专题07 功能关系与机械能守恒（原卷版）

专题07功能关系与机械能守恒目录TOC\o"1-3"\h\u【题型一】机械能守恒定律的应用 1【题型二】功能关系的综合应用 9【题型三】动力学观点和能量观点的综合应用 17【题型一】机械能守恒定律的应用【解题指导】1.单物体多过程机械能守恒问题：划分物体运动阶段，研究每个阶段中的运动性质，判断机械能是否守恒；2.多物体的机械能守恒：一般选用ΔEp＝－ΔEk形式，不用选择零势能面．【典例分析1】（2023·全国·统考高考真题）一同学将铅球水平推出，不计空气阻力和转动的影响，铅球在平抛运动过程中（

）机械能一直增加 加速度保持不变 速度大小保持不变 D．被推出后瞬间动能最大【典例分析2】（2022·全国·统考高考真题）固定于竖直平面内的光滑大圆环上套有一个小环，小环从大圆环顶端P点由静止开始自由下滑，在下滑过程中，小环的速率正比于（）A．它滑过的弧长B．它下降的高度C．它到P点的距离D．它与P点的连线扫过的面积【典例分析3】（2023上·山东济宁·高三嘉祥县第一中学校考期中）有一竖直放置的“T”形架，表面光滑，滑块A、B分别套在水平杆与竖直杆上，A、B用一根不可伸长的轻细绳相连，A、B质量相等，且可看做质点，如图所示，开始时细绳水平伸直，A、B静止。由静止释放B后，已知当细绳与竖直方向的夹角为60°时，滑块B沿着竖直杆下滑的速度为v，则连接A、B的绳长为（）A． B．C． D．【典例分析4】．（2023上·河北张家口·高三河北省尚义县第一中学校联考阶段练习）有一条均匀金属链条，一半长度在光滑的足够高斜面上，斜面顶端是一个很小的圆弧，斜面倾角为，另一半长度竖直下垂，由静止释放后链条滑动，已知重力加速度，链条刚好全部滑出斜面时的速度大小为，则金属链条的长度为（

）A．0.6m B．1m C．2m D．2.6m【方法提炼】1.机械能守恒的判断(1)利用机械能的定义判断：若系统的动能、重力势能和弹性势能的总和不变，则机械能守恒。(2)利用做功判断：若系统只有重力或弹簧弹力做功，或其他力做功的代数和为零，则机械能守恒。(3)利用能量转化判断：若系统只有动能和势能的相互转化，或还有其他形式能之间的相互转化，而无机械能与其他形式能之间的相互转化，则机械能守恒。(4)绳子突然绷紧、物体间非弹性碰撞等，机械能不守恒。2．应用机械能守恒定律解题时的三点注意(1)要注意研究对象的选取研究对象的选取是解题的首要环节，有的问题选单个物体(实为一个物体与地球组成的系统)为研究对象机械能不守恒，但选此物体与其他几个物体组成的系统为研究对象，机械能却是守恒的。如图所示，单独选物体A机械能减少，但由物体A、B二者组成的系统机械能守恒。(2)要注意研究过程的选取有些问题研究对象的运动过程分几个阶段，有的阶段机械能守恒，而有的阶段机械能不守恒。因此，在应用机械能守恒定律解题时要注意过程的选取。(3)要注意机械能守恒表达式的选取【变式演练】1（2021·全国·高考真题）如图，光滑水平地面上有一小车，一轻弹簧的一端与车厢的挡板相连，另一端与滑块相连，滑块与车厢的水平底板间有摩擦。用力向右推动车厢使弹簧压缩，撤去推力时滑块在车厢底板上有相对滑动。在地面参考系（可视为惯性系）中，从撤去推力开始，小车、弹簧和滑块组成的系统（）A．动量守恒，机械能守恒B．动量守恒，机械能不守恒C．动量不守恒，机械能守恒D．动量不守恒，机械能不守恒2.（2023上·广西柳州·高三柳州高级中学校考阶段练习）如图所示，质量均为3.0kg的物体A、B用一轻质弹簧连接静止置于水平地面上，弹簧的劲度系数为k=600N/m，不可伸长的轻绳连着物体B和C，C套在光滑的竖直固定杆上，滑轮与杆之间的水平距离为0.4m，轻绳左端沿竖直方向。现用手托住C使其静止于M点，轻绳刚好水平伸直但无弹力作用；从静止释放物体C，当C运动到N点时，物体A恰好离开地面但不继续上升。物体都视为质点，g取10m/s2，不计一切摩擦，B与滑轮之间的轻绳足够长，弹簧始终在弹性限度内。则下列说法正确的是（）A．物体C的质量为1.0kgB．在物体C从M点运动到N点过程中，物体C的机械能先增大后减少C．在物体C从M点运动到N点过程中，物体B的动能先增大后减少D．物体C在M点时弹簧的弹性势能等于物体C在N点时弹簧的弹性势能3．（2023上·河北张家口·高三河北省尚义县第一中学校联考阶段练习）如图，两个质量均为m的小球M、N通过轻质细杆连接，M套在固定的竖直杆上，N放在水平地面上。一轻质弹簧水平放置，左端固定在杆上，右端与N相连。弹簧始终在弹性限度内，不计一切摩擦，重力加速度大小为g。当弹簧处于原长状态时，M到地面的距离为h，将M由此处静止释放，在小球M向下运动至与地面接触的过程中，下列说法正确的是（

