机械能与守恒复习试题精选

新课标高三物理（人教版）第二轮专题讲座 物理2 必修教材（必考内容） 专题四 机械能及其守恒定律 本讲重点：动能定理，机械能守恒定律及其应用 本讲难点：1动能和动能定理 2机械能守恒定律及其应用 一、考纲解读 本专题涉及的考点有：功和功率，动能和动能定理，重力做功与重力势能，功能关系、机械能守恒定律及其应用。 大纲对本部分考点均为类要求，即对所列知识要理解其确切含义及与其他知识的联系，能够进行叙述和解释，并能在实际问题的分析、综合、推理和判断等过程中运用。 功能关系一直都是高考的“重中之重”，是高考的热点和难点，涉及这部分内容的考题不但题型全、分量重，而且还经常有高考压轴题。考查最多的是动能定理和机械能守恒定律。易与本部分知识发生联系的知识有：牛顿运动定律、圆周运动、带电粒子在电场和磁场中的运动等，一般过程复杂、难度大、能力要求高。本考点的知识还常考查考生将物理问题经过分析、推理转化为数学问题，然后运用数学知识解决物理问题的能力。所以复习时要重视对基本概念、规律的理解掌握，加强建立物理模型、运用数学知识解决物理问题的能力。 二、命题趋势 本专题涉及的内容是动力学内容的继续和深化，是高中物理的重点，也是高考考查的热点。要准确理解功和功率的意义，掌握正功、负功的判断方法；要深刻理解机械能守恒的条件，能够运用功能关系解决有关能量变化的综合题。 三、例题精析 【例1】一位质量为m的运动员从下蹲状态向上起跳，重心升高h后，身体伸直并刚好离开地面，速度为v，在此过程中， A地面对他做的功为 B地面对他做的功为 C地面对他做的功为 D地面对他做的功为零 解析：地面对人作用力的位移为零，所以做功为零。 答案：D。 【例2】荡秋千是人们都喜欢的健身娱乐活动。会打秋千的人，不用别人帮助推，就能越摆越高，而不会打秋千的人则始终也摆不起来。要使秋千越摆越高，以下做法合理的是： A从高处摆下来的时候身体迅速下蹲，而从最低点向上摆起时，身体迅速直立起来 B从高处摆下来的时候身体要保持直立，而从最低点向上摆起时，身体迅速下蹲 C不论从高处摆下来还是从最低点向上摆起，身体都要保持下蹲 D不论从高处摆下来还是从最低点向上摆起，身体都要保持直立 答案：A。 题后反思：本题涉及到功、能量转化与守恒等知识。荡秋千是人们喜闻乐见的一项体育活动，但有的人可能并没有认真去领会其中所包含的物理规律。高考往往会捕捉到人们越熟悉也是越容易忽视的试题素材进行命题。本题考查考生分析、推理能力。 【例3】质量为m的小球用长度为L的轻绳系住，在竖直平面内做圆周运动，运动过程中小球受空气阻力作用已知小球经过最低点时轻绳受的拉力为7mg，经过半周小球恰好能通过最高点，则此过程中小球克服空气阻力做的功为 （ ） AmgL/4 BmgL/3 CmgL/2 DmgL 解析：由牛顿运动定律得，小球经过最低点时7mg-mg=mv12/L，小球恰好能通过最高点的条件是重力提供向心力，即mg=mv22/L，由动能定理得，mv12/2- mv22/2=2mgL-Wf，解以上各式得，Wf= mgL/2，故选项C正确。 答案：C。 题后反思：本题涉及到功和能、牛顿运动定律、圆周运动、向心力等多方面知识。要求考生能分析绳拉着小球做圆周运动到最高点的条件，体现了对考生分析综合能力的考查。功能关系与圆周运动相结合在历年高考中重现率都是较高的。 【例4】如图所示，一轻弹簧左端固定在长木板M的左端，右端与小木块m连接，且m、M及M与地面间摩擦不计开始时，m和M均静止，现同时对m、M施加等大反向的水平恒力F1和F2，设两物体开始运动以后的整个运动过程中，弹簧形变不超过其弹性限度。