高中物理教科版必修二：4.3《动能与势能》课件

欢迎进入物理课堂 3势能 1 认识重力做功与路径无关的特点 理解重力势能的概念 2 理解重力做功与重力势能变化的关系 3 知道重力势能具有相对性 知道重力势能是物体和地球系统所共有的 4 了解弹性势能的概念 5 理解弹力做功与弹性势能变化的关系 一 重力势能 重力势能的概念物体由于位于高处而具有的能量叫做重力势能 重力做功与无关 仅由物体的和 两个位置的高度决定 即 WG mgh1 mgh2式中h1 h2分别代表始 末两个位置的高度 路径 质量 始 末 重力势能及其物理意义 1 重力势能的公式 Ep 2 单位 与功的单位相同 3 重力做功与重力势能变化的关系 表达式 WG 重力做正功 重力势能 重力做负功 重力势能 4 重力势能的相对性和系统性 相对性 重力势能总是相对于选定的而言的 该平面常称为零势面 系统性 重力势能是所组成的物体 系统 共有的 mgh 焦耳 Ep 减少 增加 水平面 地球和物体 二 弹性势能 定义 发生弹性形变的物体具有的与有关的能量 叫弹性势能 弹性势能的大小 弹性势能的大小跟形变的大小有关 形变量越大 弹性势能也越大 弹性势能的特点弹性势能是跟弹力有关的势能 也是所具有的 弹性势能的变化是由来量度 势能 重力势能和弹性势能都是势能 它的形变 弹力做功的多少 系统 一 对重力势能的理解与辨析 1 相对性 物体的重力势能总是相对于某一水平参考面 在参考面以上为正值 以下为负值 位于参考面时为零 2 重力势能是标量 物体负的势能时只是表示物体的重力势能比在参考面上时具有的重力势能要少 这跟用正负表示温度高低是一样的 3 重力势能的定义式是Ep mgh 在国际单位制中的单位是焦 J 4 变化量 物体的重力势能大小虽然与参考面的选择有关 但对应于某一过程的变化量大小与参考面的选择无关 二 重力做功与重力势能变化的关系重力势能变化多少是由重力做的功多少唯一量度的 如图4 3 1所示 质量为m的物体从A点下落到B点 A点的高度为h1 B点的高度为h2 在这个过程中 重力做功WG mgh1 mgh2 mg h 图4 3 1 在这个过程中 重力势能的改变量 Ep EpB EpA mgh2 mgh1 mg h 所以重力做功与重力势能改变量的关系为WG Ep 这也正说明 当物体向下运动时 重力做正功 WG 0 则Ep1 Ep2 即重力势能减少 重力势能减少的数量等于重力所做的功 当物体向上运动时 重力做负功 物体克服重力做功 WG 0 则Ep1 Ep2 即重力势能增加 重力势能增加的数量等于克服重力所做的功 三 弹力做功跟弹性势能变化的关系如图4 3 2所示 O为弹簧的原长处 弹力做负功时 如物体由O向A运动 压缩 或者由O向A 运动 伸长 时 弹性势能增大 其他形式能转化为弹性势能 弹力做正功时 如物体由A向O运动 或者由A 向O运动时 弹性势能减小 弹性势能转化为其他形式的能 弹力做功与弹性势能的关系为W弹 Ep 图4 3 2 弹性势能与弹簧长度的对应性 虽然弹簧的伸长量 或压缩量 不同 弹簧的弹性势能不同 但伸长和压缩相同的长度时弹性势能是一样的 所以弹性势能和弹簧的形变量之间不是一一对应的关系 而是某个弹性势能可能对应着伸长和压缩两个不同的状态 重力做功与重力势能的变化 典例1 如图4 3 3所示 一个质量为M的物体 放在水平地面上 物体上方安装一个长度为L 劲度系数为k的轻弹簧处于原长 现用手拉着弹簧上端的P点缓慢向上移动 直到物体离开地面一段距离 在这一过程中 P点的位移 开始时弹簧处于原长 是H 则物体重力势能的增加量为 图4 3 3 答案C 借题发挥 1 求重力势能的变化关键是找出重心位置的变化 2 巧用 分解过程 的方法求得物体重心高度变化 如先弹簧长度不变物体升高H 后弹簧伸长x 物体下降x 最终物体重心上升高度为H x 变式1 挂在竖直墙壁上的长1 80m的画 画面的质量为100g 下面卷轴的质量为300g 今将它沿墙壁卷起 需做功 J 答案6 3 弹力做功与弹性势能的变化 典例2 在水平地面上放一个竖直轻弹簧 弹簧上端与一个质量为m的木块相连 若在木块上再作用一个竖直向下的力F 使木块缓慢向下移动h 力F做功W1 此时木块再次处于平衡状态 如图4 3 4所示 求 1 在木块下移h的过程中重力势能的减少量 2 在木块下移h的过程中弹性势能增加量 图4 3 4 解析 1 据重力做功与重力势能变化的关系有 Ep减 WG mgh 2 据弹力做功与弹性势能变化的关系有 Ep增 W弹 又因木块缓慢下移 