高考物理大二轮总复习与增分策略 专题八 机械能守恒定律 功能关系课件.ppt

专题八机械能守恒定律功能关系 考点基础自清 考点互动探究 内容索引 考点基础自清 一 重力做功与重力势能1 重力做功的特点 1 重力做功与路径无关 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 即WG Ep2 Ep1 Ep 高度差 答案 机械能 减小 增大 减少量 答案 3 重力势能的变化量是绝对的 与参考平面的选取 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 1 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 用公式表示 W 2 对于弹性势能 一般地 物体的弹性形变量越大 弹性势能 无关 弹性形变 Ep 越大 答案 3 重力势能与弹性势能的比较 被举高 弹性形变 mgh 劲度系数 有关 弹性势能 答案 三 机械能守恒定律及其应用1 机械能和统称为机械能 其中势能包括弹性势能和 2 机械能守恒定律 1 内容 在只有或做功的物体系统内 动能与势能可以相互转化 而总的机械能 2 常用的三种表达式 守恒式 E1 E2或 E1 E2分别表示系统初末状态时的总机械能 重力势能 重力 弹力 保持不变 Ek1 Ep1 Ek2 Ep2 动能 势能 答案 转化式 Ek Ep或 Ek增 表示系统动能的增加量等于势能的减少量 转移式 EA EB或 EA增 表示系统只有A B两物体时 A增加的机械能等于B减少的机械能 四 能量守恒定律1 内容能量既不会凭空产生 也不会凭空消失 它只能从一种形式为另一种形式 或者从一个物体转移到另一个物体 在转化和转移的过程中 能量的总量 Ep减 EB减 转化 保持不变 答案 2 适用范围能量守恒定律是贯穿物理学的基本规律 是各种自然现象中的一种规律 3 表达式 1 E初 E末 初状态各种能量的总和等于末状态各种能量的 2 E增 E减 增加的那些能量的增加量等于减少的那些能量的减少量 普遍适用 总和 1 2016 河南名校月考 下列关于机械能守恒的说法中 正确的是 A 若只有重力做功 则物体机械能一定守恒B 若物体的机械能守恒 一定只受重力C 做匀变速运动的物体机械能一定不守恒D 物体所受合外力不为零 机械能一定守恒 解析 1 2 3 4 5 学考通关练 解析若只有重力做功 则物体的动能和重力势能之间发生转化 物体的机械能一定守恒 A正确 若物体的机械能守恒 物体不一定只受重力 也许还受其他力 但其他力做功的代数和为零 B错误 做匀变速运动的物体 如果除重力外的其他力做功为零 则机械能守恒 如做自由落体运动的物体 C错误 物体所受合外力不为零 如果除重力外的其他力做功不为零 则机械能不守恒 D错误 1 2 3 4 5 2 2016 浙江10月学考 4 如图1所示 无人机在空中匀速上升时 不断增加的能量是 A 动能B 动能 重力势能C 重力势能 机械能D 动能 重力势能 机械能 1 2 3 4 5 图1 解析 解析无人机匀速上升 所以动能保持不变 所以选项A B D均错 高度不断增加 所以重力势能不断增加 在上升过程中升力对无人机做正功 所以无人机机械能不断增加 所以选项C正确 3 2016 杭州一模 如图2所示 质量为m的足球在水平地面的位置1被踢出后落到水平地面的位置3 在空中达到的最高点 位置2 的高度为h 已知重力加速度为g 下列说法正确的是 A 足球由位置1运动到位置2的过程中 重力做的功为mghB 足球由位置1运动到位置3的过程中 重力做的功为2mghC 足球由位置2运动到位置3的过程中 重力势能减少了mghD 如果没有选定参考平面 就无法确定重力势能变化了多少 解析 1 2 3 4 5 图2 解析足球由位置1运动到位置2的过程中 高度增加h 重力做负功 应为 mgh 选项A错误 足球由位置1运动到位置3的过程中 由于位置1和位置3在同一水平地面上 故足球的高度没有变化 重力做的功为零 选项B错误 足球由位置2运动到位置3的过程中 足球的高度降低 重力做正功 重力势能减少 由于2 3两位置的高度差是h 故重力势能减少了mgh 