高考物理一轮复习第五章机械能第3讲机械能守恒定律教案.docx

第3讲机械能守恒定律知识点一重力势能和弹性势能1.重力做功与重力势能的关系(1)重力做功的特点重力做功与无关，只与始末位置的有关.重力做功不引起物体的变化.(2)重力势能表达式：Ep.重力势能的特点重力势能是物体和所共有的；重力势能的大小与参考平面的选取，但重力势能的变化与参考平面的选取.(3)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；重力对物体做负功，重力势能；定量关系：重力对物体做的功等于物体重力势能的减小量.即WG.2.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：弹力做正功，弹性势能；弹力做负功，弹性势能.即W.答案：1.(1)路径高度差机械能(2)mgh地球有关无关(3)减少增大(Ep2Ep1)Ep2.(1)弹性形变(2)减小增加Ep知识点二机械能守恒定律及应用1.机械能：和统称为机械能，其中势能包括和.2.机械能守恒定律(1)内容：在只有做功的物体系统内，动能与势能可以相互转化，而总的机械能.(2)表达式：mgh1mv.3.守恒条件：只有重力或弹簧的弹力做功.答案：1.动能势能弹性势能重力势能2.(1)重力或弹力保持不变(2)mgh2mv(1)重力势能的变化与零势能参考面的选取无关. ()(2)克服重力做功，物体的重力势能一定增加. ()(3)发生形变的物体都具有弹性势能. ()(4)弹力做正功，弹性势能一定增加. ()(5)物体所受的合力力零，物体的机械能一定守恒. ()(6)物体的速度增大时，其机械能可能减小. ()(7)物体除受重力外，还受其他力，但其他力不做功，则物体的机械能一定守恒. ()答案：(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)考点机械能守恒的理解和判断1.对机械能守恒条件的理解(1)只受重力作用，例如不考虑空气阻力的各种抛体运动，物体的机械能守恒.(2)除重力外，物体还受其他力，但其他力不做功或做功代数和为零.(3)除重力外，只有系统内的弹力做功，并且弹力做的功等于弹性势能减少量，那么系统的机械能守恒.注意：并非物体的机械能守恒，如与弹簧相连的小球下摆的过程机械能减少.2.机械能是否守恒的三种判断方法(1)利用机械能的定义判断：若物体动能、势能之和不变，则机械能守恒.(2)用做功判断：若物体或系统只有重力(或弹簧的弹力)做功，虽受其他力，但其他力不做功，机械能守恒.(3)利用能量转化判断：若物体或系统与外界没有能量交换，物体或系统内也没有机械能与其他形式能的转化，则机械能守恒.考向1不含弹簧的系统机械能守恒的判断典例1如图所示，一斜面固定在水平面上，斜面上的CD部分光滑，DE部分粗糙，A、B两物体叠放在一起从顶端C点由静止下滑，下滑过程中A、B保持相对静止，且在DE段做匀速运动.已知A、B间的接触面水平，则()A.沿CD部分下滑时，A的机械能减少，B的机械能增加，但总的机械能不变B.沿CD部分下滑时，A的机械能增加，B的机械能减少，但总的机械能不变C.沿DE部分下滑时，A的机械能不变，B的机械能减少，故总的机械能减少D.沿DE部分下滑时，A的机械能减少，B的机械能减少，故总的机械能减少解析在CD段下滑时，对A、B整体只有重力做功，机械能守恒；分析A的受力，B对A的支持力和摩擦力的合力与斜面垂直，相当于只有重力做功，所以A、B的机械能都守恒，选项A、B错误；在DE段下滑时，动能不变，重力势能减少，所以机械能减小，D正确.答案D考向2含有弹簧的系统机械能守恒的判断典例2(多选)如图所示，轻质弹簧的一端与固定的竖直板P连接，另一端与物体A相连，物体A置于光滑水平桌面上，A右端连接一细线，细线绕过光滑的定滑轮与物体B相连.开始时托住B，让A处于静止且细线恰好伸直，然后由静止释放B，直至B获得最大速度.下列有关该过程的分析正确的是()A.A物体与B物体组成的系统机械能守恒B.A物体与B物体组成的系统机械能不守恒C.B物体机械能的减少量小于弹簧弹性势能的增加量D.