2020高考物理复习 对重力势能和弹性势能的再认识

2020高考物理复习 对重力势能和弹性势能的再认识 机械能守恒是自然界最基本的规律之一，而机械能包括物体的动能和势能，因此准确深入的理解动能和势能的含义是学好机械能守恒的前提。机械能中的势能指的是重力势能和弹性势能，而重力势能和弹性势能是高中物理中的两个重要概念，并且是高考中的热点之一，下面以多角度全面的剖析这两个概念从而准确的解决有关重力势能和弹性势能的物理问题。一、对保守力和非保守力的认识1保守力凡其做功与路径无关，仅与始、末位置有关的力称为保守力。系统中相互作用的重力和弹性力，万有引力、分子间相互作用的分子力、静电力等都属于保守力。2 非保守力凡做功与路径有关的力称为非保守力。常见的有摩擦力、空气阻力、物体间相互作非弹性碰撞时的冲击力等都属于非保守力。二、重力势能与弹性势能的再认识蕴藏在保守力场中与位置有关的能量称为势能（位能）。跟重力和弹性力对应的势能即重力势能和弹性势能1 、重力势能 物体与地球之间的相互作用所具有的能量叫重力势能（1）、一个物体具有能量说明它具有对外做功的本领，位于高度h处、质量为m的物体与地球所组成的系统拥有的重力势能定义为它表示物体受重力作用位于高度h处具有的做功本领（能量）。（2）、重力势能具有相对性由于重力势能的计算式中的高度h具有相对性,因此重力势能也具有相对性 。一个物体的重力势能的大小应当与参考平面的选取有关，所选的参考面不同，重力势能的值是不同的。在计算重力势能大小时，参考平面的选择可以视研究问题的方便而定（参考平面EP = 0），一般以地面为参考平面。当物体位置高于零势能位置时，h0,重力势能为正值，说明此处物体的重力势能比零势能大；当物体位置低于零势能位置时，h0，重力势能为负值，说明此处物体的重力势能比零势能小。虽然重力势能是相对的，但是重力势能的差值是绝对的,即重力势能的变化是绝对的，与参考平面的选取无关,我们在解决物理问题时尤为关心重力势能的改变量例1、如右图所示，桌面高为，质量为的小球从离桌面高H处自由下落。不计空气阻力，假设桌面处的重力势能为零，则小球落地前瞬间的机械能为：A 、 B、 C、 D、解：B点评：本题考查的重点是重力势能的相对性。参考平面一旦选好，重力势能也就确定了，机械能是动能和势能的总和，因选桌面为参考平面，所以开始时的机械能为mgH。由于小球下落过程中只有重力做功，所以小球在未碰地之前机械能守恒，任意时刻均为mgH，故选B，有的学生对参考平面认识不清，很可能造成错选D答案。（3）、重力做功跟重力势能改变的关系-功能关系 重力做功的过程，伴随着物体重力势能的改变。重力对物体做正功，物体下降，其重力势能减少，重力做了多少功，重力势能就减少了多少；物体克服重力做了多少功，其重力势能就增加了多少。所以，重力对物体做的功等于物体重力势能增量的负值，表示为：EP1为初状态的重力势能，EP2为末状态的重力势能。重力做的功量度了重力势能的变化。 这里要说明的是：重力势能跟重力做功密切相关，而重力是地球和物体之间的相互作用力，倘若没有地球就没有重力，更谈不上重力势能，所以，严格说来，重力势能是地球和物体所组成的系统所共有的。通常所说的物体具有多少重力势能，只是一种简略的说法例2、关于重力做功和物体的重力势能，下列说法正确的是：（ ）A、当重力对物体做正功时，物体的重力势能一定减少；B、物体克服重力做功时，物体的重力势能一定增加；C、地球上每一个物体的重力势能都有一个确定值；D、重力做功的多少与参考平面的选取无关。解：A、B、D点评：本题考查重力做功与重力势能的关系，重力做功的特点，及重力势能的相对性，如果对上面的物理规律及概念的含义搞清，就不难选出准确的答案。2、弹性势能 物体因发生弹性形变而具有势能称为弹性势能。用Ep表示。（1）、物体发生弹性形变的时候，物体的各个部分之间发生弹力的相互作用。