2018_2019学年高考物理主题二机械能及其守恒定律2.2动能势能学案粤教版.docx

2.2动能势能学习目标核心提炼1.明确做功与能量转化的关系。3个概念动能的概念、重力势能的概念、弹性势能的概念1个公式动能的公式3个关系做功与能量转化的关系、重力做功与重力势能变化的关系、决定弹性势能大小的因素2.知道动能的表达式，会用公式计算物体的动能。3.理解重力势能的概念，知道重力做功与重力势能变化的关系。4.理解弹性势能的概念，会分析决定弹性势能大小的因素。一、功和能的关系动能观图助学1.如图是三峡水电站发电情景，我们知道是水的动能转化成电能，做功与能量转化有什么关系？2.如图所示，是古代战争中攻击城门的战车，战车上装有一根质量很大的圆木，由很多士兵推着以很大的速度撞击城门，轻而易举地将城门撞破。圆木的质量很大，速度很大时，是为了增加圆木的什么能？1.能量：一个物体能够对其他物体做功，则该物体具有能量。2.功与能的关系：做功的过程就是能量转化的过程，做了多少功，就有多少能发生转化，所以功是能量转化的量度。功和能的单位相同，在国际单位制中，都是焦耳。3.动能(1)定义：物体由于运动而具有的能量。(2)表达式：Ekmv2。(3)单位：焦耳。(4)动能的“三性”相对性：选取不同的参考系，物体的速度不同，动能也不同，一般以地面为参考系。标量性：动能是标量，没有方向。状态量：动能是表征物体运动状态的物理量，与物体的运动状态(或某一时刻)的速度相对应。理解概念判断下列说法是否正确。(1)功和能的单位相同，国际单位都是焦耳，所以功和能是一回事。()(2)做匀速圆周运动的物体的动能不变。()(3)动能不变的物体一定处于平衡状态。()二、重力势能观图助学如图所示，幼儿园小朋友们正在兴高采烈地玩滑梯。小朋友在滑梯最高点时的重力势能一定为正值吗？在地面上时的重力势能一定为零吗？小朋友沿滑梯下滑时，重力势能怎么变化？小朋友从最高点滑落到地面过程中重力势能的变化与参考平面的选取有关吗？1.重力做功的特点(1)做功表达式：WGmgh，式中h指初位置与末位置的高度差。(2)做功的特点：物体运动时，重力对它做的功只跟它的起点和终点的位置有关，而跟物体运动的路径无关。2.重力势能(1)定义：由物体所处位置的高度决定的能量称为重力势能。(2)大小：Epmgh；单位：焦耳，符号：J。(3)重力势能的三性相对性：Epmgh中的h是物体重心相对参考平面的高度。参考平面选择不同，则物体的高度h不同，重力势能的大小也就不同，所以确定某点的重力势能首先选择参考平面。系统性：重力是地球与物体相互吸引产生的，所以重力势能是物体和地球组成的系统共有，平时所说的“物体”的重力势能只是一种简化说法。标矢性：重力势能是标量，只有大小，没有方向，但有正负。重力势能正负的含义：正值表示物体处于参考平面上方，负值表示处于参考平面的下方。3.重力做功与重力势能变化的关系(1)重力做功是重力势能变化的原因，且重力做了多少功，重力势能就改变多少，即WGEp1Ep2Ep。当物体从高处向低处运动时，重力做正功，重力势能减少。当物体从低处向高处运动时，重力做负功，重力势能增加。(2)重力做的功与重力势能的变化量均与参考平面的选择无关(填“有”或“无”)。(3)重力势能的变化只取决于物体重力做功的情况，与物体除重力外是否还受其他力作用以及其他力是否做功等因素均无关。理解概念判断下列说法是否正确。(1)同一物体在不同位置的重力势能分别为Ep13 J，Ep210 J，则Ep10，则表示物体的动能增加，若Ek0，则表示物体的动能减少。试题案例例1 (多选)关于对动能的理解，下列说法正确的是()A.动能是普遍存在的机械能的一种基本形式，凡是运动的物体都具有动能B.动能总是正值，但对于不同的参考系，同一物体的动能大小是不同的C.一定质量的物体，动能变化时，速度一定变化，但速度变化时，动能不一定变化D.动能不变的物体，受力一定为零解析动能是物体由于运动而具有的能量，所以运动的物体都有动能，A正确；由于Ekmv2，而v与参考系的选取有关，所以B正确；由于速度为矢量，当方向变化时，若其速度大小不变，则动能不变，故C正确；做匀速圆周运动的物体动能不变，但物体受力并不为零，D错误。答案ABC动能与速度的三种关系(1)数值关系：Ekmv2，速度v越大，动能Ek越大。(2)瞬时关系：动能和速度均为状态量，二者具有瞬时对应关系。