当弹簧的拉力等于B物体的重力时，A物体的动能最大解析A物体、弹簧与B物体组成的系统机械能守恒，但A物体与B物体组成的系统机械能不守恒，选项A错误，选项B正确；B物体机械能的减少量等于A物体机械能的增加量与弹簧弹性势能的增加量之和，故B物体机械能的减少量大于弹簧弹性势能的增加量，选项C错误；当弹簧的拉力等于B物体的重力时，B物体速度最大，A物体的动能最大，选项D正确.答案BD变式1(2015天津卷)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：B解析：圆环沿杆下滑的过程中，圆环与弹簧组成的系统动能、弹性势能、重力势能之和守恒，选项A、D错误；弹簧长度为2L时，圆环下落的高度hL，根据机械能守恒定律，弹簧的弹性势能增加了EpmghmgL，选项B正确；圆环释放后，圆环向下先做加速运动，后做减速运动，当速度最大时，合力为零，下滑到最大距离时，具有向上的加速度，合力不为零，选项C错误.1.机械能守恒的条件绝不是合外力的功等于零，更不是合外力为零；“只有重力做功”不等于“只受重力作用”.2.分析机械能是否守恒时，必须明确要研究的系统.3.只要涉及滑动摩擦力做功，机械能一定不守恒.对于一些绳子突然绷紧、物体间碰撞等情况，除非题目特别说明，否则机械能必定不守恒.考点机械能守恒定律及应用1.机械能守恒定律的表达式2.用机械能守恒定律解题的基本思路考向1单个物体的机械能守恒典例3(2017甘肃兰州一模)(多选)如图所示，竖直面内光滑的圆形导轨固定在一水平地面上，半径为R.一个质量为m的小球从距水平地面正上方h高处的P点由静止开始自由下落，恰好从N点沿切线方向进入圆轨道.不考虑空气阻力，则下列说法正确的是()A.适当调整高度h，可使小球从轨道最高点M飞出后，恰好落在轨道右端口N处B.若h2R，则小球在轨道最低点对轨道的压力为5mgC.只有h大于等于2.5R时，小球才能到达圆轨道的最高点MD.若hR，则小球能上升到圆轨道左侧离地高度为R的位置，该过程重力做功为mgR解析小球到达最高点时速度至少应满足mgm，解得v，小球离开最高点后做平抛运动，下落高度为R时，运动的水平距离为xvtR，故A错误；从P到最低点过程由机械能守恒可得2mgRmv2，由向心力公式得FNmgm，解得FN5mg，由牛顿第三定律可知小球对轨道的压力为5mg，故B正确；由机械能守恒得mg(h2R)mv2，代入v解得h2.5R，故C正确；若hR，则小球能上升到圆轨道左侧离地高度为R的位置，该过程重力做功为0，D错误.答案BC变式2(2017安徽第三次联考)如图所示，光滑轨道由AB、BCDE两段细圆管平滑连接组成，其中AB段水平，BCDE段为半径为R的四分之三圆弧，圆心O及D点与AB等高，整个轨道固定在竖直平面内.现有一质量为m、初速度v0的光滑小球水平进入圆管AB，设小球经过轨道交接处无能量损失，圆管孔径远小于R，则(小球直径略小于管内径)()A.小球到达C点时的速度大小vCB.小球能通过E点且抛出后恰好落至B点C.无论小球的初速度v0为多少，小球到达E点时的速度都不能为零D.若将DE轨道拆除，则小球能上升的最大高度与D点相距2R答案：B解析：对小球从A点至C点过程，由机械能守恒有mvmgRmv，解得vC，选项A错误；A点至E点的过程，由mvmvmgR，解得vE，又由xvEtvER，小球能正好平抛落回B点，选项B正确；因为内管壁可提供支持力，所以小球在E点速度可以为零，选项C错误；若将DE轨道拆除，设小球能上升的最大高度为h，由mvmgh，解得hR，选项D错误.考向2多个物体的机械能守恒典例4一半径为R的半圆形竖直圆柱面，用轻质不可伸长的细绳连接的A、B两球悬挂在圆柱面边缘内外两侧，A球质量为B球质量的2倍，现将A球从圆柱面边缘处由静止释放，如图所示.已知A球始终不离开圆柱内表面，且细绳足够长，若不计一切摩擦，求：(1)A球沿圆柱内表面滑至最低点时速度的大小；(2)A球沿圆柱内表面运动的最大位移.解题指导(1)A球沿绳方向的分速度与B球速度大小相等.(2)A球沿圆柱内表面运动的位移大小与B球上升高度相等.(3)A球下降的高度并不等于B球上升的高度.解析(1)设A球沿圆柱内表面滑至最低点时速度的大小为v，B球的质量为m，则根据机械能守恒定律有2mgRmgR2mv2mv由图甲可知，A球的速度v与B球速度vB的关系为vBv1vcos 45联立解得v2.