小车进入M框，小车采取在AB段加速（加速时间可调节），BD段制动减速的方案，则小车在不脱离轨道的前提下，在BD段所受总的平均制动力至少为多少。

【答案】（1）mg，方向竖直向下；（2）；（3）mg

【解析】

【详解】

（1）小车平抛过程，有：2R=v F t…①

2R=gt2?②

由①②联立解得：v F=?③

在F点，对小车由牛顿第二定律得：mg﹣F N=m?④

由③④得：F N=mg

由牛顿第三定律得小车对轨道的压力大小为mg，方向竖直向下。

（2）小车从静止开始到F点的过程中，由动能定理得：

Pt﹣0.02mg5R﹣mg2R=mv F2?⑤

由③⑤得：t=

（3）平抛过程有：R=v F′t、2R=gt2

要使小车进入M 框，小车在F 点的最大速度为v F ′

=?⑥

小车在C 点的速度最小设为v C ，则有：mg =m ?⑦

设小车在BD 段所受总的总的平均制动力至少为f ，小车从C 点运动到F 点的过程中，由动能定理得：

-f 2.5R =mv F ′2-mv C 2?⑧ 由⑥⑦⑧得：f =

mg

10．城市中为了解决交通问题，修建了许多立交桥，如图所示，桥面为半径R =130m 的圆弧形的立交桥AB ，横跨在水平路面上，桥高h =10m 。可以认为桥的两端A 、B 与水平路面的连接处是平滑的。一辆小汽车的质量m =1000kg ，始终以额定功率P =20KW 从A 端由静止开始行驶，经t =15s 到达桥顶，不计车受到的摩擦阻力（g 取10m /s 2）。求 （1）小汽车冲上桥顶时的速度是多大； （2）小汽车在桥顶处对桥面的压力的大小。

【答案】（1）20m/s ；（2）6923N ； 【解析】 【详解】

（1）小汽车从A 点运动到桥顶，设其在桥顶速度为v ，对其由动能定理得：

21

2

pt mgh mv -＝

即

443221015101

1002

1v ??-???＝

解得：

v =20m/s ；

（2）在最高点由牛顿第二定律有

2

v mg N m R

-＝

即

432020

1010130

N ?-?

＝

解得

N =6923N

根据牛顿第三定律知小汽车在桥顶时对桥的压力N ′=N =6923N ；

11．两个对称的与水平面成60°角的粗糙斜轨与一个半径R ＝2m ，张角为120°的光滑圆弧轨道平滑相连．一个小物块从h ＝3m 高处开始，从静止开始沿斜面向下运动．物体与斜轨接触面间的动摩擦因数为μ＝0.2，g 取10m/s 2． （1）请你分析一下物块将怎样运动? （2）计算物块在斜轨上通过的总路程．

【答案】(1)物块最后在圆弧左右两端点间来回往返运动，且在端点的速度为0；(2)20m 【解析】 【详解】

解：(1)物块最后在圆弧左右两端点间来回往返运动，且在端点的速度为0； (2)物块由释放到最后振动过程到圆弧的左端点或右端点过程，根据动能定理：

()160600mg h R cos mgcos s μ??--?-???=?

代入数据解得物块在斜轨上通过的总路程：20s m =

12．一辆质量m ＝2×103kg 的小轿车沿平直路面运动，发动机的额定功率P ＝80kW ，运动时受到的阻力大小为f ＝2×103N ．试求： (1)小轿车最大速度的大小；

(2)小轿车由v 0＝10m/s 的速度开始以额定功率运动60s 前进的距离(汽车最后的速度已经达到最大)．

【答案】(1)40m/s (2)1650m 【解析】 【详解】

（1）设小轿车运动的最大速度的大小为m v ，当车子达到最大速度时， 有=F f 牵 根据公式m P fv = 解得v m =40m/s

（2）根据题意和动能定理得：22

11=22

W mv mv -合末初 则有：22

m 011=

22

Pt fs mv mv --

解得小轿车60s内前进的距离为s=1650m