）A．小球M释放的瞬间，地面对小球N的支持力大于2mgB．小球N的速度先增大后减小C．当小球N的速度最大时，小球M的加速度大小等于gD．若小球M落地时的速度大小为v，此时弹簧的弹性势能为4．（2023上·安徽·高三校联考期中）如图所示，质量为m的圆环套在足够长光滑竖直杆上，质量为的木块放在倾角为的足够长光滑固定斜面上，圆环与木块用足够长的轻质细线通过光滑定滑轮连接，图中滑轮与木块间的细线与斜面平行，滑轮上端与a位置等高且水平距离为L，现让圆环从a位置由静止释放运动到b位置。已知a、b两位置的高度差也为L，不计空气阻力，重力加速度g。下列判断正确的是（）

A．圆环下降的过程中，圆环减少的重力势能等于木块增加的机械能B．当圆环到达b位置时，其速度大小为C．当圆环到达b位置时，圆环与木块瞬时速度比为D．圆环能下降的最大距离为【题型二】功能关系的综合应用【解题指导】1.做功的过程就是能量转化的过程．功是能量转化的量度．2.功与能量的变化是“一一对应”的，如重力做功对应重力势能的变化，合外力做功对应动能的变化等．【典例分析1】（2024·全国·高三专题练习）如图所示，在水平向右的匀强电场中有一个绝缘斜面，斜面上有一带电金属块沿斜面滑下，已知在金属块滑下的过程中动能增加了12J，金属块克服摩擦力做功8J，重力做功24J.下列说法中正确的是（）A．金属块带负电荷B．金属块克服电场力做功8JC．金属块的电势能减少4JD．金属块的机械能减少12J【典例分析2】（2023上·安徽合肥·高三校考阶段练习）如图甲所示，倾角为30°的斜面固定在水平地面上，一木块在斜面上距斜面底端处开始下滑，取斜面底端为重力势能的零势点，已知下滑过程中木块的机械能和动能随位移变化的关系图线如图乙所示，下列说法正确的是（）

A．木块下滑过程中，重力势能减少了 B．木块受到的摩擦力大小为C．木块与斜面间的动摩擦因数为 D．当木块下滑时，其动能和重力势能相等【典例分析3】（2023上·河北张家口·高三河北省尚义县第一中学校联考阶段练习）一潜水运动员在深水中将一小铁球竖直上抛，经过一段时间后小球又返回至出发点。已知小球在运动过程中受到水的阻力大小不变，关于小球从抛出到返回出发点的过程，下列说法正确的是（

