高一物理机械能守恒定律和功能关系

高一物理机械能守恒定律和功能关系第一页，共四十四页，2022年，8月28日一、势能相互作用物体的相对位置有关的能量叫做势能，势能包括

势能和

势能．1．重力势能(1)概念：物体由于

而具有的能．(2)大小：Ep＝

.(3)相对性：重力势能的大小和正负与

的选取有关，在期之上的为

值，在期之下的为

值．重力弹性mgh参考平面正负被举高2023/4/1第二页，共四十四页，2022年，8月28日(4)系统性：重力势能是

与

所组成的这个“

”所共有的．(5)重力做功的特点：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．(6)重力做功与重力势能变化的关系重力对物体做的功

物体重力势能的减少量，即

WG＝－(Ep2－Ep1)＝

.地球物体系统等于Ep1－Ep22023/4/1第三页，共四十四页，2022年，8月28日2．弹性势能(1)概念：物体由于发生

而具有的能．(2)大小：弹簧的弹性势能的大小与弹簧的

及

有关．(3)弹力做功与弹性势能变化的关系：弹力做

，弹性势能减小，弹力做负功，弹性势能

．弹性形变形变量劲度系数正功增加2023/4/1第四页，共四十四页，2022年，8月28日二、机械能及其守恒定律1．机械能：动能和势能统称为机械能，即E＝Ek＋Ep.2．机械能守恒定律(1)内容：在只有

或

做功的物体系统内，动能与势能发生相互转化，而总的机械能

．(2)表达式：Ep1＋Ek1＝

.(3)机械能守恒的条件：

．重力弹力保持不变Ep2＋Ek2只有重力或弹力做功2023/4/1第五页，共四十四页，2022年，8月28日1．重力势能的正负及大小与零势能面的选取有关，弹性势能一般选弹簧原长时为弹性势能零位置．2．应用机械能守恒定律时要注意判断机械能是否守恒和选取零势能面．2023/4/1第六页，共四十四页，2022年，8月28日1．只受重力作用，例如在不考虑空气阻力的情况下的各种抛体运动，物体的机械能守恒．2．受其他力，但其他力不做功，只有重力或弹力做功．例如物体沿光滑的曲面下滑，受重力、曲面的支持力的作用，但曲面的支持力不做功，物体的机械能守恒．3．弹力做功伴随着弹性势能的变化，并且弹力做的功等于弹性势能的减少量．2023/4/1第七页，共四十四页，2022年，8月28日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，否则机械能一定不守恒．2．机械能守恒的条件绝不是合力的功等于零，更不是合力等于零，而是看是否只有重力或弹簧弹力做功．2023/4/1第八页，共四十四页，2022年，8月28日1．(2008·海南高考)如图5－3－1所示，一轻绳的一端系在固定粗糙斜面上的O点，另一端系一小球．给小球一足够大的初速度，使小球在斜面上做圆周运动，在此过程中(

)A．小球的机械能守恒B．重力对小球不做功C．绳的张力对小球不做功D．在任何一段时间内，小球克服摩擦力所做的功总是等于小球动能的减少2023/4/1第九页，共四十四页，2022年，8月28日解析：斜面粗糙，小球受到摩擦力作用，摩擦力对小球做负功，机械能有损失，则A错误；重力对小球做功，B错误；绳的张力始终与小球运动方向垂直，不做功，C正确；小球动能的减少应等于克服摩擦力和重力所做的功的总和，所以D错误．答案：C2023/4/1第十页，共四十四页，2022年，8月28日1．三种守恒表达式的比较表达角度表达公式表达意义注意事项守恒观点Ek＋Ep＝Ek′＋Ep′系统的初状态机械能的总和与末状态机械能的总和相等应用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2023/4/1第十一页，共四十四页，2022年，8月28日表达角度表达公式表达意义注意事项转化观点ΔEk＝－ΔEp表示系统(或物体)机械能守恒时，系统减少(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、末状态的势能差转移观点ΔE增＝ΔE减若系统由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常用于解决两个或多个物体组成的物体系的机械能守恒问题2023/4/1第十二页，共四十四页，2022年，8月28日2．应用机械能守恒定律解题的基本步骤(1)分析题意，明确研究对象；(2)分析研究对象在运动过程中的受力情况，弄清物体所受各力做功的情况，判断机械能是否守恒；(3)选取零势能面，确定研究对象在始末状态时的机械能；(4)根据机械能守恒定律列出方程进行求解，并对结果进行必要的讨论和说明．2023/4/1第十三页，共四十四页，2022年，8月28日机械能守恒定律是一种“能—能转化”关系，其守恒是有条件的，因此，应用时要注意对研究对象在所研究的过程中机械能是否守恒做出判断．动能定理反映的是“功—能转化”关系，应用时要注意两个规律中功和能的不同含义和表达式．2023/4/1第十四页，共四十四页，2022年，8月28日2．如图5－3－2所示，一根全长为l、粗细均匀的铁链，对称地挂在光滑的轻小滑轮上，当受到轻微的扰动时，铁链开始滑动，求铁链脱离滑轮瞬间速度的大小．2023/4/1第十五页，共四十四页，2022年，8月28日解析：法一：根据重力势能的减少等于动能的增量列方程：mgmv2，求得v＝.法二：根据机械能守恒，选滑轮顶端为零势能面，列方程－mgl＝－mgl＋mv2，求得v＝.答案：2023/4/1第十六页，共四十四页，2022年，8月28日