力F与重力mg的合力与弹力等大 反向 所以W弹 W1 WG W1 mgh 所以弹性势能增量 Ep增 W1 mgh 答案 1 mgh 2 W1 mgh 借题发挥功是能量转化的量度 因此确定某一过程中某力做的功 是研究该过程能量转化的重要方法 变式2 如图4 3 5所示 在光滑的水平面上有一物体 它的左端连一弹簧 弹簧的另一端固定在墙上 在力F作用下物体处于静止状态 当撤去F后 物体将向右运动 在物体向右运动的过程中 下列说法正确的是 A 弹簧的弹性势能逐渐减小B 弹簧的弹性势能逐渐增大C 弹簧的弹性势能先增大后减小D 弹簧的弹性势能先减小后增大 图4 3 5 解析撤去F后物体向右运动的过程中 弹簧的弹力先做正功后做负功 故弹簧的弹性势能先减小后增大 答案D 潮汐发电简单地说 潮汐发电就是在海湾或有潮汐的河口建筑一座拦水堤坝 形成水库 并在坝中或坝旁放置水轮发电机组 利用潮汐涨落时海水水位的升降 使海水通过水轮机时推动水轮发电机组发电 如图4 3 6所示 从能量的角度说 就是利用海水的势能和动能 通过水轮发电机转化为电能 图4 3 6 由于引潮力的作用 使海水不断地涨潮 落潮 涨潮时 大量海水汹涌而来 具有很大的动能 同时 水位逐渐升高 动能转化为势能 落潮时 海水奔腾而归 水位陆续下降 势能又转化为动能 海水在运动时所具有的动能和势能统称为潮汐能 1913年德国在北海海岸建立了第一座潮汐发电站 1957年我国在山东建成了第一座潮汐发电站 1978年8月1日山东乳山县白沙口潮汐电站开始发电 年发电量230万千瓦时 1980年8月4日我国第一座 单库双向 式潮汐电站 江厦潮汐试验电站正式发电 如图4 3 7所示 装机容量为3000千瓦 年平均发电1070万千瓦时 其规模仅次于法国朗斯潮汐电站 装机容量为24万千瓦 年发电5 4亿千瓦时 是当时世界第二大潮汐发电站 江厦潮汐试验电站图4 3 7 典例3 如图4 3 8所示 某海湾共占面积1 0 107m2 涨潮时水深20m 此时关上水坝闸门 可使水位保持20m不变 退潮时 坝外水位降至18m也保持不变 假如利用此水坝建水电站 且重力势能转变为电能的效率是10 每天有两次涨潮 问该电站一天最多能发出多少电能 g取10m s2 假设只有退潮时发电 图4 3 8 答案4 1010J 重力做功与重力势能的变化1 一条柔软的均匀链条质量为m 长度为l 平放在水平桌面上 用力提链条的一端 将链条慢慢提起 直至末端将要离开桌面的过程中 拉力做的功为多少 2 如图4 3 9所示 桌面距地面0 8m 一物体质量为2kg 放在距桌面0 4m的支架上 1 以地面为零势能面 计算物体具有的势能 并计算物体由支架下落到桌面的过程中 势能减少多少 2 以桌面为零势能面 计算物体具有的势能 并计算物体由支架下落到桌面过程中势能减少多少 图4 3 9 解析 1 以地面为零势能面 物体的高度h1 1 2m 因而物体的重力势能 Ep1 mgh1 23 52J 物体落到桌面时重力势能 Ep2 mgh2 15 68J物体重力势能的减少量 Ep Ep1 Ep2 7 84J 2 以桌面为零势能面 物体的高度h1 0 4m 因而物体的重力势能 Ep1 mgh1 7 84J 物体落至桌面过程中 重力势能的减少量 Ep 7 84J 答案 1 23 52J7 84J 2 7 84J7 84J 弹力做功与弹性势能的变化3 如图4 3 10所示 质量为m的物体静止在地面上 物体上面连着一个轻弹簧 用手拉住弹簧上端上移H 将物体缓缓提高h 拉力F做功WF 不计弹簧的质量 则下列说法正确的是 A 重力做功 mgh 重力势能减少mghB 弹力做功 WF 弹性势能增加WFC 重力势能增加mgh 弹性势能增加FHD 重力势能增加mgh 弹性势能增加WF mgh 图4 3 10 解析可将整个过程分为两个阶段 一是弹簧伸长到m刚要离开地面阶段 拉力克服弹力做功WF1 W弹 等于弹性势能的增加 二是弹簧长度不变 物体上升h 拉力克服重力做功WF2 WG mgh 等于重力势能的增加 又由WF1 WF2 WF可知A B C错 D对 答案D 4 如图4 3 11所示 质量相等的A B两物体之间连接一轻弹簧 竖直放在水平地面上 今用力F缓慢向上拉A 直到B刚要离开地面 设开始时弹簧的弹性势能为Ep1 B刚要离开地面时弹簧的弹性势能为Ep2 试比较Ep1 Ep2的大小 图4 3 11 答案Ep1 Ep2 单击此处进入活页规范训练 同学们 来学校和回家的路上要注意安全 同学们 来学校和回家的路上要注意安全