高中物理 第2章 能的转化与守恒 第3节 能量守恒定律课件 鲁科版必修2.ppt

第3节能量守恒定律 教师备课参考 核心素养养成目标 物理观念1 知道什么是机械能 知道物体的动能和势能可以相互转化 2 理解机械能守恒定律的内容 知道它的含义和适用条件 能应用机械能守恒定律解决实际问题 3 理解能量守恒定律 科学思维与科学探究1 通过实验验证机械能守恒定律 让学生体会守恒观念对认识物理规律的重要性 能用机械能守恒定律分析生产生活中的有关问题 2 通过对生活中能量转化的实例分析 理解能量守恒定律的确切含义 并能应用能量守恒定律解决实际问题 科学态度与责任1 学会从能量转化和守恒的观点来解释物理现象 分析问题 2 通过能量守恒的学习 使学生树立正确的科学观点 教学重难点 教学重点1 机械能守恒定律的实验探究 2 机械能守恒定律的理解和应用 教学难点两个守恒定律的应用 感悟解题规律 探寻基本知识 测评学习效果 探寻基本知识 树立物理观念 知识点一 机械能守恒定律 情境导学 如图所示 在距地面h高处以初速度v0沿水平方向抛出一个物体 不计空气阻力 物体下落过程中经过a b c三点时具有的机械能相等吗 答案 物体在下落过程中 只有重力做功 机械能守恒 所以在a b c三点具有相等的机械能 知识梳理 1 机械能机械能为动能和之和 其中势能包括重力势能和弹性势能 2 机械能守恒定律 1 内容 在只有像那类力做功的情况下 物体的动能与势能可以 机械能的总量保持 思考判断 1 合力为零 物体的机械能一定守恒 2 合力做功为零 物体的机械能一定守恒 3 只有重力做功 物体的机械能一定守恒 势能 重力 相互转化 不变 知识点二 能量守恒定律 情境导学 一个叫丹尼斯 李的美国人在 美国今日 新闻周刊 等全国性报刊上刊登大幅广告 在全美各地表演 展示其号称无需任何能源的发电机 你认为这种发电机能造出来吗 为什么 答案 不能制造出来 因为这种发电机违反了能量守恒定律 知识梳理 1 内容 能量既不能凭空产生 也不能凭空 它只能从一种形式为另一种形式 或从一个物体到另一个物体 在转化或转移的过程中其保持不变 2 意义 它的发现和应用 为不同学科的沟通与联系提供了桥梁 思考判断 1 自然界中的任何变化过程都满足能量守恒 2 永动机不可能制成 3 能量守恒过程 外力做功必为零 消失 转化 转移 总量 要点一 感悟解题规律 培养科学思维 验证机械能守恒定律 典例1 在探究 动能与重力势能的转化和守恒 的实验中 已知打点计时器所用电源的频率为50hz 查得当地的重力加速度g 9 8m s2 某同学选择了一条理想的纸带 用刻度尺测量时各计数点对应刻度尺上的读数如图所示 图中o点是打点计时器打出的第一个点 a b c d分别是每打两个点取的计数点 由o点运动到b点时 重物质量为mkg 重物 1 重力势能的减少量是j 动能的增加量是j 2 重力势能的减少量 填 略大于 或 略小于 动能的增加量 原因是 3 根据计算的数据得出的结论 思路探究 1 相邻两个计数点间的时间间隔是多少 答案 0 04s 由于计数点之间有一个计时点 2 实验中如何得到某一点的下落的高度和速度 答案 从起始点开始到分析点的距离是下落的高度 速度用一段时间内的平均速度等于这一段时间内中间时刻的瞬时速度求得 2 略大于 由于空气阻力和限位孔的摩擦阻力做功 将部分机械能转化为内能 3 从以上计算的数据得出 在实验误差允许的范围内重物减少的重力势能等于其增加的动能 答案 1 1 911m1 890m 2 略大于由于空气阻力和限位孔的摩擦阻力做功 将部分机械能转化为内能 3 在实验误差允许的范围内重物减少的重力势能等于其增加的动能 即机械能守恒 误区警示 教师备用 例1 1 2016 北京卷 21 利用图1装置做 验证机械能守恒定律 实验 1 为验证机械能是否守恒 需要比较重物下落过程中任意两点间的 a 动能变化量与势能变化量b 速度变化量和势能变化量c 速度变化量和高度变化量 解析 1 重物下落过程中 重力势能减少 动能增加 验证机械能守恒时应比较重物下落过程中任意两点间动能变化量与势能变化量大小是否相等 选项a正确 答案 1 a 解析 2 电磁打点计时器需要交流电源 