2019年高考物理一轮复习 第五章 机械能 第2讲 机械能守恒定律课件.ppt

第2讲机械能守恒定律 第五章机械能 内容索引 基础知识梳理 命题点一机械能守恒的判断 命题点二单个物体的机械能守恒 命题点三用机械能守恒定律解决连接体问题 课时作业 命题点四含弹簧类机械能守恒问题 盘查拓展点 基础知识梳理 1 一 机械能1 重力做功与重力势能 1 重力做功的特点重力做功与无关 只与初 末位置的有关 2 重力做功与重力势能变化的关系 定性关系 重力对物体做正功 重力势能就 重力对物体做负功 重力势能就 定量关系 物体从位置A到位置B时 重力对物体做的功等于物体重力势能的 即WG 重力势能的变化量是绝对的 与参考面的选取 路径 高度差 减少 增加 减少量 Ep 无关 2 弹性势能 1 定义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而具有的势能 2 弹力做功与弹性势能变化的关系 弹力做功与弹性势能变化的关系类似于重力做功与重力势能变化的关系 对于弹性势能 一般物体的弹性形变量越大 弹性势能 越大 同一根弹簧伸长量和压缩量相同时 弹簧的弹性势能相同吗 答案 相同 二 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 保持不变 动能 势能 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 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 不做功 为零 处理连接体的机械能守恒问题时 一般应用哪个公式较方便 答案 Ep Ek 1 粤教版必修2P82第2题 多选 忽略空气阻力 下列物体运动过程中满足机械能守恒的是A 电梯匀速下降B 物体自由下落C 物体由光滑斜面顶端滑到斜面底端D 物体沿着斜面匀速下滑E 铅球运动员抛出的铅球从抛出到落地前 答案 2 人教版必修2P78第3题改编 多选 如图所示 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 答案 3 多选 如图所示 下列关于机械能是否守恒的判断正确的是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 4 人教版必修2P80第2题改编 如图所示是某公园设计的一种惊险刺激的娱乐设施 管道除D点右侧水平部分粗糙外 其余部分均光滑 若挑战者自斜管上足够高的位置滑下 将无能量损失的连续滑入第一个 第二个圆管轨道A B内部 圆管A比圆管B高 某次一挑战者自斜管上某处滑下 经过第一个圆管轨道A内部最高位置时 对管壁恰好无压力 则这名挑战者A 经过管道A最高点时的机械能大于经过管道B最低点时的机械能B 经过管道A最低点时的动能大于经过管道B最低点时的动能C 经过管道B最高点时对管外侧壁有压力D 不能经过管道B的最高点 答案 2 命题点一机械能守恒的判断 1 做功判断法 若物体系统内只有重力和弹簧弹力做功 其他力均不做功或其他力做功的代数和为零 则系统的机械能守恒 2 能量转化判断法 若只有系统内物体间动能和重力势能及弹性势能的相互转化 系统跟外界没有发生机械能的传递 机械能也没有转变成其他形式的能 如没有内能增加 则系统的机械能守恒 3 利用机械能的定义判断 若物体在水平面上匀速运动 则其动能 势能均不变 机械能守恒 若一个物体沿斜面匀速下滑 则其动能不变 重力势能减少 机械能减少 多选 如图 轻弹簧竖立在地面上 正上方有一钢球 从A处自由下落 落到B处时开始与弹簧接触 此时向下压缩弹簧 小球运动到C处时 弹簧对小球的弹力与小球的重力平衡 小球运动到D处时 到达最低点 不计空气阻力 以下描述正确的有A 小球由A向B运动的过程中 处于完全失重状态 小球的机械能减少B 小球由B向C运动的过程中 处于失重状态 小球的机械能减少C 小球由B向C运动的过程中 处于超重状态 小球的动能增加D 小球由C向D运动的过程中 处于超重状态 小球的机械能减少 例1 答案 分析 弹簧弹性势能增加 小球机械能减小 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 答案 解析 匀速下落 匀速圆周运动 2 如图所示 固定的倾斜光滑杆上套有一个质量为m的圆环 圆环与一橡皮绳相连 橡皮绳的另一端固定在地面上的A点 橡皮绳竖直时处于原长h 让圆环沿杆滑下 滑到杆的底端时速度为零 则在圆环下滑过程中A 圆环机械能守恒B 橡皮绳的弹性势能一直增大C 橡皮绳的弹性势能增加了mghD 橡皮绳再次达到原长时圆环动能最大 答案 分析 B点橡皮筋再次回复原长 C点沿杆方向合力为0 解析 O到B 只有重力做功 圆环机械能守恒橡皮绳的弹性势能不变过B点后 弹簧弹力做负功 圆环机械能减少 橡皮绳的弹性势能增加C点 加速度为零 速度最大 3 命题点二单个物体的机械能守恒 机械能守恒定律的表达式 2016 全国 卷 24 如图 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 2 通过计算判断小球能否沿轨道运动到C点 例2 答案 解析 分析 能 理由见解析 5 1 答案 1 设小球的质量为m 小球在A点的动能为EkA 设小球在B点的动能为EkB 同理有 