对于m、M和弹簧组成的系统 （ ） A由于F1、F2等大反向，故系统机械能守恒 B当弹簧弹力大小与F1、F2大小相等时，m、M各自的动能最大 C由于F1、F2大小不变，所以m、M各自一直做匀加速运动 D由于F1、F2均能做正功，故系统的机械能一直增大 解析：由于F1、F2对系统做功之和不为零，故系统机械能不守恒，A错误；当弹簧弹力大小与F1、F2大小相等时，速度达到最大值，故各自的动能最大，B正确；由于弹力是变化的，m、M所受合力是变化的，不会做匀加速运动，C错误；由于F1、F2先对系统做正功，当两物块速度减为零时，弹簧的弹力大于F1、F2，之后，两物块再加速相向运动，F1、F2对系统做负功，系统机械能开始减少，D错误。 答案：B。 题后反思：本题涉及到弹簧，功、机械能守恒的条件、力和运动的关系等较多知识。题目情景比较复杂，全面考查考生理解、分析、解决问题的能力。功能关系与弹簧相结合的考题在近年高考中出现得较多，复习中要加以重视。 【例5】如图所示，质量为m的物体置于光滑水平面上，一根绳子跨过定滑轮一端固定在物体上，另一端在力F作用下，以恒定速率v0竖直向下运动，物体由静止开始运动到绳与水平方向夹角 =45过程中，绳中拉力对物体做的功为 Fv0 A mv02 Bmv02 C mv02 D mv02 解析：物体由静止开始运动，绳中拉力对物体做的功等于物体增加的动能。物体运动到绳与水平方向夹角=45时的速率设为v，有：vcos45=v0，则：v= v0所以绳的拉力对物体做的功为W= 答案：B。 题后反思：本题涉及到运动的合成与分解、功、动能定理等多方面知识。要求考生深刻理解动能定理的含义，并能够应用矢量的分解法则计算瞬时速度。题目对考生的能力要求较高。 【例6】如图所示，质量均为m的小球A、B用长为L的细线相连，放在高为h的光滑水平桌面上（L2h），A球刚好在桌边。从静止释放两球，若A、B两球落地后均不再弹起，则下面说法中正确的是 hLABAA球落地前的加速度为 BB球到达桌边的速度为 CA、B两落地的水平距离为 h D绳L对B球做的功为 解析： A球落地前以两球整体为对象，根据牛顿第二定律有 ，求得加速度为 ，A正确；从释放到A球落地，根据机械能守恒，有： ，解得： ；两球落地后均不再弹起，所以A、B两落地的水平距离为s=vt= ，B错，C正确。绳L对B球做的功等于B球获得的动能，W= ，D正确。 答案：ACD 题后反思：本题涉及到连接体系统机械能守恒、牛顿第二定律、平抛运动、动能定理等多方面知识。过程多，情景复杂，要求考生能够合理地选取研究对象并对物理过程进行正确分析，充分考查考生的综合应用能力。 【例7】如图所示，光滑坡道顶端距水平面高度为h，质量为m的小物块A 从坡道顶端由静止滑下，进入水平面上的滑道时无机械能损失，为使A制动，将轻弹簧的一端固定在水平滑道延长线M处的墙上，另一端恰位于滑道的末端O点。已知在OM段，物块A与水平面间的动摩擦因数均为，其余各处的摩擦不计，重力加速度为g，求： （1）物块速度滑到O点时的速度大小； （2）弹簧为最大压缩量d时的弹性势能 （设弹簧处于原长时弹性势能为零） （3）若物块A能够被弹回到坡道上，则它能够上升的最大高度是多少？ 解析：（1）由机械能守恒定律得 ，解得 （2）在水平滑道上物块A克服摩擦力所做的功为 由能量守恒定律得 以上各式联立求解得 （3）物块A被弹回的过程中，克服摩擦力所做的功仍为 由能量守恒定律得 解得物块A能够上升的最大高度为： 题后反思：本题考查机械能守恒、摩擦力做功、能量守恒等知识点。其中有斜面、有弹簧，还有摩擦力，可见命题者匠心独运，让我们能感受到物理的博大精深。此部分考点还可能与圆周运动、平抛运动、电场等知识结合考查能量守恒，毕竟能量守恒是力学中的重点与难点。解决本题的关键是，正确分析物块A克服摩擦力所做的功。滑动摩擦力做功与路径有关，应等于滑动摩擦力与路程的乘积。 