）A．小球上升过程中的加速度小于下降过程中的加速度B．小球上升过程中克服重力做的功大于下降过程中重力做的功C．小球上升过程中机械能的变化小于下降过程中机械能的变化D．小球上升过程中所受重力做功的平均功率小于下降过程中重力做功的平均功率【典例分析4】（2023上·江西南昌·高三江西师大附中校考期中）如图所示，在匀速转动的电动机带动下，足够长的水平传送带以恒定速率v1匀速向右运动，一质量为m的滑块从传送带右端以水平向左的速率v2(v2>v1）滑上传送带，最后滑块返回传送带的右端。关于这一过程的下列判断，正确的有（）A．此过程中滑块对传送带做功为B．此过程中传送带对滑块做功为C．此过程中电动机对传送带多做的功为D．此过程中电动机对传送带多做的功为【方法提炼】1.力学中几种功能关系(1)合外力做功与动能的关系：W合＝ΔEk.(2)重力做功与重力势能的关系：WG＝－ΔEp.(3)弹力做功与弹性势能的关系：W弹＝－ΔEp.(4)除重力及系统内弹力以外其他力做功与机械能的关系：W其他＝ΔE机．(5)滑动摩擦力做功与内能的关系：Ffl相对＝ΔE内．2.涉及做功与能量转化问题的解题方法(1)分清是什么力做功，并且分析该力做正功还是做负功；根据功能之间的对应关系，确定能量之间的转化情况．(2)当涉及滑动摩擦力做功时，机械能不守恒，一般应用能量守恒定律，特别注意摩擦产生的内能Q＝Ffl相对，l相对为相对滑动的两物体间相对滑动路径的总长度．(3)解题时，首先确定初、末状态，然后分清有多少种形式的能在转化，再分析状态变化过程中哪种形式的能量减少，哪种形式的能量增加，求出减少的能量总和ΔE减和增加的能量总和ΔE增，最后由ΔE减＝ΔE增列式求解．【变式演练】1.（2023上·海南省直辖县级单位·高三校考阶段练习）如图所示，一滑板爱好者沿着倾角为30°的斜坡从静止开始自由下滑，下滑过程中的加速度大小恒为，已知滑板爱好者连同滑板的总质量为m，重力加速度为g。在滑板爱好者（含滑板）沿斜坡下滑距离为L的过程中，下列说法正确的是（

）

A．滑板爱好者下滑过程中机械能守恒 B．滑板爱好者减少的重力势能为C．滑板爱好者增加的动能为 D．滑板爱好者减少的机械能为2．（2023·四川攀枝花·统考一模）如图，质量m=2kg的小物块以水平初速度从左端滑上长L=3m的水平传送带，小物块始终受到一个方向水平向右、大小F=4N的恒力作用，传送带在电动机的带动下沿顺时针方向运行、速度大小恒为。已知物块与传送带间的动摩擦因数，重力加速度g取，关于小物块在传送带上运动的过程，下列说法中正确的是（

