2019年度高考物理一轮复习第五章机械能第3讲机械能守恒定律及应用课件.ppt

第五章机械能 第3讲机械能守恒定律及应用 过好双基关 一 重力做功与重力势能的关系1 重力做功的特点 1 重力做功与无关 只与始末位置的有关 2 重力做功不引起物体的变化 2 重力势能 1 表达式 Ep 2 重力势能的特点重力势能是物体和所共有的 重力势能的大小与参考平面的选取 但重力势能的变化与参考平面的选取 路径 高度差 机械能 mgh 地球 有关 无关 3 重力做功与重力势能变化的关系 1 定性关系 重力对物体做正功 重力势能 重力对物体做负功 重力势能 2 定量关系 重力对物体做的功等于物体重力势能的减小量 即WG 减小 增大 Ep2 Ep1 Ep 答案 自测1关于重力势能 下列说法中正确的是A 物体的位置一旦确定 它的重力势能的大小也随之确定B 物体与零势能面的距离越大 它的重力势能也越大C 一个物体的重力势能从 5J变化到 3J 重力势能减少了D 重力势能的减少量等于重力对物体做的功 二 弹性势能1 定义 发生的物体之间 由于有弹力的相互作用而具有的势能 2 弹力做功与弹性势能变化的关系 弹力做正功 弹性势能 弹力做负功 弹性势能 即W 弹性形变 减小 增加 Ep 答案 自测2 多选 关于弹性势能 下列说法中正确的是A 任何发生弹性形变的物体 都具有弹性势能B 任何具有弹性势能的物体 一定发生了弹性形变C 物体只要发生形变 就一定具有弹性势能D 弹簧的弹性势能只跟弹簧被拉伸或压缩的长度有关 三 机械能守恒定律1 内容 在只有重力或弹力做功的物体系统内 与可以互相转化 而总的机械能 2 表达式 mgh1 mv12 3 机械能守恒的条件 1 系统只受重力或弹簧弹力的作用 不受其他外力 2 系统除受重力或弹簧弹力作用外 还受其他内力和外力 但这些力对系统 mgh2 mv22 动能 势能 保持不变 不做功 3 系统内除重力或弹簧弹力做功外 还有其他内力和外力做功 但这些力做功的代数和 4 系统跟外界没有发生机械能的传递 系统内 外也没有机械能与其他形式的能发生转化 为零 A 甲图中 物体A将弹簧压缩的过程中 物体A机械能守恒B 乙图中 物体A固定 物体B沿斜面匀速下滑 物体B的机械能守恒C 丙图中 不计任何阻力和定滑轮质量时 A加速下落 B加速上升过程中 A B组成的系统机械能守恒D 丁图中 小球沿水平面做匀速圆锥摆运动时 小球的机械能守恒 答案 自测3 多选 如图1所示 下列关于机械能是否守恒的判断正确的是 图1 答案 自测4教材P78第3题改编 多选 如图2所示 在地面上以速度v0抛出质量为m的物体 抛出后物体落到比地面低h的海平面上 若以地面为零势能面 而且不计空气阻力 则下列说法中正确的是 A 重力对物体做的功为mghB 物体在海平面上的势能为mghC 物体在海平面上的动能为mv02 mghD 物体在海平面上的机械能为mv02 图2 研透命题点 1 只有重力做功时 只发生动能和重力势能的相互转化 如自由落体运动 抛体运动等 2 只有系统内弹力做功 只发生动能和弹性势能的相互转化 如在光滑水平面上运动的物体碰到一个弹簧 和弹簧相互作用的过程中 对物体和弹簧组成的系统来说 机械能守恒 3 只有重力和系统内弹力做功 只发生动能 弹性势能 重力势能的相互转化 如自由下落的物体落到竖直的弹簧上 和弹簧相互作用的过程中 对物体和弹簧组成的系统来说 机械能守恒 命题点一机械能守恒的判断 基础考点自主悟透 4 除受重力 或系统内弹力 外 还受其他力 但其他力不做功 或其他力做功的代数和为零 如物体在沿斜面向下的拉力F的作用下沿斜面向下运动 其拉力的大小与摩擦力的大小相等 在此运动过程中 其机械能守恒 例1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 机械能守恒C 当有其他外力作用时 只要其他外力不做功 机械能守恒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 