(3)变化关系：动能是标量，速度是矢量。当动能发生变化时，物体的速度(大小)一定发生了变化，当速度发生变化时，可能仅是速度方向的变化，物体的动能可能不变。针对训练1 下列关于动能的说法正确的是()A.两个物体中，速度大的动能也大B.某物体的速度加倍，它的动能也加倍C.做匀速圆周运动的物体动能保持不变D.某物体的动能保持不变，则速度一定不变解析动能的表达式为Ekmv2，即物体的动能大小由质量和速度大小共同决定，速度大的物体的动能不一定大，故A错误；速度加倍，它的动能变为原来的4倍，故B错误；速度只要大小保持不变，动能就不变，故C正确，D错误。答案C重力做功及重力势能观察探究如图2所示，质量为m的物体自高度为h2的A处下落至高度为h1的B处。求下列两种情况下，重力做的功和重力势能的变化量，并分析它们之间的关系。图2(1)以地面为零势能参考面；(2)以B处所在的高度为零势能参考面。答案(1)重力做的功WGmghmg(h2h1)，选地面为零势能参考面，EpAmgh2，EpBmgh1，重力势能的变化量Epmgh1mgh2mgh。(2)选B处所在的高度为零势能参考面，重力做功WGmghmg(h2h1)。物体的重力势能EpAmg(h2h1)mgh，EpB0，重力势能的变化量Ep0mghmgh。综上两次分析可见WGEp，即重力做的功等于重力势能的变化量的负值，而且重力势能的变化与零势能参考面的选取无关。探究归纳1.重力做功(1)重力做功大小只与重力和物体高度变化有关，与受其他力及运动状态均无关。(2)物体下降时重力做正功，物体上升时重力做负功。(3)在一些往复运动或多个运动过程的复杂问题中求重力做功时，利用重力做功的特点，可以省去大量中间过程，一步求解。2.重力势能(1)重力做功与重力势能变化的关系WGEp1Ep2Ep(2)重力势能的相对性物体的重力势能总是相对于某一水平参考面，选不同的参考面，物体重力势能的数值是不同的。故在计算重力势能时，必须首先选取参考平面。重力势能的变化量与参考平面的选择无关。试题案例例2 (2018江门高一检测)如图3所示，桌面距地面的高度为0.8 m，一物体质量为2 kg，放在桌面上方0.4 m的支架上，g取10 m/s2，求：图3(1)以桌面为零势能参考平面，计算物体具有的重力势能，并计算物体由支架下落到地面过程中重力势能减少多少？(2)以地面为零势能参考平面，计算物体具有的重力势能，并计算物体由支架下落到地面过程中重力势能减少多少？(3)以上计算结果说明什么？解析(1)以桌面为零势能参考平面，物体距离零势能参考平面的高度h10.4 m，因而物体具有重力势能Ep1mgh12100.4 J8 J。物体落至地面时，物体重力势能Ep2210(0.8) J16 J。因此物体在此过程中重力势能减小量EpEp1Ep28 J(16) J24 J。(2)以地面为零势能参考平面，物体的高度h1(0.40.8) m1.2 m。因而物体具有的重力势能Ep1mgh12101.2 J24 J。物体落至地面时重力势能Ep20。在此过程中物体重力势能减小量EEp1Ep224 J024 J。(3)通过上面的计算可知，重力势能是相对的，它的大小与零势能参考平面的选取有关，而重力势能的变化是绝对的，它与零势能参考平面的选取无关，其变化值与重力对物体做功的多少有关。答案(1)8 J24 J(2)24 J24 J(3)见解析(1)计算物体的重力势能，必须首先选定零势能面。(2)零势能面以下的重力势能均为负值，“”、“”号代表重力势能的大小，因此，比较大小时，一定要带着“”、“”号进行比较。(3)重力势能是相对的，但重力势能的变化是绝对的。物体在两个高度不同的位置时，由于高度差一定，重力势能之差也是一定的，即物体的重力势能的变化与参考平面的选取无关。针对训练2 下列关于重力势能的说法正确的是()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5 J变化到3 J，重力势能增加了D.在地面上的物体具有的重力势能一定等于零解析物体的重力势能与参考平面有关，同一物体在同一位置相对不同的参考平面的重力势能不同，选项A错误；物体在零势能面以上，距零势能面的距离越大，重力势能越大，物体在零势能面以下，距零势能面的距离越大，重力势能越小，选项B错误；重力势能中的正、负号表示大小，5 J的重力势能小于3 J的重力势能，选项C正确；只有选地面为零势能面时，地面上的物体的重力势能才为零，否则不为零，选项D错误。