）A．小物块一直做匀速直线运动B．恒力F对小物块做的功为6JC．小物块与皮带间因摩擦而产生的热量为6JD．因小物块在传送带上运动电动机多消耗的电能为6J3.（2023上·福建福州·高二福建省福州第一中学校考期中）如图所示，倾角为θ=30°绝缘斜面长L=2m，顶端有一质量为m=1kg、带正电且电荷量q=1.0×10-6C的滑块，整个空间有电场强度的水平向左匀强电场，静止释放滑块后，滑块到达斜面底端的动能为11J，重力加速度g取10m/s2，则滑块在沿斜面下滑的过程中（）A．滑块机械能增加了2J，电势能减少了3JB．滑块机械能减少了1J，电势能减少了3JC．滑块机械能和电势能之和减少2J，重力势能减少了10JD．滑块重力势能和电势能之和减少11J，重力势能减少了10J【题型三】动力学观点和能量观点的综合应用【解题指导】1．做好两个分析(1)综合受力分析、运动过程分析，由牛顿运动定律做好动力学分析．(2)分析各力做功情况，做好能量的转化与守恒的分析，由此把握运动各阶段的运动性质，各连接点、临界点的力学特征、运动特征和能量特征．2．做好四个选择(1)当物体受到恒力作用发生运动状态的改变而且又涉及时间时，一般选择用动力学方法解题；(2)当涉及功、能和位移时，一般选用动能定理、机械能守恒定律、功能关系或能量守恒定律解题，题目中出现相对位移时，应优先选择能量守恒定律；(3)当涉及细节并要求分析力时，一般选择牛顿运动定律，对某一时刻进行分析时选择牛顿第二定律求解；(4)复杂问题的分析一般需选择能量的观点、运动与力的观点综合解题．【典例分析1】（2023上·湖北·高三校联考期中）如图所示，与水平面平滑连接的固定斜面的顶端到正下方水平面O点的高度为h，质量为m的小木块从斜面的顶端无初速度滑下，并运动到水平面上的A点停下。已知小木块与斜面、水平面间的动摩擦因数均为μ，，下列说法正确的是（）A．斜面倾角θ越大，x越大B．斜面倾角θ越小，x越大C．若小木块从斜面顶端以初动能滑下，最后在水平面上的B点停下，则D．若小木块从斜面顶端以初动能滑下，并在A点固定一个挡板，小木块在A点与挡板发生弹性碰撞，则折返后恰能回到斜面顶端【典例分析2】（2023上·重庆九龙坡·高三重庆市杨家坪中学校考阶段练习）如图所示，轻质弹簧一端固定，另一端与质量为m、套在粗糙竖直固定杆A处的圆环相连，弹簧水平且处于原长。圆环从A处由静止开始下滑，经过B处的速度最大，到达C处的速度为零，AC=h。圆环在C处获得一竖直向上的速度v，恰好能回到A；弹簧始终在弹性限度之内，重力加速度为g，则圆环（）A．下滑过程中，加速度一直减小B．下滑过程中，因摩擦力产生的热量小于C．下滑经过B的速度小于上滑经过B的速度D．在C处，弹簧的弹性势能为-mgh【典例分析3】（2023上·山东淄博·高三统考期中）如图所示，高为的光滑水平桌面上有一轻质弹簧，其一端固定在墙上，用质量为的小球压缩弹簧的另一端，使弹簧具有弹性势能。小球释放后，在弹簧作用下从静止开始在桌面上运动，与弹簧分离后，从桌面水平飞出。距离桌面右端水平距离为处，有竖直放置的探测屏，下端固定在水平地面上，高为。现把弹簧压缩到不同长度，使小球飞出。不计空气阻力，小球可视为质点，小球落地后立即停止运动，重力加速度为。求：（1）为让小球能打在探测屏上，开始释放小球时弹簧的弹性势能需满足的条件；（2）小球打在探测屏上的最小动能及此时小球打在探测屏上的位置距离地面的高度。【方法提炼】1.应用能量守恒定律解题的注意事项(1)应用能量守恒定律的两条基本思路①某种形式的能减少，一定存在其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等，即ΔE减＝ΔE增。②某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等，即ΔEA减＝ΔEB增。(2)当涉及摩擦力做功时，机械能不守恒，一般应用能量的转化和守恒定律，特别注意摩擦产生的热量Q＝Ffx相对，x相对为相对滑动的两物体间相对滑动路径的总长度。2.利用能量观点解决力学问题的思路(1)明确研究对象和研究过程。(2)进行运动分析和受力分析。(3)选择所用的规律列方程求解。①动能定理：需要明确初、末动能，明确力的总功，适用于所有情况。②机械能守恒定律：根据机械能守恒条件判断研究对象的机械能是否守恒，只有满足机械能守恒的条件时才能应用此规律。③功能关系：根据常见的功能关系求解，适用于所有情况。④能量守恒定律：适用于所有情况。(4)对结果进行讨论。【变式演练】1.（2023·全国·统考高考真题）如图，光滑水平桌面上有一轻质弹簧，其一端固定在墙上。用质量为m的小球压弹簧的另一端，使弹簧的弹性势能为。释放后，小球在弹簧作用下从静止开始在桌面上运动，与弹簧分离后，从桌面水平飞出。小球与水平地面碰撞后瞬间，其平行于地面的速度分量与碰撞前瞬间相等；垂直于地面的速度分量大小变为碰撞前瞬间的。小球与地面碰撞后，弹起的最大高度为h。重力加速度大小为g，忽略空气阻力。求（1）小球离开桌面时的速度大小；（2）小球第一次落地点距桌面上其飞出点的水平距离。