【例8】如图所示，质量m=0.5kg的小球从距地面高H=5m处自由下落，到达地面恰能沿凹陷于地面的半圆形槽壁运动，半圆槽半径R=0.4m。小球到达槽最低点时速率为10m/s，并继续沿槽壁运动直到从槽左端边缘飞出，如此反复几次，设摩擦力恒定不变，小球与槽壁相碰时机械能不损失，求： （1）小球第一次离槽上升的高度h； （2）小球最多能飞出槽外的次数（取g=10m/s2）。 解析：（1）小球从高处至槽口时，由于只有重力做功；由槽口至槽底端重力、摩擦力都做功。由于对称性，圆槽右半部分摩擦力的功与左半部分摩擦力的功相等。 小球落至槽底部的整个过程中，由动能定理得 解得 J 由对称性知小球从槽底到槽左端口克服摩擦力做功也为 J，则小球第一次离槽上升的高度h，由 得 4.2m （2）设小球飞出槽外n次，则由动能定理得 即小球最多能飞出槽外6次。 题后反思：本题涉及的考点有：机械能守恒定律、摩擦力做功、过程分析等诸多知识点。综合性较强，考查学生分析、解决物理问题的能力这类问题历来是高考命题的重点和热点，情景复杂多变，涉及的知识点较多，可以有效地考查学生的基础知识和综合能力解决本题的关键是，小球在凹槽内克服摩擦力做功的数值关于最低点的对称性。小球往复运动，每经历凹槽一次损失的机械能都相同。 【例9】 如图所示，竖直平面内的轨道ABCD由水平轨道AB与光滑的四分之一圆弧轨道CD组成，AB恰与圆弧CD在C点相切，轨道固定在水平面上。一个质量为m的小物块（可视为质点）从轨道的A端以初动能E冲上水平轨道AB，沿着轨道运动，由DC弧滑下后停在水平轨道AB的中点。已知水平轨道AB长为L。求： （1）小物块与水平轨道的动摩擦因数 。 （2）为了保证小物块不从轨道的D端离开轨道，圆弧轨道的半径R至少是多大？ （3）若圆弧轨道的半径R取第（2）问计算出的最小值，增大小物块的初动能，使得小物块冲上轨道后可以达到最大高度是1.5R处，试求物块的初动能并分析物块能否停在水平轨道上。如果能，将停在何处？如果不能，将以多大速度离开水平轨道？ 解析：（1）小物块最终停在AB的中点，在这个过程中，由动能定理得 得 （2）若小物块刚好到达D处，速度为零，同理，有 解得CD圆弧半径至少为 （3）设物块以初动能E冲上轨道，可以达到的最大高度是1.5R，由动能定理得 解得 物块滑回C点时的动能为 ，由于 ，故物块将停在轨道上。 设到A点的距离为x，有 解得 即物块最终停在水平滑道AB上，距A点 处。 题后反思：本题涉及匀变速直线运动、功、能量守恒、临界问题等多方面知识点。解题方法灵活多样，综合性较强，考查学生分析、解决滑轨类问题的能力滑轨类问题历来是高考命题的重点和热点，情景复杂多变，涉及的知识点较多，是考查学生的基础知识和综合能力的良好载体。解决本题的关键是，恰当的选择物理过程，弄清初、末状态，比较物块滑回C点时的动能与在水平板上克服摩擦力做功的大小关系，从而快速确定是否能从板上滑出。 四、考点精炼 1质量为m的物块静止在粗糙的水平面上，若静止物块受一水平拉力F的作用产生位移为s时，物块的动能为 ；若静止物块受一水平拉力2F的作用产生位移也为s时，物块的动能为 ，则（ ） A B C D 2假设汽车紧急刹车制动后所受阻力的大小与汽车所受重力的大小差不多，当汽车以20m/s的速度行驶时，突然制动。