答案C弹性势能观察探究如图4所示，某人正在用拉力器锻炼臂力。图4(1)人不用力时，弹簧不伸长，此时弹簧有弹性势能吗？(2)人拉弹簧时对弹簧做什么功？弹簧的弹性势能怎么变化？(3)在弹簧弹性限度内，人将弹簧拉得越长，克服弹力做功越多吗？弹性势能越大吗？(4)拉力器有2条弹簧和有4条弹簧，拉伸相同长度，用力一样吗？克服弹力做功相同吗？答案(1)弹簧不伸长，没有弹性势能。(2)人对弹簧做正功，弹性势能增加。(3)将弹簧拉得越长，克服弹力做功越多，弹性势能越大。(4)用力不一样，克服弹力做功也不相同。探究归纳1.弹力做功与弹性势能变化的关系(1)关系：弹力做正功时，弹性势能减少，弹力做负功时，弹性势能增加，并且弹力做多少功，弹性势能就变化多少。(2)表达式：W弹EpEp1Ep2。2.注意：弹力做功和重力做功一样，也和路径无关，弹性势能的变化只与弹力做功有关。试题案例例3 如图5所示，处于自然长度的轻质弹簧一端与墙接触，另一端与置于光滑地面上的物体接触，现在物体上施加一水平推力F，使物体缓慢压缩弹簧，当推力F做功100 J时，弹簧的弹力做功_ J，以弹簧处于自然长度时的弹性势能为零，则弹簧的弹性势能为_ J。解析在物体缓慢压缩弹簧的过程中，推力F始终与弹簧弹力等大反向，所以推力F做的功等于克服弹簧弹力所做的功，即W弹WF100 J。由弹力做功与弹性势能的变化关系知，弹性势能增加了100 J。答案100100针对训练3 (多选)如图6所示，一个物体以速度v0冲向与竖直墙壁相连的轻质弹簧，墙壁和物体间的弹簧被物体压缩，在此过程中，以下说法正确的是()图6A.物体对弹簧做的功与弹簧的压缩量成正比B.物体向墙壁运动相同的位移，弹力做的功不相等C.弹簧的弹力做正功，弹性势能增加D.弹簧的弹力做负功，弹性势能增加解析由功的计算公式WFscos 知，恒力做功时，做功的多少与物体的位移成正比，而弹簧对物体的弹力是一个变力，所以选项A错误；弹簧开始被压缩时弹力小，弹力做的功也少，弹簧的压缩量变大时，物体移动相同的距离做的功多，故选项B正确；物体压缩弹簧的过程，弹簧的弹力与弹力作用点的位移方向相反，所以弹力做负功，弹性势能增加，故选项C错误，D正确。答案BD对重力势能“四性”的理解1.重力势能具有系统性：重力势能是物体和地球所组成的系统共有的，而不是地球上物体独有的，通常所说的物体的重力势能是一种简略的习惯说法。2.重力势能具有相对性：重力势能的数学表达式Epmgh是与参考平面的选择有关的，式中的h是物体重心到参考平面的高度。重力势能是标量，只有大小而无方向，但有正负，当物体在参考平面上方时，重力势能Ep为正值；当物体在参考平面下方时，重力势能Ep为负值。物体重力势能正负的物理意义是表示比零势能大，还是比零势能小，这与功的正负的物理意义是不同的。3.参考平面选择的任意性：根据处理问题的方便而定，一般可选择地面或物体运动时所到达的最低点为零势能参考平面。4.重力势能变化的绝对性：物体从一个位置运动到另一个位置的过程中，重力势能的变化与参考平面的选取无关，它的变化是绝对的。【针对练习】(多选)下列关于重力势能的说法中正确的是()A.重力势能是物体和地球共同具有的，而不是物体单独具有的B.在同一高度，将同一物体以初速度v0向不同方向抛出，落地时物体减少的重力势能一定相等C.重力势能等于零的物体，不可能对别的物体做功D.在地面上的物体，它的重力势能一定为零解析重力势能是物体与地球共有的，具有系统性，故A正确；重力势能的变化，仅与物体位置的变化有关，而与路径无关，故B正确；重力势能为零的物体，也可能对别的物体做功，故C错误；物体的重力势能是相对于零势能参考平面而言的，如果不选地面为零势能面，地面上的物体的重力势能就不是零，故D错误。答案AB1.(对动能的理解)下面有关动能的说法正确的是()A.物体只有做匀速运动时，动能才不变B.物体做平抛运动时，水平方向速度不变，物体的动能也不变C.物体做自由落体运动时，重力做功，物体的动能增加D.物体的动能变化时，速度不一定变化，速度变化时，动能一定变化解析物体只要速率不变，动能就不变，A错误；做平抛运动的物体动能逐渐增大，B错误；物体做自由落体运动时，速度增大，物体的动能增加，故C正确；物体的动能变化时，速度一定变化，速度变化时，动能不一定变化，故D错误。答案C2.