答案 解析 解析机械能守恒的条件是 只有重力或系统内弹力做功 而不是 只有重力和弹力作用 做功 和 作用 是两个不同的概念 A项错误 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 物体的动能不变 重力势能增加 故机械能增加 B项错误 在炮弹爆炸过程中产生的内能转化为机械能 机械能不守恒 故D项错误 答案 变式1下列关于机械能守恒的说法中正确的是A 做匀速运动的物体 其机械能一定守恒B 物体只受重力 机械能才守恒C 做匀速圆周运动的物体 其机械能一定守恒D 除重力做功外 其他力不做功 物体的机械能一定守恒 1 表达式 命题点二单物体的机械能守恒问题 基础考点自主悟透 2 一般步骤 3 选用技巧 1 在处理单个物体机械能守恒问题时通常应用守恒观点和转化观点 转化观点不用选取零势能面 2 在处理连接体问题时 通常应用转化观点和转移观点 都不用选取零势能面 例2 2016 全国卷 24 如图3所示 在竖直平面内有由圆弧AB和圆弧BC组成的光滑固定轨道 两者在最低点B平滑连接 AB弧的半径为R BC弧的半径为一小球在A点正上方与A相距处由静止开始自由下落 经A点沿圆弧轨道运动 1 求小球在B A两点的动能之比 答案 解析 图3 答案5 1 解析设小球的质量为m 小球在A点的动能为EkA 由机械能守恒得EkA mg 设小球在B点的动能为EkB 同理有EkB mg 由 式得 5 2 通过计算判断小球能否沿轨道运动到C点 答案 解析 答案能 理由见解析 解析若小球能沿轨道运动到C点 小球在C点所受轨道的正压力FN应满足FN 0 设小球在C点的速度大小为vC 由牛顿第二定律和向心加速度公式有FN mg 由 式得mg vC 对全程应用机械能守恒定律得 由 式可知 vC vC 即小球恰好可以沿轨道运动到C点 变式2如图4甲所示 竖直平面内的光滑轨道由倾斜直轨道AB和圆轨道BCD组成 AB和BCD相切于B点 CD连线是圆轨道竖直方向的直径 C D为圆轨道的最低点和最高点 已知 BOC 30 可视为质点的小滑块从轨道AB上高H处的某点由静止滑下 用力传感器测出小滑块经过圆轨道最高点D时对轨道的压力为F 并得到如图乙所示的压力F与高度H的关系图象 取g 10m s2 求 1 滑块的质量和圆轨道的半径 答案 解析 图4 答案0 1kg0 2m 解析设小滑块的质量为m 圆轨道的半径为R根据机械能守恒定律得 取点 0 50m 0 和 1 00m 5 0N 代入上式得 m 0 1kg R 0 2m 2 是否存在某个H值 使得小滑块经过最高点D后能直接落到直轨道AB上与圆心等高的点 若存在 请求出H值 若不存在 请说明理由 答案 解析 答案存在0 6m 解析假设小滑块经过最高点D后能直接落到直轨道AB上与圆心等高的E点 如图所示 由几何关系可得OE 设小滑块经过最高点D时的速度为vD 由题意可知 小滑块从D运动到E 水平方向的位移为OE 竖直方向上的位移为R 则OE vD t R 解得vD 2m s 而小滑块过D点的临界速度vD0 由于vD vD0 所以存在一个H值 使得小滑块经过最高点D后能直接落到直轨道AB上与圆心等高的点mg H 2R mvD 2解得H 0 6m 1 对多个物体组成的系统要注意判断物体运动过程中 系统的机械能是否守恒 2 注意寻找用绳或杆相连接的物体间的速度关系和位移关系 3 列机械能守恒方程时 一般选用 Ek Ep或 EA EB的形式 命题点三连接体的机械能守恒问题 能力考点师生共研 例3如图5所示 左侧竖直墙面上固定半径为R 0 3m的光滑半圆环 右侧竖直墙面上与圆环的圆心O等高处固定一光滑直杆 质量为ma 100g的小球a套在半圆环上 质量为mb 36g的滑块b套在直杆上 二者之间用长为l 0 4m的轻杆通过两铰链连接 现将a从圆环的最高处由静止释放 使a沿圆环自由下滑 不计一切摩擦 a b均视为质点 重力加速度g 10m s2 求 1 小球a滑到与圆心O等高的P点时的向心力大小 答案 解析 图5 