它还能继续滑行的距离约为（ ） A40m B20m C10m D5m 3质量为1kg的物体被人用手由静止向上提高1m，这时物体的速度是2m/s，下列说法中正确的是（ ） A手对物体做功12J B合外力对物体做功12J C合外力对物体做功2J D物体克服重力做功10J 4在一种叫做“蹦极跳”的运动中，质量为m的游戏者身系一根长为L、弹性优良的轻质柔软的橡皮绳，从高处由静止开始下落1.5L时达到最低点，若不计空气阻力，则在弹性绳从原长达最低点的过程中，以下说法正确的是 （ ） A速度先减小后增大 B加速度先减小后增大 C动能增加了mgL D重力势能减少了mgL 5质量为m的汽车，发动机的功率恒为P，摩擦阻力恒为F1，牵引力为F，汽车由静止开始，经过时间t行驶了位移s时，速度达到最大值vm，则发动机所做的功为 （ ） APt BFs C D 6如图所示，在光滑水平面上放一木板；木板的左端放一物体，对物体施加一水平恒力F，将物体由静止开始直到从木板右端拉出。如果第一次木板被固定在地面上，第二次木板未被固定，则这两种情况下 （ ） F A摩擦力大小相同 BF做的功相同 C摩擦产生的热相同 D物体获得的动能相同 7如图所示，质量均为m的小球A、B用长为L的细线相连，放在高为h的光滑水平桌面上（L2h），A球刚好在桌边。从静止释放两球，若A、B两球落地后均不再弹起，则下面说法中正确的是 （ ） hLABAA球落地前的加速度为 BB球到达桌边的速度为 CA、B两落地的水平距离为 h D绳L对B球做的功为 8测定运动员体能的一种装置如图所示，运动员质量m1，绳拴在腰间沿水平方向跨过滑轮（不计滑轮摩擦、质量），悬挂重物m2，人用力蹬传送带而人的重心不动，使传送带上侧以速率v向右运动，下面是人对传送带做功的四种说法： 人对传送带做功；人对传送带不做功；人对传送带做功的功率为m2gv；人对传送带做功的功率为（m1m2）gv 以上说法正确的是 （ ） A B C只有 D只有 2mABmO9如图所示，长度相同的三根轻杆构成一个正三角形支架，在A处固定质量为2m的小球，B处固定质量为m的小球，支架悬挂在O点，可绕过O点并与支架所在平面相垂直的固定轴转动，开始时OB与地面相垂直，放手后开始运动，在不计任何阻力的情况下，下列说法正确的是 （ ） AA球到达最低点时速度为零 BA球机械能减少量等于B球机械能增加量。 CB球向左摆动所能达到的最高位置应高于A球开始运动时的高度。 D当支架从左向右往回摆动时，A球一定能回到起始高度 10在“验证机械能守恒定律”的实验中，已知打点计时器所用电源的频率为50Hz，查得当地的重力加速度g=9.80m/s2，测得所用的重物的质量为1.00 kg。实验中得到一条点迹清晰的纸带，把第一个点记作0，另选连续的4个点A、B、C、D作为测量的点。经测量知道A、B、C、D各点到0点的距离分别为62.99cm、70.18cm、77.76cm、85.73cm.根据以上数据，可知重物由0点运动到C点，重力势能的减少量等于 J，动能的增加量等于 J（取3位有效数字） 11在验证机械能守恒定律的实验中，若以 为纵轴，以h为横轴，根据实验数据给出的 h图象应是_，才能验证机械能守恒定律。 h图线的斜率等于_的数值。 12在验证机械能守恒定律的实验中，质量m为1.0kg的重物自由下落，带动纸带打出一系列的点，如图所示。相邻计数点间的时间间隔为0.02s，距离单位为cm。 OABC3.145.017.06（1）纸带的_端与重物相连； （2）打点计时器打下计数点B时，物体的速度vB=_m/s； （3）从起点O到打下计数点B的过程中物体的动能增加量EK=_J，势能减少量EP=_J（g=9.8m/s2）； （4）通过计算，数值上EK_EP（填“大于”，“等于”或“小于”），这是因为_； （5）实验的结论是_。 13长为L的轻绳，一端系一质量为m的小球，一端固定于O点，在O点正下方距O点h处有一枚钉子C，现将绳拉到水平位置，将小球由静止释放，如图所示，欲使小球到达最低点后以C为圆心做完整的圆周运动，则h应满足什么条件？ 14如图所示，一劲度系数为k=800N/m的轻弹簧两端各焊接着两个质量均为m=12kg的物体A、B。