正像地球和物体之间由于有重力的相互作用，因而地球和物体组成的系统具有重力势能一样，发生弹性形变的物体的各个部分之间由于有弹力的相互作用，因而由这些部分组成的系统，亦即发生弹性形变的物体本身，就具有弹性势能。（2）、弹性势能和重力势能相类似，弹性势能也具有相对性，一般选弹簧处于自由长度时为弹性势能的零点。弹性势能的变化，由弹力做功惟一决定，与其他力做功无关。对于弹性势能的相对性，学生不太了解，常说的弹簧弹性势能的大小是多少，实际上是与弹簧处于原长弹性势能为零时的差值。如果规定弹簧的任意长度时的势能为零势能，则弹簧从某一位置拉到零势能位置的过程中，拉力所做的功就等于弹簧的弹性势能，显然，这与规定自然长度为零时，从该位置拉到零势能时的功是不同的，所以，弹簧在某一位置时的弹性势能与零势能位置的规定有关，故弹性势能也具有相对性。而弹性势能的改变量在解决问题中是绝对的，也是解决问题的关键。（3）、弹性势能是以弹力的存在为前提的。弹性势能的改变又是与弹力做的功密切相关的。弹力做功的过程，伴随着弹性势能的改变。弹力做正功，弹性势能减少，弹力做了多少功，弹性势能就减少了多少；外界克服弹力做了多少功，其弹性势能就增加了多少。所以，弹力对物体做的功等于物体弹性势能增量的负值，表示为：EP1为初状态的弹性势能，EP2为末状态的弹性势能。弹力做的功量度了弹性势能的变化例题3 关于弹性势能，下列说法正确的事（ ）A只有发生弹性形变的物体才具有弹性势能B只有弹簧在发生弹性形变时才具有弹性势能C发生形变的物体都具有弹性势能D弹性势能在国际单位制中的单位是焦耳解： A、D点评：本题考查弹性势能的产生原因、弹性形变与形变的区别，发生弹性形变的物体的各部分之间，由于有弹力的相互作用，具有势能，有些物体形变后无法恢复原状，因此其不具有弹性势能。A正确；所有能的单位跟功的单位相同，在国际单位制中的单位是焦耳，D正确。如果没有注意到弹性势能产生本质就会造成错选B 或C例4、 关于弹簧的弹性势能，下面说法正确的事（ ）A当弹簧的长度为原长时，弹簧的弹性势能为零B弹簧被拉长时具有弹性势能，被压缩时不具有弹性势能C弹簧被压缩时具有的弹性势能一定小于被拉长时具有的弹性势能D弹簧被拉长或被压缩时，只要在弹性限度内都具有弹性势能解：A、D点评：本题重在考查弹性势能的大小如何量度，准确地掌握弹力做功与弹性势能的变化关系是解决本题的关键，弹簧处于原长弹力为零无弹性势能，A对，弹簧无论被拉长还是被压缩 外力都要克服弹力做功，弹性势能都增加，外力克服弹力做功越多弹性势能越大，故B、C错，D对。高中阶段所学到的势能概念有重力势能、弹性势能、万有引力势能、电势能、分子势能等，它们在高考中扮演着重要的角色，有时会以信息的形式给出。对于这一类问题如何准确快速的解决，就要从下面几个方面深刻的理解它们的性质特点；（1）重力势能和弹性势能的引入是因为重力和弹性力都属于保守力。一般地说，只要系统内物体间存在着相互作用的某种保守力，则系统相应地必然拥有只取决于系统位置（即系统内物体间的相对位置）的一种势能，而且这种保守力所作的功W等于相应的负值，即上式是势能的一般定义，其中EP1、EP2为系统末、始状态时的势能。它表明系统势能的变化可用保守力所作的功来量度。 （2）势能也是一个标量，势能的单位与功的单位相同。 （3）客观上并不存在某位置的绝对势能，某一位置的势能是相对于一个基准位置来说的。通常可把基准位置的势能人为地规定为零，即势能零点。则某一位置的势能在数值上等于保守力从该位置到势能零点所作的功。即也就是说，势能只有相对意义。选择不同的势能零点，势能的数值一般是不同的。（4）势能是属于参与保守力相互作用的物体所组成的系统的，而不是属于其中个别物体的。例如，重力势能是属于地球与受重力作用的物体所组成的系统。对弹簧的弹性势能来说也是如此，它是属于物体与弹簧所组成的弹性系统。但为了叙述方便，把系统等字省去，常常说成物体的势能。 （5）由于非保守力所作的功将随所经的路径不同而异，即其值是不确定的，所以不能引入与其相关的势能。