答案2N 解析当a滑到与O同高度的P点时 a的速度v沿圆环切向向下 b的速度为零 由机械能守恒可得 magR mav2解得v 对小球a受力分析 由牛顿第二定律可得 F 2mag 2N 2 小球a从P点下滑至杆与圆环相切的Q点的过程中 杆对滑块b做的功 答案 解析 答案0 1944J 解析杆与圆环相切时 如图所示 此时a的速度沿杆方向 设此时b的速度为vb 则知va vbcos 由几何关系可得 cos 球a下降的高度h Rcos a b及杆组成的系统机械能守恒 对滑块b 由动能定理得 W mbvb2 0 1944J 变式3 多选 2015 新课标全国 21 如图6所示 滑块a b的质量均为m a套在固定竖直杆上 与光滑水平地面相距h b放在地面上 a b通过铰链用刚性轻杆连接 由静止开始运动 不计摩擦 a b可视为质点 重力加速度大小为g 则A a落地前 轻杆对b一直做正功B a落地时速度大小为C a下落过程中 其加速度大小始终不大于gD a落地前 当a的机械能最小时 b对地面的压力大小为mg 答案 解析 图6 解析滑块b的初速度为零 末速度也为零 所以轻杆对b先做正功 后做负功 选项A错误 以滑块a b及轻杆组成的系统为研究对象 系统的机械能守恒 当a刚落地时 b的速度为零 则mgh mva2 0 即va 选项B正确 a b的先后受力分析如图甲 乙所示 由a的受力情况可知 a下落过程中 其加速度大小先小于g后大于g 选项C错误 当a落地前b的加速度为零 即轻杆对b的作用力为零 时 b的机械能最大 a的机械能最小 这时b受重力 支持力 且FNb mg 由牛顿第三定律可知 b对地面的压力大小为mg 选项D正确 变式4半径为R的光滑圆环竖直放置 环上套有两个质量分别为m和的小球A和B A B之间用一长为的轻杆相连 如图7所示 开始时 A B都静止 且A在圆环的最高点 现将A B释放 试求 重力加速度为g 1 B球到达最低点时的速度大小 答案 解析 图7 解析释放后B到达最低点的过程中A B和杆组成的系统机械能守恒 mAgR mBgR mAvA2 mBvB2 又OA与OB相互垂直 AB杆长l 故OA OB与杆间夹角均为45 可得vA vB 解得vB 2 B球到达最低点的过程中 杆对A球做的功 答案 解析 答案0 解析对小球A应用动能定理可得W杆A mAgR mAvA2又vA vB解得杆对A球做功W杆A 0 3 B球在圆环右侧区域内能达到的最高点位置 答案 解析 解析设B球到达右侧最高点时 OB与竖直方向之间的夹角为 取圆环的圆心O所在水平面为零势能面 由系统机械能守恒可得mAgR mBgRcos mAgRsin 代入数据可得 30 所以B球在圆环右侧区域内达到最高点时 高于圆心O的高度hB Rcos 1 由于弹簧的形变会具有弹性势能 系统的总动能将发生变化 若系统所受的外力和除弹簧弹力以外的内力不做功 系统机械能守恒 2 在相互作用过程特征方面 弹簧两端物体把弹簧拉伸至最长 或压缩至最短 时 两端的物体具有相同的速度 弹性势能最大 3 如果系统每个物体除弹簧弹力外所受合力为零 当弹簧为自然长度时 系统内弹簧某一端的物体具有最大速度 如绷紧的弹簧由静止释放 命题点四含弹簧类机械能守恒问题 能力考点师生共研 例4 2016 全国卷 25 轻质弹簧原长为2l 将弹簧竖直放置在地面上 在其顶端将一质量为5m的物体由静止释放 当弹簧被压缩到最短时 弹簧长度为l 现将该弹簧水平放置 一端固定在A点 另一端与物块P接触但不连接 AB是长度为5l的水平轨道 B端与半径为l的光滑半圆轨道BCD相切 半圆的直径BD竖直 如图8所示 物块P与AB间的动摩擦因数 0 5 用外力推动物块P 将弹簧压缩至长度l 然后放开 P开始沿轨道运动 重力加速度大小为g 答案 解析 图8 1 若P的质量为m 求P到达B点时速度的大小 以及它离开圆轨道后落回到AB上的位置与B点之间的距离 解析依题意 当弹簧竖直放置 长度被压缩至l时 质量为5m的物体的动能为零 其重力势能转化为弹簧的弹性势能 