(2010·江苏苏、锡、常、镇四市联考)如图5－3－3所示，质量均为m的A、B两个小球，用长为2L的轻质杆相连接，在竖直平面内绕固定轴O沿顺时针方向自由转动(转轴在杆的中点)，不计一切摩擦，某时刻A、B球恰好在如图所示的位置，A、B球的线速度大小均为v，下列说法正确的是 (

)2023/4/1第十七页，共四十四页，2022年，8月28日A．运动过程中B球机械能守恒B．运动过程中B球速度大小不变C．B球在运动到最高点之前，单位时间内机械能的变化量保持不变D．B球在运动到最高点之前，单位时间内机械能的变化量不断变化2023/4/1第十八页，共四十四页，2022年，8月28日[思路点拨]

轻杆对小球的弹力不一定沿杆，因此，在小球转动过程中，杆的弹力对小球做功，将引起小球机械能的变化．2023/4/1第十九页，共四十四页，2022年，8月28日[课堂笔记]

以A、B球组成的系统为研究对象，两球在运动过程中，只有重力做功(轻杆对两球做功的和为零)，两球的机械能守恒．以过O点的水平面为重力势能的参考平面时，系统的总机械能为E＝2×mv2＝mv2.假设A球下降h，则B球上升h，此时两球的速度大小是v′，由机械能守恒定律知mv2＝mv′2×2＋mgh－mgh，得到v′＝v，故运动过程中B球速度大小不变．当单独分析B球时，B球在运动到最高点之前，动能保持不变，重力势能在不断增加．由几何知识可得单位时间内B球上升的高度不同，因此机械能的变化量是不断改变的．B、D正确．[答案]

BD2023/4/1第二十页，共四十四页，2022年，8月28日对A、B球组成的系统，两球在运动过程中，虽有轻杆对两球的弹力做功，但并不引起系统机械能的变化；对于单独的一个球来讲，弹力对小球做功将引起小球机械能的改变.2023/4/1第二十一页，共四十四页，2022年，8月28日

(2010·福建模拟)如图5－3－4所示，倾角为θ的光滑斜面上放有两个质量均为m的小球A和B，两球之间用一根长为L的轻杆相连，下面的小球B离斜面底端的高度为h.两球从静止开始下滑，不计机械能损失，求：2023/4/1第二十二页，共四十四页，2022年，8月28日(1)两球都进入光滑水平面时两小球运动的速度大小；(2)此过程中杆对B球所做的功．[思路点拨]解答本题时应注意以下三点：(1)A和B组成的系统在下滑过程中机械能守恒；(2)在水平面上运动时A、B的速度相等；(3)杆对B球的力为变力，变力的功可应用动能定理求解．2023/4/1第二十三页，共四十四页，2022年，8月28日[课堂笔记]

(1)由于不计机械能损失，因此两球组成的系统机械能守恒．两球在光滑水平面上运动时的速度大小相等，设为v，根据机械能守恒定律有2mg(h＋sinθ)＝2×mv2解得v＝.(2)对B球下滑过程应用动能定理得：mgh＋W杆＝mv2－0解得：W杆＝mgLsinθ.[答案]

(1)

(2)mgLsinθ2023/4/1第二十四页，共四十四页，2022年，8月28日因两球质量相等，它们组成的系统的重心在杆的中心．本题解答中表示重力势能的减少量时用的是总重力与系统重心高度变化量的乘积；如果两球的质量不等，重心位置难以确定，这时可以分别表示两球重力势能的减少量，如：ΔEp＝mBgh＋mAg(h＋Lsinθ).2023/4/1第二十五页，共四十四页，2022年，8月28日