测量纸带上点间的距离需要刻度尺 实验中无需知道重物的质量 故选a b 答案 2 ab 2 除带夹子的重物 纸带 铁架台 含铁夹 电磁打点计时器 导线及开关外 在下列器材中 还必须使用的两种器材是 a 交流电源b 刻度尺c 天平 含砝码 3 实验中 先接通电源 再释放重物 得到如图2所示的一条纸带 在纸带上选取三个连续打出的点a b c 测得它们到起始点o的距离分别为ha hb hc 已知当地重力加速度为g 打点计时器打点的周期为t 设重物的质量为m 从打o点到打b点的过程中 重物的重力势能变化量 ep 动能变化量 ek 4 大多数学生的实验结果显示 重力势能的减少量大于动能的增加量 原因是 a 利用公式v gt计算重物速度b 利用公式v 计算重物速度c 存在空气阻力和摩擦力阻力的影响d 没有采用多次实验取平均值的方法 解析 4 实验中由于重物下落不可避免受到阻力作用 因此减少的重力势能大于重物获得的动能 选项c正确 答案 4 c 5 某同学想用下述方法研究机械能是否守恒 在纸带上选取多个计数点 测量它们到起始点o的距离h 计算对应计数点的重物速度v 描绘v2 h图像 并做如下判断 若图像是一条过原点的直线 则重物下落过程中机械能守恒 请你分析论证该同学的判断依据是否正确 答案 5 见解析 针对训练1 1 利用气垫导轨探究 动能与重力势能的转化和守恒 的实验装置示意图如图所示 1 实验步骤 将气垫导轨放在水平桌面上 桌面高度不低于1m 将导轨调至水平 用游标卡尺测量挡光条的宽度l 9 30mm 由导轨标尺读出两光电门中心之间的距离s cm 将滑块移至光电门1左侧某处 待砝码静止不动时 释放滑块 要求砝码落地前挡光条已通过光电门2 从数字计时器 图中未画出 上分别读出挡光条通过光电门1和光电门2所用的时间 t1和 t2 用天平称出滑块和挡光条的总质量m 再称出托盘和砝码的总质量m 2 用表示直接测量量的字母写出下列所示物理量的表达式 滑块通过光电门1和光电门2时瞬时速度分别为v1 和v2 当滑块通过光电门1和光电门2时 系统 包括滑块 挡光条 托盘和砝码 的总动能分别为ek1 和ek2 在滑块从光电门1运动到光电门2的过程中 系统重力势能的减少量 ep 重力加速度为g 3 如果 ep 则可认为重物的动能与重力势能的总和保持不变 答案 1 60 00 59 96 60 04均可 mgs 3 ek2 ek1 要点二 机械能守恒定律的理解及应用 1 机械能守恒的条件 1 做功特点 只有重力和系统内的弹力做功 无其他力做功 2 能量转化特点 只有系统内的动能和势能相互转化 无其他形式的能量参与转化 2 机械能是否守恒的判断方法 1 从机械能的定义判定 机械能是物体的动能与势能的总和 若某过程中任何位置 任何时刻 动能与势能的总量保持不变 机械能守恒 2 从分析受力及各力的做功情况判定 对单个物体判断机械能守恒时 看是否只有重力做功 若并非只受重力 看其他力是否做功 3 对包括弹簧在内的物体组成的系统判断机械能守恒时 看是否只有重力或弹力做功 若有其他外力或内部摩擦力做功 则系统机械能不守恒 看是否只有动能和势能之间的转化 3 机械能守恒定律的表达式及特点 典例2 2015 天津卷 5 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 b 思路探究 1 在机械能守恒定律的应用中 含有弹簧的问题中如何选择研究对象 答案 含有弹簧的问题中 重力势能 弹性势能和动能之间发生转化 因此 研究对象应为包含弹簧在内的系统 2 圆环下滑过程中如何运动 答案 开始时加速度为g 向下做加速运动 但加速度减小 当加速度减为0时速度最大 之后做加速度增大的减速运动 直至速度变为0 规律方法机械能守恒条件的理解 只有重力做功或系统内弹力做功是机械能守恒的条件 只有重力对物体做功时 物体的机械能一定守恒 只有重力或系统内弹力做功时 系统的机械能一定守恒 教师备用 例2 1 如图所示 用长为l的绳子一端系着一个质量为m的小球 另一端固定在o点 拉小球至a点 此时绳偏离竖直方向 松手后小球经过最低点时的速率为 空气阻力不计 b 针对训练2 1 2016 福建莆田六中期中 多选 关于机械能守恒定律的适用条件 