开始时物体A、B和轻弹簧竖立静止在水平地面上，现要在上面物体A上加一竖直向上的力F，使物体A开始向上做匀加速运动，经0.4s物体B刚要离开地面，设整个过程中弹簧都处于弹性限度内，取g=10m/s2 ，求：此过程中外力F所做的功。 BFA 15如图所示，倾角为的光滑斜面上放有两个质量均为m的小球A和B，两球之间用一根长为L的轻杆相连，下面的小球B离斜面底端的高度为h。两球从静止开始下滑，不计球与地面碰撞时的机械能损失，且地面光滑，求： hAB（1）两球在光滑水平面上运动时的速度大小； （2）此过程中杆对A球所做的功； （3）分析杆对A球做功的情况。 考点精炼参考答案 1C（根据动能定理 ，故C项正确） 2B（由由动能定理 m，故B项正确） 3ACD（提示：手对物体做功等于物体机械能的增量；合外力对物体做功等于物体动能的增量；物体克服重力做功等于物体重力势能的增量） 4B（开始一段，物体变加速下落，a减小，v增大；后来一段，物体变减速下落，a增大，v减小。故选项B正确。） 5AD（发动机的功率恒为P，经过时间t，发动机做的功为W=Pt；当达到最大速度时，有 解得： ， ；从功能关系的角度，整个过程中发动机做的功应等于克服阻力做的功与物体获得的动能之和，则 。） 6AC（对物体施加一水平恒力F，将物体由静止开始直到从木板右端拉出，如果第一次木板被固定在地面上，第二次木板未被固定，这两种情况下摩擦力大小相同，但两次物体对地的位移不同，F做的功不同，第二次木板未被固定时F做的功多，物体获得的动能大。摩擦产生的热等于相互作用的摩擦力与相对位移的乘积，两次的相对位移相同，两次摩擦产生的热量相同。所以，本题的选项AC正确。） 7ACD（A球落地前以两球整体为对象，根据牛顿第二定律有，求得加速度为 ，A正确；从释放到A球落地，根据机械能守恒，有： 解得： ；两球落地后均不再弹起，所以A、B两落地的水平距离为s=vt= ，B错，C正确。绳L对B球做的功等于B球获得的动能，W= ，D正确。） 8A（由于人的作用，使传送带运动起来，人对传送带应该做功；人的重心不动，绳对人的拉力和人与传送带间的摩擦力平衡，所以人对传送带做功的功率为m2gv。） 9BCD（根据A、B两球机械能守恒，可以判定BCD正确。） 107.62；7.56 11过坐标原点的直线；重力加速度g 12（1）左 （2）0.98m/s （3）0.48J；0.49J （4）；实验中有阻力 （5）在实验误差范围内，重力势能的减少量与动能的增加量相等，机械能守恒 13解：如图所示，小球遇到钉子后以C为圆心做圆周运动，恰能到达最高点的速度设为v 由牛顿第二定律得 由机械能守恒定律得 由几何关系得 L=h+r 解得 h=0.6m 所以h应满足的条件为h 0.6m 14解：（1）A原来静止时，弹簧压缩量为x1，由平衡条件得：kx1=mg 物体B刚要离开地面时，弹簧伸长量为x2，有：kx2=mg 解得x1= x2=0.15m 物体A匀加速运动，由运动学公式得x1x2 解得 v=1.5m/s 在力F作用的0.4s内，初末状态的弹性势能相等，由功能关系得： WF = mg（x1x2）+ 解得WF = 49.5J 15（1）由于不计摩擦及碰撞时的机械能损失，因此两球组成的系统机械能守恒。两球在光滑水平面上运动时的速度大小相等，设为v，根据机械能守恒定律有： 解得： （2）因两球在光滑水平面上运动时的速度v比B从h处自由滑下的速度 大，增加的动能就是杆对B做正功的结果。B增加的动能为： 因系统的机械能守恒，所以杆对B球做的功与杆对A球做的功的数值应该相等，杆对B球做正功，对A做负功。所以杆对A球做的功为： 。 （3）当系统在斜面和水平面上运动时，A、B的运动状态相同，杆中无作用力，杆对A不做功；当B球从斜面进入水平面，而A球仍在斜面上运动时，A、B的运动状态不同，此过程中杆对A球做功。