鲁科物理必修2 第2章第3节《能量守恒定律》第1课时

欢迎进入物理课堂 第3节能量守恒定律第1课时机械能守恒定律 核心要点突破 课堂互动讲练 知能优化训练 第1课时 课前自主学案 课标定位 课标定位 学习目标 1 体会在一定条件下 动能和势能可以相互转化 了解物理规律源于生产 生活实践 2 通过实验验证机械能守恒定律 培养收集数据 分析论证的能力 3 理解机械能守恒的条件 公式 能用机械能守恒定律分析解决实际问题 重点难点 1 机械能守恒定律的实验探究及守恒定律的应用 2 机械能守恒定律条件的判断 课前自主学案 一 机械能的转化和守恒的实验探索1 实验器材 铁架台 带铁夹 纸带几条 复写纸片 导线 直尺 打点计时器 学生电源 重物 2 实验原理 在只有重力做功的自由落体运动中 物体的 和 互相转化 但 保持不变 故实验只需借助打点计时器 通过纸带测出重物某时刻的 算出该时刻的 取该点为参考点 则该点的动能就是重物下落过程中的 然后分别测量并计算纸带上其他各点的 和 的总和并比较 即可验证机械能是否守恒 重力势能 动能 总机械能 下落高度 速度 机械能 动能 重力势能 思考感悟在该实验中需要天平测出重物的质量吗 提示 不用 因物体的势能和动能中都含有物体的质量 3 实验步骤 1 将打点计时器安装在铁架台上 用导线把打点计时器与学生电源连接好 2 把纸带的一端在重锤上用夹子固定好 另一端穿过计时器的限位孔 用手 提到纸带使重锤停靠在打点计时器附近 3 先 后 让重锤带着纸带自由下落 4 重复几次 得到3 5条打好点的纸带 5 在打好点的纸带中挑选点迹清晰且打点在同一直线的一条 依实验原理求得实验数据 并将数据填入自己设计的表格中 竖直的 接通电源 释放纸带 二 机械能守恒定律1 机械能 和 之和称为机械能 2 机械能守恒定律 1 内容 在只有像重力那类力做功的情况下 物体的 与 可相互转化 机械能的总量 2 条件 只有 做功 3 表达式 Ek2 Ep2 动能 势能 动能 势能 保持不变 重力 Ek1 Ep1 核心要点突破 一 探究机械能守恒中的几点注意1 实验设计的两种思路通过对物体自由下落运动的研究来验证机械能守恒定律的实验原理是 忽略空气阻力 自由下落的物体在运动过程中机械能守恒 即重物动能的增加量等于其重力势能的减少量 这是回避起始点 在纸带上选择后面的某两点验证机械能守恒定律的方法 由于重力势能的相对性 处理纸带时选择适当的点为基准点 势能的大小不必从起始点开始计算 这样 纸带上打出起始点O后的第一个0 02s内的位移是否接近2mm 以及第一个点是否清晰也就无关紧要了 实验打出的任何一条纸带 只要后面的点迹清晰 都可以用于计算机械能是否守恒 3 实验中的注意事项 1 打点计时器要稳定地固定在铁架台上 打点计时器平面与纸带限位孔调整在竖直方向 以减小摩擦阻力 2 应选用质量和密度较大的重物 增大重力可使阻力的影响相对减小 增大密度可以减小体积 可使空气阻力减小 3 实验中 需保持提纸带的手不动 且保证纸带竖直 待接通电源 打点计时器工作稳定后 再松开纸带 4 测量下落高度时 为了减小测量值h的相对误差 选取的各个计数点要离起始点远一些 纸带也不易过长 有效长度可在60cm 80cm之间 4 实验中的误差分析 1 本实验中因重物和纸带在下落过程中要克服各种阻力 空气阻力 打点计时器阻力 做功 故动能的增加量 Ek稍小于重力势能的减少量 Ep 即 Ek Ep 这属于系统误差 改进的办法是调整器材的安装 尽可能地减小阻力 2 本实验的另一个误差来源于长度的测量 属偶然误差 减小误差的办法是测下落距离时都从0点量起 一次将各打点对应的下落高度测量完 或者多次测量取平均值来减小误差 3 打点计时器产生的误差 由于交流电周期的变化 引起打点时间间隔变化而产生误差 读数点选择不好 振动片振动不均匀 纸带放置方法不正确引起摩擦 都会造成实验误差 二 机械能守恒定律的理解及应用1 物体机械能是否守恒的判断 1 利用机械能的定义判断若物体在水平面上匀速运动 其动能 势能均不变 机械能守恒 若一个物体沿斜面匀速下滑 其动能不变 重力势能减少 其机械能减少 2 用做功判断若物体或系统只有重力 或弹簧的弹力 做功 虽受其他力 但其他力不做功或做功的代数和为零 机械能守恒 3 用能量转化来判断若物体系统中只有动能和势能的相互转化而无机械能与其他形式的能的转化 则物体系统的机械能守恒 特别提醒 1 对一些绳子突然绷紧 物体间非弹性碰撞等 除非题目特别说明 否则机械能必定不守恒 2 机械能守恒的条件绝不是合外力的功等于零 更不是合外力等于零 而是看是否只有重力或弹簧弹力做功 2 三种常见的表达形式 1 守恒的观点Ek Ep Ek Ep 表示系统的初状态机械能的总和与末状态机械能的总和相等 运用这种表达形式时 应选好重力势能的零势能面 且初 末状态必须用同一零势能面计算势能 2 转化的观点 Ek Ep 表示系统 或物体 机械能守恒时 系统减小 或增加 的重力势能等于系统增加 或减少 的动能 应用时 关键在于分清重力势能的增加量和减少量 可不选零势能面而直接计算初 末状态的势能差 3 转移的观点 