下列说法中正确的是 a 对于单个物体 只有重力作用时 物体的机械能守恒b 当物体所受的合外力为零 机械能守恒c 当物体受到除重力外的其他外力作用时 只要其他力的合力的功为零 物体的机械能就守恒d 炮弹在空中飞行不计阻力时 仅受重力作用 所以爆炸前后机械能守恒 解析 a选项满足除重力以外无其他力作用 故正确 b选项中物体所受合外力为零 但有可能除重力外有其他力做功 故错误 c选项满足方法二 故正确 在爆炸过程中有其他形式的能量转化为动能 但重力势能不变 故错误 ac 要点三 对能量守恒定律的理解 1 做功与能量的转化由于功是能量转化的量度 因此在做功的过程中必然伴随着能量的转化 不同的力做功 会引起不同的能量发生转化 2 表达式及含义 1 表达式 e减 e增 2 含义 某种形式的能减少 一定存在其他形式的能增加 且减少量一定和增加量相等 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 典例3 2016 四川卷 1 韩晓鹏是我国首位在冬奥会雪上项目夺冠的运动员 他在一次自由式滑雪空中技巧比赛中沿 助滑区 保持同一姿态下滑了一段距离 重力对他做功1900j 他克服阻力做功100j 韩晓鹏在此过程中 a 动能增加了1900jb 动能增加了2000jc 重力势能减小了1900jd 重力势能减小了2000j 解析 由题可得 重力做功1900j 则重力势能减少1900j 选项c正确 d错误 由动能定理wg wf ek可得动能增加1800j 选项a b错误 c 规律方法应用功能关系解题的基本步骤 1 明确研究对象 2 分析物体的运动过程并画图展示 3 分析力对研究对象的做功情况和能量转化形式 4 根据动能定理或能量守恒定律列方程求解 教师备用 例3 1 自由摆动的秋千摆动的幅度越来越小 下列说法中正确的是 a 机械能守恒b 能量正在消失c 只有动能和重力势能的相互转化d 减少的机械能转化为内能 但总能量守恒 解析 在秋千摆动的过程中 由于阻力的存在 需要克服阻力做功 机械能会减少 但能量并没有消失 减少的机械能转化为内能 总能量保持不变 d 针对训练3 1 如图所示 一小球从光滑圆弧轨道顶端由静止开始下滑 进入光滑水平面又压缩弹簧 在此过程中 小球重力势能和动能的最大值分别为ep和ek 弹簧弹性势能的最大值为ep 则它们之间的关系为 以水平面为零势能面 a ep ek ep b ep ek ep c ep ek ep d ep ek ep 解析 由能量守恒可知 小球沿光滑圆弧轨道顶端由静止下滑到光滑水平面的过程中 重力势能转化为动能 故ep ek 小球压缩弹簧过程动能转化为弹性势能 ek ep 故选项a正确 a 测评学习效果 演练当堂技法 1 多选 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 解析 做匀速直线运动的物体 除了重力做功外 可能还有其他力做功 如降落伞在空中匀速下降时 除了重力做功外 空气阻力也对降落伞做功 所以机械能不守恒 a错误 做匀变速直线运动的物体可能只受重力且只有重力做功 如自由落体运动 物体机械能守恒 b正确 降落伞在空中匀速下降时合外力为零 合外力对物体做功为零 除重力做功外 空气阻力也做功 所以机械能不守恒 c错误 d选项符合机械能守恒的条件 故d正确 bd 2 如图所示为冲击摆实验装置 一飞行子弹射入沙箱后与沙箱合为一体 共同摆起一定的高度 则下面有关能量转化的说法中正确的是 a 子弹的动能转变成沙箱和子弹的机械能b 子弹的动能转变成了沙箱和子弹的内能c 子弹的动能转变成了沙箱和子弹的动能d 子弹的动能一部分转变成沙箱和子弹的内能 另一部分转变成沙箱和子弹的机械能 解析 子弹在射入沙箱瞬间 要克服摩擦阻力做功 一部分动能转变成沙箱和子弹的内能 另一部分动能转变成沙箱和子弹的机械能 选项d正确 d 3 在探究 动能与重力势能的转化和守恒 的实验中 质量为m 1kg的重物拖着纸带下落 在此过程中 打点计时器在纸带上打出一系列的点 在纸带上选取五个连续的点a b c d和e 如图所示 其中o为重物开始下落时记录的点 各点到o点的距离分别是31 4mm 49 0m