2．（2023上·安徽合肥·高三校考阶段练习）如图所示，水平传送带AB长，以的速度顺时针转动。传送带与半径，的竖直光滑半圆轨道BCD平滑连接。小物块以的初速度滑上传送带，已知小物块的质量，与传送带间的动摩擦因数，重力加速度。求：（1）小物块通过传送带的时间t；（2）小物块通过传送带的过程中，传送带对它做的功W以及因摩擦产生的热量Q；（3）改变小物块滑上传送带的初速度使小物块能进入光滑半圆轨道BCD，且不脱轨，应满足的条件。3．（2023·河北石家庄·校联考模拟预测）如图所示，倾角为的斜面与圆心为O、半径的光滑圆弧轨道在B点平滑连接，且固定于竖直平面内。斜面上固定一平行于斜面的轻质弹簧，现沿斜面缓慢推动质量为的滑块a使其压缩弹簧至A处，将滑块a由静止释放，通过D点时轨道对滑块a的弹力为零。已知A、B之间的距离为，滑块a与斜面间动摩擦因数，C为圆弧轨道的最低点，CE为圆弧轨道的直径，OD水平，滑块a可视为质点，忽略空气阻力，取，，，。（1）求滑块a在C点对轨道压力的大小。（2）求滑块a整个运动过程中系统因摩擦而产生的热量。（3）若仅将滑块a换为质量为的滑块b，滑块b由A点弹出后立即撤去弹簧，求滑块b第一次落在斜面上的位置至B点的距离（结果保留2位有效数字）。4．（2023上·福建龙岩·高三福建省龙岩第一中学校联考期中）如图所示，半径为R的光滑半圆形轨道ABC固定在竖直平面内且与粗糙水平轨道CD相切于C点，D端有一被锁定的轻质压缩弹簧，弹簧左端连接在固定的挡板上，右端记为Q。质量为m的滑块（视为质点）从轨道上的P点由静止滑下，运动到Q点时速率为零，并能触发弹簧解除锁定，弹簧对滑块产生弹力，使滑块被弹回，且刚好能通过半圆形轨道的最高点A．已知滑块与水平轨道间的动摩擦因数重力加速度大小为g；求：（1）滑块第一次滑至半圆形轨道最低点C时对轨道的压力；（2）弹簧被锁定时其右端Q到C点的距离是多少；（3）弹簧被解除锁定后对滑块做的功是多少？5．（2023上·福建福州·高三校联考期中）如图所示，在光滑水平面和粗糙水平面之间连接一长度为的传送带，长度，圆心为O、半径为的竖直光滑半圆轨道与水平面在D点平滑连接，其中段为光滑圆管，E和圆心O等高，。可视为质点的小物块从A点以的初速度向右滑动，已知小物块的质量，与传送带、水平面之间的动摩擦因数均为，重力加速度g取10。（1）若传送带不转，求小物块滑到半圆轨道D点时对轨道压力F的大小；（2）若传送带以的速率顺时针方向转动，求小物块第一次运动到C点的过程中系统产生的热量Q；（3）在第（2）问基础上试通过计算判断小物块是否会脱离轨道；6．（2023上·河南鹤壁·高三校考期中）如图所示，绷紧的传