由机械能守恒定律知 弹簧长度为l时的弹性势能为Ep 5mgl 设P到达B点时的速度大小为vB 由能量守恒定律得Ep mvB2 mg 5l l 联立 式 并代入题给数据得vB 若P能沿圆轨道运动到D点 其到达D点时的向心力不能小于重力 即P此时的速度大小v应满足 mg 0 设P滑到D点时的速度为vD 由机械能守恒定律得mvB2 mvD2 mg 2l 联立 式得vD vD满足 式要求 故P能运动到D点 并从D点以速度vD水平射出 设P落回到轨道AB所需的时间为t 由运动学公式得2l gt2 P落回到AB上的位置与B点之间的距离为s vDt 联立 式得s 解析设P的质量为M 为使P能滑上圆轨道 它到达B点时的速度必须大于零 由 式可知5mgl Mg 4l 要使P仍能沿圆轨道滑回 P在圆轨道的上升高度不能超过半圆轨道的中点C 由机械能守恒定律有MvB 2 Mgl Ep MvB 2 Mg 4l 联立 式得 2 若P能滑上圆轨道 且仍能沿圆轨道滑下 求P的质量的取值范围 答案 解析 图9 变式5 2018 内蒙古包头模拟 如图9所示 在竖直方向上A B两物体通过劲度系数为k的轻质弹簧相连 A放在水平地面上 B C两物体通过细线绕过轻质定滑轮相连 C放在固定的光滑斜面上 用手拿住C 使细线刚刚拉直但无拉力作用 并保证ab段的细线竖直 cd段的细线与斜面平行 已知A B的质量均为m C的质量为4m 重力加速度为g 细线与滑轮之间的摩擦不计 开始时整个系统处于静止状态 释放C后C沿斜面下滑 A刚离开地面时 B获得最大速度 求 1 斜面倾角 答案 解析 答案30 解析当物体A刚刚离开地面时 设弹簧的伸长量为xA 对A有kxA mg 此时B受到重力mg 弹簧的弹力kxA 细线拉力FT三个力的作用 设B的加速度为a 根据牛顿第二定律 对B有 FT mg kxA ma 对C有 4mgsin FT 4ma 当B获得最大速度时 有a 0 由此解得sin 0 5 所以 30 解析开始时弹簧压缩的长度为xB 显然xA xB 当物体A刚离开地面时 B上升的距离以及C沿斜面下滑的距离为xA xB 由于xA xB 弹簧处于压缩状态和伸长状态时的弹性势能相等 且物体A刚刚离开地面时 B C两物体的速度相等 设为v 由机械能守恒定律得4mg xA xB sin mg xA xB 4m m v2 代入数值解得v 2 B的最大速度v 答案 解析 课时作业 1 多选 2018 河南郑州质检 下列说法正确的是A 如果物体所受到的合力为零 则其机械能一定守恒B 如果物体所受到的合力做的功为零 则其机械能一定守恒C 物体沿光滑曲面自由下滑的过程中 其机械能一定守恒D 做匀加速运动的物体 其机械能可能守恒 答案 解析 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 解析物体沿光滑曲面自由下滑的过程中 只有重力做功 所以机械能守恒 选项C正确 做匀加速运动的物体 其机械能可能守恒 如自由落体运动 选项D正确 2 多选 如图1所示 斜面体置于光滑水平地面上 其光滑斜面上有一物体由静止沿斜面下滑 在物体下滑过程中 下列说法正确的是A 物体的重力势能减少 动能增加B 斜面体的机械能不变C 斜面体对物体的弹力垂直于接触面 不对物体做功D 物体和斜面体组成的系统机械能守恒 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 答案 解析 图1 解析物体下滑过程中重力势能减少 动能增加 A正确 地面光滑 斜面体会向右运动 动能增加 机械能增加 B错误 斜面体对物体的弹力垂直于接触面 与物体的位移并不垂直 弹力对物体做负功 C错误 物体与斜面体组成的系统 只有重力做功 系统的机械能守恒 D正确 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 3 如图2所示 可视为质点的小球A B用不可伸长的细软轻线连接 跨过固定在地面上 半径为R的光滑圆柱 A的质量为B的两倍 