高考物理一轮复习 53 机械能守恒定律课件 新人教版.ppt

要正确理解系统机械能守恒的条件 可从以下几个方面入手 1 抓住 守恒 的意义 守恒 即 保持不变 只要系统的动能增加 或减少 跟系统的重力势能的减少 或增加 相等 系统的动能与重力势能之和就保持不变 即系统的总机械能就守恒 2 抓住重力势能变化及动能变化的原因和量度 功能关系 重力势能的变化是由于重力做功引起 并且重力所做的功wg刚好等于重力势能的减少 即wg ep初 ep末 故 ep wg 学案3机械能守恒定律 考点1机械能守恒定律 机械能守恒的条件绝不是合外力的功等于零 更不是合外力等于零 而是看是否只有重力或弹力做功 动能的变化则是合外力 包括重力 做功引起的 而且合外力对物体所做的功wg在数值上就等于物体动能的变化 即 ek w合若系统机械能守恒 必然有 ek ep 0 由以上两式可得w合 wg 0 即w合 wg 可见 只要重力的功等于合力的功 亦即只要只有重力做功 系统的机械能就守恒 二 机械能守恒的表达形式1 守恒的观点 ek1 ep1 ek2 ep2 即初状态的动能与势能之和等于末状态的动能与势能之和 2 转化的观点 ek ep 即动能的增加量等于势能的减少量 3 转移的观点 ea eb 即a物体机械能的增加量等于b物体机械能的减少量 1 运用 1 列式 应选好零势能面 且初 末状态必须用同一零势能面计算势能 2 运用 2 列式 关键是要分清势能的增加量或减少量 不可死记公式 例1 如图所示 两光滑斜面的倾角分别为30 和45 质量分别为2m和m的两个滑块用不可伸长的轻绳通过滑轮连接 不计滑轮的质量和摩擦 分别置于两个斜面上并由静止释放 若交换两滑块位置 再由静止释放 则在上述两种情形中正确的有 a 质量为2m的滑块受到重力 绳的张力 沿斜面的下滑力和斜面的支持力的作用b 质量为m的滑块均沿斜面向上运动c 绳对质量为m的滑块的拉力均大于该滑块对绳的拉力d 系统在运动中机械能均守恒 解析 考查受力分析 连接体整体法处理复杂问题的能力 每个滑块受到三个力 重力 绳子拉力 斜面的支持力 受力分析中应该是按性质分类的力 沿着斜面下滑力是分解出来的按照效果命名的力 a错 对b选项 物体是上滑还是下滑要看两个物体的重力沿着斜面向下的分量的大小关系 由于质量为2m的滑块的重力沿着斜面的下滑分力较大 故质量为m的滑块必定沿着斜面向上运动 b对 任何一个滑块受到的绳子拉力与绳子对滑块的拉力等大反向 c错 对系统除了重力之外 支持力对系统每个滑块不做功 绳子拉力对每个滑块的拉力等大反向 且对滑块的位移必定大小相等 故绳子拉力作为系统的内力对系统做功总和为零 故系统只有重力做功 机械能守恒 d对 bd 典例一 机械能守恒的条件 判断系统机械能是否守恒 常用以下两种方法 从做功情况看 若系统只有重力或弹力做功 其他力不做功 那么系统的机械能守恒 这种方法常用于判断单个物体 与地球构成的系统 的机械能是否守恒 从能量转化情况看 若系统的机械能与其他形式的能不发生相互转化 则系统的机械能守恒 这种方法常用于判断几个物体构成的系统的机械能是否守恒 在下面四个图所示情况中 木块均在固定的斜面上运动 其中图a b c中的斜面是光滑的 图d中的斜面是粗糙的 图a b中的f为木块所受的外力 方向如图中箭头所示 图a b d中的木板向下运动 图c中的木块向上运动 在这四个图所示的运动过程中机械能守恒的是 c 1 典例二 机械能守恒定律的应用 例2 2010年高考江苏物理卷 在游乐节目中 选手需借助悬挂在高处的绳飞越到水面的浮台上 小明和小阳观看后对此进行了讨论 如图所示 他们将选手简化为质量m 60kg的质点 选手抓住绳由静止开始摆动 此时绳与竖直方向夹角 53 绳的悬挂点o距水面的高度为h 3m 不考虑空气阻力和绳的质量 浮台露出水面的高度不计 水足够深 取重力加速度g 10m s2 sin53 0 8 cos53 0 6 1 求选手摆到最低点时对绳拉力的大小f 2 若绳长l 2m 选手摆到最高点时松手落入水中 设水对选手的平均浮力f1 800n 平均阻力f2 700n 求选手落入水中的深度d 3 若选手摆到最低点时松手 小明认为绳越长 在浮台上的落点距岸边越远 小阳却认为绳越短 落点距岸边越远 请通过推算说明你的观点 答案 1 1080n 2 1 2m 3 见解析 解析 1 由机械能守恒定律得mgl 