选项C正确 分析重力势能的变化 只要找出高度的变化量即可 与参考平面的选取没有关系 选项D错误 1 2 3 4 5 4 2015 浙江1月学考 11 质量为m的小陶同学助跑跳起后 手指刚好能摸到篮球架的球筐 该同学站立举臂时 手指触摸到的最大高度为h1 已知篮球筐距地面的高度约为h2 则在助跑 起跳和摸筐的整个过程中 该同学重力势能的增加量最接近 A mgh1B mgh2C mg h2 h1 D mg h1 h2 1 2 3 4 5 解析 解析重力势能的增加量等于克服重力所做的功W mg h mg h2 h1 故C正确 5 2013 浙江6月学考 18 如图3所示 将质量为m的石块从离地面h高处以初速度v0斜向上抛出 以地面为参考平面 不计空气阻力 当石块落地时 1 2 3 4 5 图3 解析 解析抛出时机械能为 mgh 根据机械能守恒得D项正确 落地时重力势能为零 故落地时动能为 mgh A B C项错误 返回 考点互动探究 1 机械能守恒的条件只有重力或弹力做功 可以从以下四个方面进行理解 1 物体只受重力或弹力作用 2 存在其他力作用 但其他力不做功 只有重力或弹力做功 3 其他力做功 但做功的代数和为零 4 存在相互作用的物体组成的系统只有动能和势能的相互转化 无其他形式能量的转化 2 机械能守恒的判断方法 1 利用机械能的定义判断 直接判断 分析动能和势能的和是否变化 2 用做功判断 若物体或系统只有重力 或弹簧的弹力 做功 或有其他力做功 但其他力做功的代数和为零 则机械能守恒 3 用能量转化来判断 若物体或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 则物体或系统机械能守恒 3 动能定理与机械能守恒定律的选择 1 一般来讲 能用机械能守恒定律求解的问题用动能定理也能解决 但能用动能定理解决的问题用机械能守恒定律不一定就能解决 2 两种方法都能解题时 一般应用动能定理解题较为方便 因为这样可以省去判断机械能是否守恒和选定零势能面的麻烦 3 只有重力做功时 动能定理的表达式WG Ek2 Ek1 Ep1 Ep2 显然该式也是机械能守恒定律的方程式 例1 2016 杭州市联考 如图4所示 在同一竖直平面内 一轻质弹簧一端固定 另一自由端恰好与水平线AB平齐 静止放于倾角为53 的光滑斜面上 一长为L 9cm的轻质细绳一端固定在O点 另一端系一质量为m 1kg的小球 将细绳拉至水平 使小球从位置C由静止释放 小球到达最低点D时 细绳刚好被拉断 之后小球在运动过程中恰好沿斜面方向将弹簧压缩 最大压缩量为x 5cm 取g 10m s2 sin53 0 8 cos53 0 6 求 1 细绳受到的拉力的最大值 图4 解析答案 由 解得F 30N由牛顿第三定律知细绳受到的拉力的最大值为30N 答案30N 2 D点到水平线AB的高度h 解析答案 解析由D到A 小球做平抛运动vy2 2gh 联立 解得h 16cm 答案16cm 3 弹簧所获得的最大弹性势能Ep 解析答案 解析小球从C点到将弹簧压缩到最短的过程中 小球与弹簧组成的系统的机械能守恒 即Ep mg L h xsin53 代入数据解得 Ep 2 9J 答案2 9J 规律总结 应用机械能守恒定律的基本思路 1 选取研究对象 物体或系统 2 根据研究对象所经历的物理过程 进行受力 做功分析 判断机械能是否守恒 3 恰当地选取参考平面 确定研究对象在过程的初 末状态时的机械能 4 选取适当的机械能守恒定律的方程形式 Ek1 Ep1 Ek2 Ep2 Ek Ep 进行求解 解析 1 如图5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 1 2 3 变式题组 图5 解析圆环沿杆滑下 滑到杆的底端的过程中有两个力对圆环做功 即环的重力和橡皮绳的拉力 所以圆环的机械能不守恒 如果把圆环和橡皮绳组成的系统作为研究对象 则系统的机械能守恒 故A错误 橡皮绳的弹性势能随橡皮绳的形变量的变化而变化 由图知橡皮绳先缩短后再伸长 故橡皮绳的弹性势能先不变再增大 故B错误 根据系统的机械能守恒 圆环的机械能减少了mgh 那么圆环的机械能的减少量等于橡皮绳的弹性势能增加量 