当B位于地面上时 A恰与圆柱轴心等高 将A由静止释放 B上升的最大高度是 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 答案 解析 图2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 4 如图3所示 由光滑细管组成的轨道固定在竖直平面内 AB段和BC段是半径为R的四分之一圆弧 CD段为平滑的弯管 一小球从管口D处由静止释放 最后能够从A端水平抛出落到地面上 关于管口D距离地面的高度必须满足的条件是A 等于2RB 大于2R 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 答案 解析 图3 解析细管轨道可以提供支持力 所以到达A点的速度大于零即可 即mgH mg 2R 0 解得H 2R 故选B 5 2018 江西景德镇模拟 如图4所示 将一质量为m的小球从A点以初速度v斜向上抛出 小球先后经过B C两点 已知B C之间的竖直高度和C A之间的竖直高度都为h 重力加速度为g 取A点所在的平面为参考平面 不考虑空气阻力 则A 小球在B点的机械能是C点机械能的两倍B 小球在B点的动能是C点动能的两倍C 小球在B点的动能为mv2 2mghD 小球在C点的动能为mv2 mgh 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 答案 图4 A 甲B 乙C 丙D 丁 6 如图5所示 在下列不同情形中将光滑小球以相同速率v射出 忽略空气阻力 结果只有一种情形小球不能到达天花板 则该情形是 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 答案 图5 7 如图6所示 在倾角 30 的光滑固定斜面上 放有两个质量分别为1kg和2kg的可视为质点的小球A和B 两球之间用一根长L 0 2m的轻杆相连 小球B距水平面的高度h 0 1m 两球由静止开始下滑到光滑地面上 不计球与地面碰撞时的机械能损失 g取10m s2 则下列说法中正确的是A 整个下滑过程中A球机械能守恒B 整个下滑过程中B球机械能守恒C 整个下滑过程中A球机械能的增加量为D 整个下滑过程中B球机械能的增加量为 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 答案 解析 图6 解析在下滑的整个过程中 只有重力对系统做功 系统的机械能守恒 但在B球沿水平面滑行 而A球沿斜面滑行时 杆的弹力对A B球做功 所以A B球各自机械能不守恒 故A B错误 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 8 多选 2017 河北衡水中学二调 如图7所示 将质量为2m的重物悬挂在轻绳的一端 轻绳的另一端系一质量为m的环 环套在竖直固定的光滑直杆上 光滑的轻小定滑轮与直杆的距离为d 杆上的A点与定滑轮等高 杆上的B点在A点下方距离为d处 现将环从A处由静止释放 不计一切摩擦阻力 下列说法正确的是A 环到达B处时 重物上升的高度h B 环到达B处时 环与重物的速度大小相等C 环从A到B 环减少的机械能等于重物增加的机械能D 环能下降的最大高度为 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 答案 解析 图7 解析根据几何关系 环从A下滑至B点时 重物上升的高度h 故A错误 将环在B点的速度沿绳子方向和垂直于绳子方向分解 沿绳子方向上的分速度等于重物的速度 有 v环cos45 v重物 故B错误 环下滑过程中无摩擦力对系统做功 系统机械能守恒 即环减小的机械能等于重物增加的机械能 故C正确 环下滑到最大高度为H时环和重物的速度均为0 此时重物上升的最大高度为根据机械能守恒有mgH 故D正确 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 