甲乙(2)当A球的速度为零时，A球沿圆柱内表面运动的位移最大，设为x，如图乙所示，由几何关系可知A球下降的高度h根据机械能守恒定律有2mghmgx0解得xR.答案(1)2(2)R变式3(2017陕西商洛模拟)(多选)如图所示，将质量为2m的重物悬挂在轻绳的一端，轻绳的另一端系一质量为m的环，环套在竖直固定的光滑直杆上，光滑定滑轮与直杆的距离为d.杆上的A点与定滑轮等高，杆上的B点在A点正下方距离为d处.现将环从A处由静止释放，不计一切摩擦阻力，下列说法正确的是()A.环到达B处时，重物上升的高度hB.小环到达B处时，环与重物的速度大小相等C.环从A到B，环减少的机械能等于重物增加的机械能D.环能下降的最大高度为d答案：CD解析：环到达B处时，对环的速度进行分解，可得v环cos v物，由题图中几何关系可知45，则v环v物，B错；因环从A到B，环与重物组成的系统机械能守恒，则环减少的机械能等于重物增加的机械能，C对；当环到达B处时，由题图中几何关系可得重物上升的高度h(1)d，A错；当环下落到最低点时，设环下落高度为H，由机械能守恒有mgH2mg(d)，解得Hd，故D正确.机械能守恒定律是解答能量问题的基本方法之一，分析运动过程物体的机械能是否守恒是解题的关键，在解决物体的运动问题时应优先考虑用能量方法，如曲线运动、含弹簧类运动问题等.应用时首先要对研究对象进行受力分析和运动分析，以确定在所研究的过程中机械能是否守恒，再选合适的表达式求解.应用机械能守恒定律求解多过程问题时可对全过程应用机械能守恒定律列式求解.1.机械能守恒的条件关于机械能是否守恒，下列说法正确的是()A.做匀速直线运动的物体机械能一定守恒B.做匀速圆周运动的物体机械能一定守恒C.做变速运动的物体机械能可能守恒D.合外力对物体做功不为零，机械能一定不守恒答案：C解析：做匀速直线运动的物体与做匀速圆周运动的物体，其动能不变，但物体的重力势能可能变化，所以机械能可能不守恒，如物体在竖直平面内运动，选项A、B错误；物体做变速运动时，受到的合力不为零，但如果运动过程中只有重力做功，则机械能守恒，选项C正确；合外力做功不为零，物体的动能改变，但如果运动过程中只有重力做功，则物体的机械能守恒，选项D错误.2.系统机械能守恒如图所示，一辆小车静止在光滑的水平导轨上，一小球用细绳悬挂在车上，由图中虚线位置无初速释放，则小球在下摆过程中，下列说法正确的是 ()A.绳子的拉力对小球不做功，小球机械能守恒B.绳子的拉力对小球做正功，小球机械能增加C.绳子的拉力对小球做负功，小球机械能减小D.小球所受到的合力不做功，小球机械能不变答案：C解析：由于小车位于光滑的水平导轨上，小球在下摆过程中，小车向左运动，即悬点也在移动，绳子拉力方向与小球位移的夹角大于90，拉力对小球做负功.或者从系统考虑，因只有重力做功，机械能守恒，由于小车机械能增加，则小球机械能减小，故绳子的拉力对小球做负功.所以，本题正确答案为C.本题摆球的悬点不同，绳子拉力与速度方向不垂直而对摆球做功，不注意这一点，易错选A.3.功的计算与机械能守恒长为L的轻质细绳悬挂一个质量为m的小球，其下方有一个倾角为的光滑斜面体，放在水平面上，开始时小球与斜面刚刚接触且细绳恰好竖直，如图所示，现在用水平推力F缓慢向左推动斜面体，直到细绳与斜面平行，则下列说法中正确的是()A.由于小球受到斜面的弹力始终与斜面垂直，故对小球不做功B.细绳对小球的拉力始终与小球的运动方向垂直，故对小球不做功C.小球受到的合外力对小球做功为零，故小球在该过程中机械能守恒D.若水平面光滑，则推力做功为mgL(1cos )答案：B解析：小球受到斜面的弹力沿小球的运动方向有分量，故对小球做正功，A错误；细绳的拉力方向始终和小球的运动方向垂直，故对小球不做功，B正确；合外力对小球做的功等于小球动能的改变量，虽然合外力做功为零，但小球的重力势能增加，故小球在该过程中机械能不守恒，C错误；若水平面光滑，则推力做功为mgL(1sin )，D错误.4.弹力做功与弹性势能(多选)如图所示，固定的倾斜光滑杆上套有一个质量为m的圆环，圆环与一弹性橡皮绳相连，橡皮绳的另一端固定在地面的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(橡皮绳始终处于弹性限度内)()A.橡皮绳的弹性势能一直增