1 cos 1 2 mv2选手做圆周运动在最低点 有f mg mv2 l解得f 3 2cos mg且选手对绳的拉力f f 则f 1080n 2 由动能定理得mg h lcos d f1 f2 d 0则d mg h lcos f1 f2 mg 解得d 1 2m 3 选手从最低点做平抛运动 则有x vt h l 1 2 gt2联立 式解得当l h 2时 x有最大值 解得l 1 5m因此 两人的看法均不正确 当绳长越接近1 5m时 落点距岸边越远 应用机械能守恒定律要注意 1 机械能守恒定律方程往往只涉及过程的初 末两状态 不必考虑中间过程的细节 这使问题解决变得简单快捷 2 列机械能守恒定律方程之前 须先确定参考平面 灵活选择零势能面可使方程得到简化 本题中还可以以细弯管的最低点所在水平面为参考平面 同学们可试着列出机械能守恒定律方程 并与本题解析中所列方程进行比较 看哪个更简便 3 常用的机械能守恒表达形式有以下两种 ep1 ek1 ek2 ep2 ep减 ek增 某兴趣小组设计了如图所示的玩具轨道 其中 2008 四个等高数字用内壁光滑的薄壁细圆管弯成 固定在竖直平面内 所有数字均由圆或半圆组成 圆半径比细管的内径大得多 底端与水平地面相切 弹射装置将一个小物体 可视为质点 以va 5m s的水平初速度由a点弹出 从b点进入轨道 依次经过 8002 后从p点水平抛出 小物体与地面ab段间的动摩擦因数 0 3 不计其他机械能损失 已知ab段长l 0 5m 数字 0 的半径r 0 2m 小物体质量m 0 01kg g 10m s2 求 1 小物体从p点抛出后的水平射程 2 小物体经过数字 0 的最高点时管道对小物体作用力的大小和方向 答案 1 0 8m 2 0 3n 方向竖直向下 2 例3 如图所示 劲度系数为k1的轻质弹簧分别与质量为m1 m2的物块1 2拴接 劲度系数为k2的轻质弹簧上端与物块2拴接 下端压在桌面上 不拴接 整个系统处于平衡状态 现施力将物块1缓慢地竖直上提 直到下面那个弹簧刚好脱离桌面 求此过程中 物块1和物块2增加的重力势能 解析 根据平衡条件确定各量之间的关系 k1原被压缩量 x1 m1g k1k2原被压缩量 x2 m1g m2g k2当弹簧k2刚脱离桌面时 k2弹簧恢复原长 而k1弹簧将被拉长x1 x1 m2g k1在整个过程中物块1上升的高度 h1 x1 x2 x1 m1 m2 g 1 k1 1 k2 所以物块1增加的重力势能 e1 m1gh1 m1 m1 m2 1 k1 1 k2 g2物块2上升的高度 h2 x2 m1 m2 k2 g其增加的重力势能 e2 m2gh2 m2 m1 m2 k2 g2 答案 典例三 重力 弹力做功及势能的变化 本题的情景设置不算复杂 但由于涉及物体的平衡 胡克定律 重力做功 弹簧的弹力做功 重力势能的变化等多个知识点以及弹簧k1的压缩和拉伸 弹簧k2的压缩 物块1和2的重力势能等多个物理量 所以试题难度较大 解本题的关键是寻找物块1 2的位置关系变化 在方法上注意应用整体法和隔离法 在求解m1上升高度时要找准m1相对水平桌面的高度变化 不要漏加m2上升的高度 考虑k1变化时不要忽略弹簧k2的变化 再利用wg ep求解 答案 如图所示 质量为m1的物体a经一轻质弹簧与下方地面上的质量为m2的物体b相连 弹簧的劲度系数为k a b都处于静止状态 一条不可伸长的轻绳绕过轻滑轮 一端连物体a 另一端连一轻挂钩 开始时各段绳都处于伸直状态 a上方的一段绳沿竖直方向 现在挂钩上挂一质量为m3的物体c并从静止状态释放 已知它恰好能使b离开地面但不继续上升 若将c换成另一个质量为 m1 m3 的物体d 仍从上述初始位置由静止状态释放 则这次b刚离地时d的速度的大小是多少 已知重力加速度为g 3 例4 如图所示 一很长的 不可伸长的柔软轻绳跨过光滑定滑轮 绳两端各系一小球a和b a球质量为m 静置于地面 b球质量为3m 用手托住 高度为h 此时轻绳刚好拉紧 从静止开始释放b后 a可能达到的最大高度为 a hb 1 5hc 2hd 2 5h 解析 设b刚落地时速度大小为v 据机械能守恒定律得 3mgh mgh 1 2 mv2 1 2 3mv2设a可能到达的最大高度为h 则由机械能守恒定律得 mgh 1 2 mv2 mgh解得 h 1 5h故本题选b b 典例四 对系统应用机械能守恒必须注意是否只有重力 