(12分)(2010·菏泽模拟)如图5－3－5所示，斜面轨道AB与水平面之间的夹角θ＝53°，BD为半径R＝4m的圆弧形轨道，且B点与D点在同一水平面上，在B点，斜面轨道AB与圆弧形轨道BD相切，整个轨道处于竖直平面内且处处光滑，2023/4/1第二十六页，共四十四页，2022年，8月28日在A点处有一质量m＝1kg的小球由静止滑下，经过B、C两点后从D点斜抛出去，最后落在地面上的S点时的速度大小vS＝8m/s，已知A点距地面的高度H＝10m，B点距地面的高度h＝5m，设以MDN为分界线，其左边为一阻力场区域，右边为真空区域，g取10m/s2，cos53°＝0.6，求：2023/4/1第二十七页，共四十四页，2022年，8月28日(1)小球经过B点时的速度为多大？(2)小球经过圆弧轨道最低处C点时对轨道的压力多大？(3)小球从D点抛出后，受到的阻力Ff与其瞬时速度方向始终相反，求小球从D点至S点的过程中阻力Ff所做的功．[思路点拨]小球在光滑轨道ABCD运动时，只有重力做功，机械能守恒，但小球进入MN左侧阻力场区域后，因阻力做负功，小球的机械能不守恒．2023/4/1第二十八页，共四十四页，2022年，8月28日[解题样板](1)设小球经过B点时的速度大小为vB，由机械能守恒得：mg(H－h)＝mvB2┄┄┄┄┄┄┄(2分)解得vB＝10m/s.┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(1分)(2)设小球经过C点时的速度为vC，对轨道的压力为N，则轨道对小球的支持力FN′＝FN，根据牛顿第二定律可得FN′－mg＝m┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(2分)由机械能守恒得：mgR(1－cos53°)＋mvB2＝mvC2(2分)由以上两式及FN′＝FN解得FN＝43N．┄┄┄┄┄┄(1分)2023/4/1第二十九页，共四十四页，2022年，8月28日(3)设小球受到的阻力为Ff，到达S点的速度为vS，在此过程中阻力所做的功为W，易知vD＝vB，由动能定理可得mgh＋W＝mvS2－mvD2┄┄┄┄┄┄┄┄(2分)解得W＝－68J．┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(1分)[答案]

(1)10m/s

(2)43N

(3)－68J2023/4/1第三十页，共四十四页，2022年，8月28日机械能守恒定律与平抛运动、圆周运动等知识相结合的多过程、多情景试题近几年高考中常有出现，这类题能够突出考查学生的分析复杂问题的能力、应用所学知识解决实际问题的能力以及创新应用能力．复习中要加强常用模型的训练，熟练掌握将复杂的多过程问题分解成常见问题解决的方法．2023/4/1第三十一页，共四十四页，2022年，8月28日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，物体机械能一定守恒2023/4/1第三十二页，共四十四页，2022年，8月28日解析：A中做匀速直线运动的物体，除了重力做功外，还可能有其他力做功，所以机械能不一定守恒，不正确．B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)，物体机械能守恒，正确．C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，如降落伞匀速下降，机械能减少，不正确．D中符合机械能守恒的条件，正确．答案：BD2023/4/1第三十三页，共四十四页，2022年，8月28日2．如图5－3－6所示，桌面高为h，质量为

m的小球从离桌面高H处自由落下，不计空气阻力，假设地面处的重力势能为零，则小球落到地面前瞬间的机械能为

()A．mgh B．mgHC．mg(H＋h) D．mg(H－h)2023/4/1第三十四页，共四十四页，2022年，8月28日解析：整个过程的机械能守恒，在最高点的机械能是mg(H＋h)，与小球落地前瞬间的机械能相等，故选C.答案：C2023/4/1第三十五页，共四十四页，2022年，8月28日3．如图5－3－7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．斜面对物体的作用力垂直于接触面，不对物体做功D．物体和斜面体组成的系统机械能守恒图5－3－72023/4/1第三十六页，共四十四页，2022年，8月28日解析：物体下滑过程中，由于物体与斜面体相互间有垂直于斜面的作用力，使斜面体加速运动，斜面体的动能增加；物体沿斜面下滑时，既沿斜面向下运动，又随斜面体向右运动，其合速度方向与弹力方向不垂直，且夹角大于90°，所以物体克服相互作用力做功，物体的机械能减少，但动能增加，重力势能减少，故A项正确，B、C项错误．对物体与斜面体组成的系统，只有动能和重力势能之间的转化，故系统机械能守恒，D项正确．答案：AD2023/4/1第三十七页，共四十四页，2022年，8月28日4．(2010·大连模拟)如图5－3－8所示，在高1.5m的光滑平台上有一个质量为2kg的小球被一细线拴在墙上，球与墙之间有一根被压缩的轻质弹簧．当烧断细线时，小球被弹出，小球落地时的速度方向与水平方向成60°角，则弹簧被压缩时具有的弹性势能为(g＝10m/s2) (

)2023/4/1第三十八页，共四十四页，2022年，8月28日A．10J B．15JC．20J D．25J图5－3－82023/4/1第三十九页，共四十四页，2022年，8月28日解析：由h＝gt2和vy＝gt得：vy＝

m/s，落地时，由tan60°＝可得：v0

＝m/s，由机械能守恒得：Ep＝mv02，解得：Ep＝10J，故A正确．答案：A