机械能守恒定律公式的选用技巧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 3 2014 新课标 15 取水平地面为重力势能零点 一物块从某一高度水平抛出 在抛出点其动能与重力势能恰好相等 不计空气阻力 该物块落地时的速度方向与水平方向的夹角为 答案 解析 4 2014 安徽 15 如图所示 有一内壁光滑的闭合椭圆形管道 置于竖直平面内 MN是通过椭圆中心O点的水平线 已知一小球从M点出发 初速率为v0 沿管道MPN运动 到N点的速率为v1 所需时间为t1 若该小球仍由M点以初速率v0出发 而沿管道MQN运动 到N点的速率为v2 所需时间为t2 则A v1 v2 t1 t2B v1t2C v1 v2 t1 t2D v1 v2 t1 t2 答案 分析 机械能守恒 路程相等 4 命题点三用机械能守恒定律解决连接体问题 1 首先分析多个物体组成的系统所受的外力是否只有重力或弹力做功 内力是否造成了机械能与其他形式能的转化 从而判断系统机械能是否守恒 2 若系统机械能守恒 则机械能从一个物体转移到另一个物体 E1 E2 一个物体机械能增加 则一定有另一个物体机械能减少 例3 如图所示 左侧为一个半径为R的半球形的碗固定在水平桌面上 碗口水平 O点为球心 碗的内表面及碗口光滑 右侧是一个固定光滑斜面 斜面足够长 倾角 30 一根不可伸长的不计质量的细绳跨在碗口及光滑斜面顶端的光滑定滑轮两端上 绳的两端分别系有可视为质点的小球m1和m2 且m1 m2 开始时m1恰在碗口水平直径右端A处 m2在斜面上且距离斜面顶端足够远 此时连接两球的细绳与斜面平行且恰好伸直 当m1由静止释放运动到圆心O的正下方B点时细绳突然断开 不计细绳断开瞬间的能量损失 1 求小球m2沿斜面上升的最大距离s v1 v2 答案 分析 解析 设细绳断开后m2沿斜面上升的距离为s 对m2由机械能守恒定律得 小球m2沿斜面上升的最大距离s R s 联立以上两式并代入v2得 对m1由机械能守恒定律得 2 若已知细绳断开后小球m1沿碗的内侧上升的最大高度为 求 结果保留两位有效数字 答案 1 9 解析 连接体机械能守恒问题的分析技巧1 对连接体 一般用 转化法 和 转移法 来判断其机械能是否守恒 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 可选用 Ek Ep的形式 5 如图 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 答案 解析 6 多选 2015 新课标全国 21 如图 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 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 5 命题点四含弹簧类机械能守恒问题 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 2016 全国 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 例4 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 答案 解析 分析 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 7 多选 2016 全国 21 如图 小球套在光滑的竖直杆上 轻弹簧一端固定于O点 另一端与小球相连 现将小球从M点由静止释放 它在下降的过程中经过了N点 已知在M N两点处 弹簧对小球的弹力大小相等 且 ONM OMN 在小球从M点运动到N点的过程中A 弹力对小球先做正功后做负功B 有两个时刻小球的加速度等于重力加速度C 弹簧长度最短时 弹力对小球做功的功率为零D 小球到达N点时的动能等于其在M N两点的重力势能差 答案 分析 最短 原长 8 2015 天津理综 5 如图所示 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mgLC 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 答案 分析 9 如图所示 半径为R的光滑半圆形轨道CDE在竖直平面内与光滑水平轨道AC相切于C点 水平轨道AC上有一轻质弹簧 弹簧左端连接在固定的挡板上 弹簧自由端B与轨道最低点C的距离为4R 现用一个小球压缩弹簧 不拴接 当弹簧的压缩量为l时 释放小球 小球在运动过程中恰好通过半圆形轨道的最高点E 之后再次从B点用该小球压缩弹簧 释放后小球经过BCDE轨道抛出后恰好落在B点 已知弹簧压缩时弹性势能与压缩量的二次方成正比 弹簧始终处在弹性限度内 求第二次压缩时弹簧的压缩量 答案 解析 分析 设第一次压缩量为l时 弹簧的弹性势能为Ep 释放小球后弹簧的弹性势能转化为小球的动能 设小球离开弹簧时速度为v1 设小球在最高点E时的速度为v2 由临界条件可知 设第二次压缩时弹簧的压缩量为x 此时弹簧的弹性势能为Ep 小球通过最高点E时的速度为v3 由机械能守恒定律可得 6 盘查拓展点 机械能守恒中的轻杆模型1 模型构建 轻杆两端 或两处 各固定一个物体 整个系统一起沿斜面运动或绕某点转动 