或弹力 做功或者只有系统内部的动能和势能相互转化或转移 与其他形式的能不发生转化 多个物体系统机械能守恒定律的应用 答案 1 2s 如图所示 一固定的楔形木块 其斜面的倾角 30 另一边与水平地面垂直 顶上有一定滑轮 一柔软的细绳跨过定滑轮 两端分别与物体a和b连接 a的质量为4m b的质量为m 开始时将b按在地面上不动 然后放开手 让a沿斜面下滑而b上升 物块a与斜面间无摩擦 若a沿斜面下滑s距离时 细绳突然断了 求物体b上升的最大高度h b始终不与定滑轮相碰 4 考点2功能关系 一 应用功能关系需注意的问题1 搞清力对 谁 做功 对 谁 做功就对应 谁 的位移 引起 谁 的能量变化 2 不同的力做功对应不同形式的能量变化 二 摩擦力做功与产生内能的关系1 静摩擦力做功的特点 1 静摩擦力可以做正功 负功 还可以不做功 2 在静摩擦力做功的过程中 只有机械能从一个物体转移到另一个物体 摩擦力起着传递机械能的作用 而没有机械能转化为其他形式的能量 3 相互摩擦的系统 一对静摩擦力所做功的代数总和等于零 2 滑动摩擦力做功的特点 1 滑动摩擦力对物体可以做正功 负功 还可以不做功 如相对运动的两物体之一对地面静止 滑动摩擦力对该物体不做功 2 在相互摩擦的物体系统中 一对相互作用的滑动摩擦力 对物体系统所做总功的多少与路径有关 其值是负值 等于摩擦力与相对位移的乘积 即wf fs相对 表示物体克服摩擦力做功 系统损失机械能 转变成内能 即 e损 fs相对 q热 摩擦生热 3 在一对滑动摩擦力做功的过程中 能量的转化和转移的情况是 一是相互摩擦的物体通过摩擦力做功 将部分机械能从一个物体转移到另一个物体 二是部分机械能转化为内能 此部分能量就是系统机械能的损失量 如图所示 顶端粗糙的小车 放在光滑的水平地面上 具有一定速度的小木块由小车左端滑上小车 当木块与小车相对静止时木块相对小车的位移为d 小车相对于地面的位移为x 则滑动摩擦力对木块做的功为w木 f d x 由动能定理得木块的动能增量为 ek木 f d x 滑动摩擦力对小车做的功为w车 fx 同理 小车动能增量为 ek车 fx 两式相加得 ek木 ek车 fd 即 e fd 表明木块和小车所组成系统的机械能的减少量等于滑动摩擦力与木块相对于小车的位移的乘积 这部分能量转化为内能 典例五 功能关系的应用 例5 如图所示 传送带与水平面之间的夹角为30 其中a b两点间的距离为5m 传送带在电动机的带动下以v 1m s的速度匀速运动 现将一质量为m 10kg的小物体 可视为质点 轻放在传送带的a点 已知小物体与传送带间的动摩擦因数 则在传送带将小物体从a点传送到b点的过程中 求 1 传送带对小物体做了多少功 2 小物体由a点传送到b点的过程中 传送带对小物体摩擦力最大功率pfm是多大 3 为传送小物体 电动机额外需做多少功 g取10m s2 解析 1 小物体刚放到传送带上时 其受力情况如图所示 小物体沿传送带做匀加速直线运动 由牛顿第二定律得 f1 mgsin30 ma1 且f1 mgcos30 解 得a1 1 4 g 2 5m s2小物体在达到与传送带相同的速度前经过的位移 x1 v2 2a1 12 2 2 5 m 0 2m因x1 0 2mmgsin30 故此后小物体和传送带一起做匀速直线运动 对应的位移为x2 5 0 2 m 4 8m 受到的摩擦力为静摩擦力f2 mgsin30 1 2 mg传送带全过程对小物体做功 w f1x1 f2x2 3 4 mgx1 1 2 mgx2 255j也可以用能的转化和守恒求解wf 1 2 mv2 mglabsin30 1 2 10 12j 10 10 5 1 2 j 255j 2 小物体加速阶段 摩擦力的最大功率 pfm f1v mgcos30 v 75w匀速阶段 摩擦力为静摩擦力 功率不变 为 pfm f2v mgsin30 v 50w所以摩擦力的最大功率为pfm 75w 当我们分析一个物理过程时 不仅要看速度 加速度 还要分析能量转化情况 在工件加速和匀速两个阶段 能量转化情况不同 知道了能量转化情况 尤其是 多消耗 电能的含义 问题就迎刃而解了 3 小物体和传送带发生相对滑动的时间t1 v a1 0 4s相对位移 x vt1 x1 1 0 4 0 2 m 0 2m接触面之间产生的热量q f1 x 15j由功能关系知 电动机需额外做功 w ek ep q