(对重力做功的理解)如图7所示，某物块分别沿三条不同的轨道由离地面高h的A点滑到同一水平面上，轨道1、2是光滑的，轨道3是粗糙的，则()图7A.沿轨道1滑下重力做的功多B.沿轨道2滑下重力做的功多C.沿轨道3滑下重力做的功多D.沿三条轨道滑下重力做的功一样多解析重力做功只与初、末位置的高度差有关，与路径无关，选项D正确。答案D3.(弹力做功与弹性势能变化的关系)如图8所示，在光滑水平面上有一物体，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()图8A.弹簧对物体做正功，弹簧的弹性势能逐渐减少B.弹簧对物体做负功，弹簧的弹性势能逐渐增加C.弹簧先对物体做正功，后对物体做负功，弹簧的弹性势能先减少再增加D.弹簧先对物体做负功，后对物体做正功，弹簧的弹性势能先增加再减少解析弹簧由压缩到原长再到伸长，刚开始时弹力方向与物体运动方向同向做正功，弹性势能减少。越过原长位置后弹力方向与物体运动方向相反，弹力做负功，故弹性势能增加，所以只有C正确，A、B、D错误。答案C4.(重力做功与重力势能的计算)在离地面80 m处无初速度释放一小球，小球质量为m200 g，不计空气阻力，g取10 m/s2，取最高点所在水平面为参考平面，求：(1)在第2 s末小球的重力势能；(2)在第3 s内重力所做的功和重力势能的变化量。解析(1)在第2 s末小球所在的高度hgt21022 m20 m，重力势能Epmgh0.210(20) J40 J，Ep0说明小球在参考平面的下方。(2)在第3 s末小球所处的高度hgt21032 m45 m，第3 s内重力做功Wmg(hh)0.210(2045) J50 J，即小球的重力势能减少50 J。答案(1)40 J(2)50 J减少50 J合格性检测1.关于功和能，下列说法正确的是()A.功就是能，功可以转化为能B.做功越多，物体的能越多C.能量转化中，做的功越多，能量转化越多D.功是物体能量的量度解析功是能量转化的量度，但二者有本质的区别，也不能相互转化，故A错误；能是状态量，功是过程量，一个物体具有的能量多，做功并不一定多，故B、D错误；由功能关系可知C正确。答案C2.(多选)质量一定的物体()A.速度发生变化时其动能一定变化B.速度发生变化时其动能不一定变化C.速度不变时其动能一定不变D.动能不变时其速度一定不变解析速度是矢量，速度变化时可能只有方向变化，而大小不变，动能是标量，所以速度只有方向变化时，动能可以不变；动能不变时，只能说明速度大小不变，但速度方向不一定不变，故只有B、C正确。答案BC3.(多选)一质量为0.1 kg的小球，以5 m/s的速度在光滑水平面上匀速运动，与竖直墙壁碰撞后以原速率反弹，若以弹回的速度方向为正方向，则小球碰撞过程中的速度变化和动能变化分别是()A.v10 m/s B.v0C.Ek1 J D.Ek0解析速度是矢量，故vv2v15 m/s(5 m/s)10 m/s。而动能是标量，初、末状态的速度大小相等，故动能相等，因此Ek0，A、D正确。答案AD4.如图1所示，质量为m的小球从高为h处的斜面上的A点滚下经过水平面BC后，再滚上另一斜面，当它到达的D点时，速度为零，在这个过程中，重力做功为()图1A. B. C.mgh D.0解析根据重力做功的公式，Wmg(h1h2)，故选项B正确。答案B5.(多选)物体在某一运动过程中，重力对它做了40 J的负功，下列说法中正确的是()A.物体的高度一定升高了B.物体的重力势能一定减少了40 JC.物体重力势能的改变量不一定等于40 JD.物体克服重力做了40 J的功解析重力做负功，物体位移的方向与重力方向之间的夹角一定大于90，所以物体的高度一定升高了，A正确；由于WGEp，故EpWG40 J，所以物体的重力势能增加了40 J，B、C错误；重力做负功又可以说成是物体克服重力做功，D正确。答案AD6.(2018湛江高一检测)如图2所示，一颗人造地球卫星绕地球沿椭圆轨道运动，则()图2A.卫星在A点的重力势能比在B点的重力势能大B.卫星在B点的重力势能比在A点的重力势能大C.卫星在A、B两点的重力势能相等D.条件不足，无法比较解析设A、B两点距离地球的距离分别为hA和hB。如图所示，在AB连线上取A点，使A与A同处于以地心为圆心的同一圆弧上，则A与A处物体重力势能大小相等。另外，卫星由B至A时，万有引力做正功，重