为mgh 故C正确 在圆环下滑过程中 橡皮绳再次达到原长时 该过程中动能一直增大 但不是最大 沿杆方向合力为零的时刻 圆环的动能最大 故D错误 1 2 3 解析 2 如图6所示 用长为L的轻绳把一个小铁球悬挂在高为2L的O点处 小铁球以O为圆心在竖直平面内做圆周运动且恰能到达最高点B处 不计空气阻力 若运动中轻绳断开 则小铁球落到地面时的速度大小为 图6 1 2 3 1 2 3 3 如图7所示 竖直平面内有一半径为R 0 50m的光滑圆弧槽BCD B点与圆心O等高 一水平面与圆弧槽相接于D点 质量m 0 10kg的小球从B点正上方H 0 95m高处的A点自由下落 由B点进入圆弧轨道 从D点飞出后落在水平面上的Q点 DQ间的距离x 2 40m 球从D点飞出后的运动过程中相对水平面上升的最大高度h 0 80m g取10m s2 不计空气阻力 求 1 小球经过最低点C点时轨道对它的支持力大小FN 1 2 3 图9 解析答案 1 2 3 答案6 8N 2 小球经过最高点P的速度大小vP 解析答案 代入数据解得vP 3 0m s 答案3 0m s 1 2 3 答案0 30m 3 D点与圆心O的高度差hOD 几种常见的功能关系及其表达式 例2如图8所示 在升降机内固定一光滑的斜面体 一轻弹簧的一端连在位于斜面体上方的固定木板B上 另一端与质量为m的物块A相连 弹簧与斜面平行 整个系统由静止开始加速上升高度h的过程中 A 物块A的重力势能增加量一定等于mghB 物块A的动能增加量等于斜面的支持力和弹簧的拉力对其做功的代数和C 物块A的机械能增加量等于弹簧的拉力对其做的功D 物块A和弹簧组成的系统的机械能增加量等于斜面对物块的支持力和B对弹簧的拉力做功的代数和 图10 解析 解析物块A相对斜面下滑一段距离 故选项A错误 根据动能定理可知 物块A动能的增加量应等于重力 支持力及弹簧弹力对其做功的代数和 故选项B错误 物块A机械能的增加量应等于除重力以外的其他力对其做功的代数和 选项C错误 物块A和弹簧组成的系统的机械能增加量应等于除重力和弹簧弹力以外的其他力做功的代数和 故选项D正确 技巧点拨 功能关系的理解和应用原则1 牢记三条功能关系 1 重力做的功等于重力势能的变化 弹力做的功等于弹性势能的变化 2 合外力做的功等于动能的变化 3 除重力 弹力外 其他力做的功等于机械能的变化 2 功能关系的选用原则在应用功能关系解决具体问题的过程中 1 若只涉及动能的变化则用动能定理分析 2 若只涉及重力势能的变化则用重力做功与重力势能变化的关系分析 3 若只涉及机械能变化则用除重力和弹力之外的力做功与机械能变化的关系分析 4 若只涉及电势能的变化则用电场力做功与电势能变化的关系分析 解析 4 自然现象中蕴藏着许多物理知识 如图9所示为一个盛水袋 某人从侧面缓慢推袋壁使它变形 则水的势能 A 变大B 变小C 不变D 不能确定 4 5 6 变式题组 图9 解析人缓慢推水袋 对水袋做正功 由功能关系可知 水的重力势能一定增加 A正确 解析 5 2016 台州期末 元宵节焰火晚会上 万发礼花弹点亮夜空 如图10所示为焰火燃放时的精彩瞬间 假如燃放时长度为1m的炮筒竖直放置 每个礼花弹约为1kg 燃放前后看做质量不变 当地重力加速度为10m s2 爆炸后的高压气体对礼花弹做功900J 离开炮筒口时的动能为800J 礼花弹从炮筒底部竖直运动到炮筒口的过程中 下列判断正确的是 A 重力势能增加800JB 克服阻力 炮筒阻力及空气阻力 做功90JC 克服阻力 炮筒阻力及空气阻力 做功无法计算D 机械能增加800J 4 5 6 图10 4 5 6 解析礼花弹在炮筒内运动的过程中 克服重力做功mgh 10J 则重力势能增加量 Ep 10J 根据动能定理 Ek W W阻 WG可知W阻 W Ek WG 900J 800J 10J 90J 机械能的增加量 E Ek Ep 800J 10J 810J 所以只有B项正确 6 多选 如图11所示 一固定斜面倾角为30 一质量为m的小物块自斜面底端以一定的初速度沿斜面向上做匀减速运动 加速度大小等于重力加速度的大小g 物块上升的最大高度为H 则此过程中 物块的 A 动能损失了2mgHB 动能损失了mgHC 机械能损失了mgHD 