该系统即为机械能守恒中的轻杆模型 2 模型特点 1 忽略空气阻力和各种摩擦 2 平动时两物体线速度相等 转动时两物体角速度相等 3 杆对物体的作用力并不总是指向杆的方向 杆能对物体做功 单个物体机械能不守恒 4 对于杆和物体组成的系统 没有外力对系统做功 系统的总机械能守恒 3 注意问题 1 明确轻杆转轴的位置 从而确定两物体的线速度是否相等 2 杆对物体的作用力方向不再沿着杆 故单个物体的机械能不守恒 3 杆对物体做正功 使其机械能增加 同时杆对另一物体做负功 使其机械能减少 系统的机械能守恒 如图所示 在长为L的轻杆中点A和端点B处各固定一质量为m的球 杆可绕无摩擦的轴O转动 使杆从水平位置无初速度释放摆下 求当杆转到竖直位置时 轻杆对A B两球分别做了多少功 典例1 答案 0 2mgL0 2mgL 思维流程 解析 解析 由以上两式得 所以WB 0 2mgL 7 课时作业 1 在如图所示的物理过程示意图中 甲图为一端固定有小球的轻杆 从右偏上30 角释放后绕光滑支点摆动 乙图为末端固定有小球的轻质直角架 释放后绕通过直角顶点的固定轴O无摩擦转动 丙图为置于光滑水平面上的A B两小车 B静止 A获得一向右的初速度后向右运动 某时刻连接两车的细绳绷紧 然后带动B车运动 丁图为置于光滑水平面上的带有竖直支架的小车 把用细绳悬挂的小球从图示位置释放 小球开始摆动 则关于这几个物理过程 空气阻力忽略不计 下列判断中正确的是 1 2 3 4 5 6 A 甲图中小球机械能守恒B 乙图中小球A的机械能守恒C 丙图中两车组成的系统机械能守恒D 丁图中小球的机械能守恒 答案 2 如图甲所示 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 小滑块的质量和圆轨道的半径 答案 解析 0 1kg0 2m 1 2 3 4 5 6 设小滑块的质量为m 圆轨道的半径为R 取点 0 50m 0 和 1 00m 5 0N 代入上式得 m 0 1kg R 0 2m 1 2 3 4 5 6 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 存在0 6m 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 由于vD vD 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 而小滑块过D点的临界速度 得到 vD 2m s 得到 H 0 6m 1 2 3 4 5 6 3 如图所示 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JD 整个下滑过程中B球机械能的增加量为J 答案 解析 1 2 3 4 5 6 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 4 如图所示 倾角为 的斜面A被固定在水平面上 细线的一端固定于墙面 另一端跨过斜面顶端的小滑轮与物块B相连 B静止在斜面上 滑轮左侧的细线水平 右侧的细线与斜面平行 A B的质量均为m 撤去固定A的装置后 A B均做直线运动 不计一切摩擦 重力加速度为g 求 1 A固定不动时 A对B支持力的大小N 答案 解析 mgcos 支持力的大小N mgcos 1 2 3 4 5 6 2 A滑动的位移为x时 B的位移大小s 答案 解析 1 2 3 4 5 6 3 A滑动的位移为x时的速度大小vA 答案 解析 B的下降高度sy x sin 1 2 3 4 5 6 5 如图所示 半径R 0 4m的光滑圆弧轨道BC固定在竖直平面内 轨道的上端点B和圆心O的连线与水平方向的夹角 30 下端点C为轨道的最低点且与粗糙水平面相切 一根轻质弹簧的右端固定在竖直挡板上 质量m 0 1kg的小物块 可视为质点 从空中A点以v0 2m s的速度被水平抛出 恰好从B点沿轨道切线方向进入轨道 经过C点后沿水平面向右运动至D点时 弹簧被压缩至最短 C D两点间的水平距离L 1 2m 小物块与水平面间的动摩擦因数 0 5 g取10m s2 求 1 2 3 4 5 6 1 小物块经过圆弧轨道上B点时速度vB的大小 答案 解析 4m s 1 2 3 4 5 6 2 小物块经过圆弧轨道上C点时对轨道的压力大小 答案 解析 8N 小物块由B点运动到C点 由机械能守恒定律有 根据牛顿第三定律 小物块经过圆弧轨道上C点时对轨道的压力FN 大小为8N 1 2 3 4 5 6 3 弹簧的弹性势能的最大值Epm 答案 解析 0 8J 小物块从B点运动到D点 由能量守恒定律有 1 2 3 4 5 6 6 如图所示 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 试求 1 细绳所能承受的最大拉力F 答案 解析 3mg 1 2 3 4 5 6 小球由C运动到D的过程机械能守恒 则 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 1 2 3 4 5 6 2 斜面倾角 的正切值 答案 解析 小球由D运动到A的过程做平抛运动 则 vy2 2gh 1 2 3 4 5 6 3 弹簧所获得的最大弹性势能Ep 答案 解析 小球到达A点时 有 vA2 vy2 v12 2g h L 1 2 3 4 5 6