E增 E减 表示若系统由A B两部分组成 则A部分物体机械能的增加量与B部分物体机械能的减少量相等 3 机械能守恒定律和动能定理的比较 1 机械能守恒定律的适用条件是只有系统内部的重力或弹力做功 这个定律不适用的问题可以利用动能定理或功能原理解决 2 当有重力或弹力以外的力对物体做功时 物体的机械能不再守恒 它的机械能的增加或减少就等于除重力或弹力之外的其他力的功 此即功能原理 3 无论物体的机械能是否守恒 它动能的变化都等于合外力对它所做的功 动能定理 这个关系普遍适用于任何情况 4 动能定理侧重于解决一个研究对象受合外力做功的影响 而引起自身动能的变化 即外界因素自身变化的关系 而守恒定律是排除外界因素对系统的影响 研究系统内两个或多个研究对象之间动能和势能相互影响 相互转化的规律 4 机械能守恒定律的应用 1 机械能守恒的研究对象可以以某一物体 实际是物体与地球组成的系统 为研究对象 也可以以几个相互作用的物体组成的系统为研究对象 2 应用机械能守恒定律解题的一般步骤 选取系统对象 确定研究过程 进行受力分析 考查守恒条件 选取零势能平面 确定初 末状态机械能 运用守恒定律 列出方程求解 课堂互动讲练 关于机械能守恒定律的适用条件 下列说法中正确的是 A 只有重力和弹力作用时 机械能才守恒B 当有其他外力作用时 只要合外力为零 机械能就守恒C 除重力外 当有其他外力作用时 只要其他外力不做功 机械能就守恒D 炮弹在空中飞行不计阻力时 仅受重力作用 所以爆炸前后机械能守恒 精讲精析 机械能守恒的条件是只有重力和系统内的弹力做功 如果这里的弹力是外力 且做功不为零 机械能不守恒 A错 物体受其他外力作用且合外力为零时 机械能可以不守恒 如拉一物体匀速上升 合外力为零 但机械能不守恒 B错 C选项中 这里的其他外力不含重力 满足机械能守恒的条件 对于D选项 在炮弹爆炸过程中 爆炸时化学能转化为机械能 机械能不守恒 答案 C 方法总结 物体的运动形式可能有多种 判断机械能是否守恒 关键看是否有重力和弹力做功 机械能守恒常见的情况有 1 物体只受重力作用 2 物体虽然受到重力以外的其他力作用 但它们在物体运动过程中始终不做功 变式训练1下列关于机械能是否守恒的叙述正确的是 A 做匀速直线运动的物体的机械能一定守恒B 做匀变速直线运动的物体的机械能可能守恒C 合外力对物体做功为零时 机械能一定守恒D 只有重力对物体做功 物体的机械能不一定守恒 解析 选B A项中做匀速直线运动的物体 可能除了重力和系统内弹力做功外 还有其他力做功 所以机械能不一定守恒 不选 B项中做匀变速直线运动的物体 可能只受重力或只有重力做功 如自由落体运动 物体的机械能可能守恒 应选 C项中合外力对物体做功为零时 说明物体的动能不变 但势能有可能变化 如降落伞在空中匀速下降 机械能减少 不选 D项中只有重力对物体做功 符合机械能守恒的条件 机械能一定守恒 在高为h的地方以速度v竖直向上运动的物体 如果只受重力作用 则它的动能是重力势能2倍时的高度是多少 思路点拨 运用机械能守恒定律解决问题时 初 末状态机械能的确定是关键 在只有重力做功的情况下 机械能只包括重力势能和动能 如果有弹力做功 那么机械能还包括弹性势能 变式训练2把一个小球用细线悬挂起来 就成为一个摆 如图2 3 1 摆长为l 最大偏角为 小球运动到最低位置时的速度是多大 图2 3 1 2011年济南高一检测 如图2 3 2所示 轻弹簧K一端与墙相连 质量为4kg的木块 沿光滑水平面以10m s的速度运动 并压缩弹簧 则弹簧在被压缩过程中的最大弹性势能为 图2 3 2 思路点拨 只有弹簧弹力做功 动能和弹性势能发生转化 当动能最小时 弹性势能最大 答案 200J 方法总结 只有弹簧弹力做功的情况下动能 弹簧的弹性势能相互转化 机械能总量保持不变 如图2 3 3所示 质量为m的木块放在光滑的水平桌面上 用轻绳绕过桌边的定滑轮与质量为M的砝码相连 已知M 2m 让绳拉直后使砝码从静止开始下降h 小于桌高 的距离 木块仍没离开桌面 则此时砝码的速度为多少 图2 3 3 思路点拨 砝码未到地面之前 木块和砝码的速度大小相等 以木块和砝码为一个系统 利用机械能守恒定律求解 方法总结 如果连接物体间的轻绳和轻杆在物体运动过程中对系统不做功或做功的代数和为零 系统内一部分物体增加的机械能等于另一部分物体减少的机械能 系统机械能守恒 但对于每一个物体而言 机械能不守恒 变式训练3如图2 3 4所示 质量分别为m和2m的两个小球A和B 中间用轻杆相连 在杆的中点O处有一固定转动轴 把杆置于水平位置后释放 在B球顺时针摆到最低位置的过程中 A A球和B球的机械能均不变B A球的机械能增加 B球的机械能减少C A球 B球和地球组成的系统机械能减少D A球 B球和地球组成的系统机械能增加图2 3 4 解析 选B 由于杆摆到竖直过程中A球上升 同时有速度 因此A球机械能增加 B球由于杆力做负功 因而机械能减少 而A B球组成的系统无外力做功 因而机械能守恒 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