机械能损失了mgH 图11 4 5 6 解析 解析分析小物块沿斜面上滑 根据题述可知 物块所受滑动摩擦力Ff 0 5mg 由动能定理 动能损失了 mgH 2mgH 选项A正确 B错误 由功能关系 机械能损失了 mgH 选项C正确 D错误 4 5 6 对能量守恒定律的两点理解 1 某种形式的能量减少 一定有其他形式的能量增加 且减少量和增加量相等 即 E减 E增 2 某个物体的能量减少 一定有别的物体的能量增加 且减少量和增加量相等 即 EA减 EB增 例3如图12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 另一端恰位于坡道的底端O点 已知在OM段 物块A与水平面间的动摩擦因数为 其余各处的摩擦不计 重力加速度为g 求 1 物块滑到O点时的速度大小 图12 解析答案 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 解析答案 以上各式联立得Ep mgh mgd 答案mgh mgd 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 解析答案 解析物块A被弹回的过程中 克服摩擦力所做的功仍为W mgd 由能量守恒定律得Ep mgd mgh 所以物块A能够上升的最大高度为h h 2 d 答案h 2 d 规律总结 应用能量守恒定律解题的基本思路1 分清有多少种形式的能量 如动能 势能 包括重力势能 弹性势能和电势能 内能等 在变化 2 明确哪种形式的能量增加 哪种形式的能量减少 并且列出减少的能量 E减和增加的能量 E增的表达式 3 列出能量守恒关系式 E减 E增 7 2016 天门模拟 如图13所示 质量为m的跳高运动员先后用背越式和跨越式两种跳高方式跳过某一高度 该高度比他起跳时的重心高出h 则他从起跳后至越过横杆的过程中克服重力所做的功 A 都必须大于mghB 都不一定大于mghC 用背越式不一定大于mgh 用跨越式必须大于mghD 用背越式必须大于mgh 用跨越式不一定大于mgh 解析 7 8 图13 变式题组 9 解析采用背越式跳高方式时 运动员的重心升高的高度可以低于横杆 而采用跨越式跳高方式时 运动员的重心升高的高度一定高于横杆 故用背越式时克服重力做的功不一定大于mgh 而采用跨越式时克服重力做的功一定大于mgh C正确 7 8 9 解析 8 如图14 蹦床是青少年喜欢的一种体育活动 蹦床边框用弹簧固定有弹性网角 运动员从最高点落下直至最低点的过程中 空气阻力大小恒定 则运动员 A 刚接触网面时 动能最大B 机械能一直减少C 重力势能的减少量等于蹦床弹性势能的增加量D 重力做功等于克服空气阻力做功 图14 7 8 9 解析当运动员受到的弹力 阻力 重力三力的合力为零时加速度为零 动能最大 A错误 在此过程中除重力外 运动员受到的弹力和阻力一起做负功 所以运动员的机械能减小 B正确 全过程由功能关系知mgh W阻 Ep弹 所以C D错误 7 8 9 9 如图15所示 一物体质量m 2kg 在倾角 37 的斜面上的A点以初速度v0 3m s下滑 A点距弹簧上端B的距离AB 4m 当物体到达B点后将弹簧压缩到C点 最大压缩量BC 0 2m 然后物体又被弹簧弹上去 弹到的最高位置为D点 D点距A点的距离AD 3m 挡板及弹簧质量不计 g取10m s2 sin37 0 6 求 1 物体与斜面间的动摩擦因数 图15 解析答案 7 8 9 解析物体从开始位置A点到最后D点的过程中 弹性势能没有发生变化 动能和重力势能减少 机械能的减少量为 E Ek Ep mglADsin37 物体克服摩擦力产生的热量为Q Ffx 其中x为物体的路程 即x 5 4m Ff mgcos37 由能量守恒定律可得 E Q 由 式解得 0 52 答案0 52 7 8 9 2 弹簧的最大弹性势能Epm 解析答案 解析由A到C的过程中 动能减少 Ek 重力势能减少 Ep mglACsin37 摩擦生热Q FflAC mgcos37 lAC 由能量守恒定律得弹簧的最大弹性势能为Epm Ek Ep Q 联立 解得Epm 24 5J 答案24 5J 返回 7 8 9