9 2015 天津理综 5 如图8所示 固定的竖直光滑长杆上套有质量为m的小圆环 圆环与水平状态的轻质弹簧一端连接 弹簧的另一端连接在墙上 且处于原长状态 现让圆环由静止开始下滑 已知弹簧原长为L 圆环下滑到最大距离时弹簧的长度变为2L 未超过弹性限度 则在圆环下滑到最大距离的过程中A 圆环的机械能守恒B 弹簧弹性势能变化了C 圆环下滑到最大距离时 所受合力为零D 圆环重力势能与弹簧弹性势能之和保持不变 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 答案 解析 图8 解析圆环在下落过程中弹簧的弹性势能增加 由能量守恒定律可知圆环的机械能减少 而圆环与弹簧组成的系统机械能守恒 故A D错误 圆环下滑到最大距离时速度为零 但是加速度不为零 即合外力不为零 故C错误 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 10 如图9所示 半径为R的光滑半圆轨道ABC与倾角 37 的粗糙斜面轨道DC相切于C 圆轨道的直径AC与斜面垂直 质量为m的小球从A点左上方距A点高为h的P点以某一速度水平抛出 刚好与半圆轨道的A点相切进入半圆轨道内侧 之后经半圆轨道沿斜面刚好滑到与抛出点等高的D处 已知当地的重力加速度为g 取R sin37 0 6 cos37 0 8 不计空气阻力 求 1 小球被抛出时的速度v0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 答案 解析 图9 解析小球到达A点时 速度与水平方向的夹角为 如图所示 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 在B点 由牛顿第二定律有FN mg m解得FN 5 6mg由牛顿第三定律知 小球在B点对轨道的压力大小是5 6mg 2 小球到达半圆轨道最低点B时 对轨道的压力大小 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 答案 解析 答案5 6mg 解析A B间竖直高度H R 1 cos 设小球到达B点时的速度为v 则从抛出点到B过程中由机械能守恒定律有 3 小球从C到D过程中克服摩擦力做的功W 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 答案 解析 解析小球沿斜面上滑过程中克服摩擦力做的功等于小球做平抛运动的初动能 有 11 如图10所示 在同一竖直平面内 一轻质弹簧静止放于光滑斜面上 其一端固定 另一端恰好与水平线AB平齐 长为L的轻质细绳一端固定在O点 另一端系一质量为m的小球 将细绳拉至水平 此时小球在位置C 现由静止释放小球 小球到达最低点D时 细绳刚好被拉断 D点与AB相距h 之后小球在运动过程中恰好与弹簧接触并沿斜面方向压缩弹簧 弹簧的最大压缩量为x 不计空气阻力 试求 1 细绳所能承受的最大拉力F 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 答案 解析 图10 答案3mg 解析小球由C运动到D的过程中机械能守恒 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 解得 F 3mg由牛顿第三定律知 细绳所能承受的最大拉力为3mg 2 斜面倾角 的正切值 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 答案 解析 解析小球由D运动到A的过程做平抛运动 则 vy2 2gh 3 弹簧所获得的最大弹性势能Ep 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 答案 解析 解析小球到达A点时 有 vA2 vy2 v12 2g h L 小球在压缩弹簧的过程中 小球与弹簧组成的系统机械能守恒 则