2018-2019学年高中物理_第四章 机械能和能源 5 课时1 机械能守恒定律课件 教科版必修2

课时1机械能守恒定律 第四章5机械能守恒定律 学习目标 1 知道机械能的概念 理解物体的动能和势能是可以相互转化的 2 会推导机械能守恒定律 3 理解机械能守恒定律的内容和守恒条件 4 会用机械能守恒定律解决问题 内容索引 重点探究启迪思维探究重点 达标检测检测评价达标过关 自主预习预习新知夯实基础 自主预习 一 动能和势能的转化1 机械能 弹性势能和的总称 2 动能和势能的转化物体从高处向低处运动 如自行车在没有蹬车的情况下下坡 时 重力势能 动能 物体的重力势能转化为 物体从低处向高处运动 如自行车在没有蹬车的情况下上坡 时 重力势能 动能 物体的动能转化为 重力势能 动能 增加 减少 动能 减少 重力势能 增加 二 机械能守恒定律1 内容 在只有或做功的物体系统内 和会发生相互转化 但保持不变 2 表达式 Ep1 Ek1 重力 动能 弹力 势能 机械能的总量 Ep2 Ek2 1 判断下列说法的正误 1 通过重力做功 动能和重力势能可以相互转化 2 弹性势能发生了改变 一定有弹力做功 3 机械能守恒时 物体一定只受重力和弹力作用 4 合力为零 物体的机械能一定守恒 5 合力做功为零 物体的机械能保持不变 6 只有重力做功时 物体的机械能一定守恒 即学即用 答案 2 如图1所示 桌面高为h 质量为m的小球从离桌面高为H处自由落下 不计空气阻力 重力加速度为g 设桌面处的重力势能为零 则小球落到地面前瞬间的机械能为 答案 mgH 图1 重点探究 一 动能与势能的相互转化 答案 1 如图2所示 物体沿光滑斜面下滑 物体的重力势能如何变化 动能如何变化 当物体以某一初速度沿着光滑斜面上滑时 物体的重力势能如何变化 动能如何变化 答案下滑时 物体的高度降低了 重力势能减少 物体的速度增大了 即物体的动能增加 上滑时 物体的重力势能增加 动能减少 导学探究 图2 2 如图3所示 在光滑水平面上 被压缩的弹簧恢复原来形状的过程 弹性势能如何变化 物体的动能如何变化 当物体以某一初速度压缩弹簧时 弹性势能如何变化 物体的动能如何变化 答案 答案被压缩的弹簧恢复原来形状的过程 弹性势能减少 物体的动能增加 当物体压缩弹簧时 弹性势能增加 物体的动能减少 图3 1 重力势能与动能的转化只有重力做功时 若重力对物体做正功 则物体的重力势能减少 动能增加 物体的重力势能转化为动能 若重力对物体做负功 则物体的重力势能增加 动能减少 物体的动能转化为重力势能 2 弹性势能与动能的转化只有弹簧弹力做功时 若弹力对物体做正功 则弹簧的弹性势能减少 物体的动能增加 弹簧的弹性势能转化为物体的动能 若弹力对物体做负功 则弹簧的弹性势能增加 物体的动能减少 物体的动能转化为弹簧的弹性势能 知识深化 例1如图4所示 小球自a点由静止自由下落 到b点时与竖直弹簧接触 到c点时弹簧压缩到最短 若不计弹簧质量和空气阻力 弹簧始终在弹性限度内 在小球由a b c的过程中A 小球在b点时动能最大B 小球的重力势能随时间均匀减少C 小球减少的重力势能全部转化为小球的动能D 到c点时小球重力势能的减少量等于弹簧弹性势能的增加量 解析 答案 图4 解析小球下落到与弹簧接触后 受重力和向上的弹力作用 然后是弹力等于重力 最后是弹力大于重力 故小球从b到c的过程中 动能先增大后减小 故A错误 小球从a到c的过程中 重力势能一直减少 但不随时间均匀减少 故B错误 小球在a点和c点时动能为零 故小球从a到c的过程中 减少的重力势能全部转化为弹簧的弹性势能 故C错误 D正确 针对训练1 多选 如图5所示是我们常用弹簧门的一角 依靠弹簧形变后储存的弹性势能自动将打开的门关闭 下列说法正确的是A 当我们把门打开时 人对门做的功转化为弹簧的弹性势能B 当我们把门打开时 弹簧的弹性势能转化为门的动能C 当我们放手后 弹簧的弹性势能转化为门的动能D 当我们放手后 门的动能转化为弹簧的弹性势能 解析 答案 图5 解析当我们把门打开时 人对门做的功转化为弹簧的弹性势能 当我们放手后 弹簧的弹性势能转化为门的动能 故选项A C正确 B D错误 如图6所示 质量为m的物体自由下落的过程中 下落到高度为h1的A处时速度为v1 下落到高度为h2的B处时速度为v2 不计空气阻力 选择地面为参考平面 1 求物体在A B处的机械能EA EB 二 机械能守恒定律 图6 导学探究 答案 2 比较物体在A B处的机械能的大小 答案 下落过程中重力对物体做功 重力做的功等于物体重力势能的减少量 则WG mgh1 mgh2 由此可知物体在A B两处的机械能相等 1 对机械能守恒条件的理解 1 物体只受重力 只发生动能和重力势能的相互转化 如自由落体运动 抛体运动等 2 只有弹力做功 只发生动能和弹性势能的相互转化 如在光滑水平面上运动的物体碰到一个弹簧 和弹簧相互作用的过程中 对物体和弹簧组成的系统来说 机械能守恒 3 重力和弹力都做功 发生动能 弹性势能 重力势能的相互转化 如自由下落的物体落到竖直的弹簧上和弹簧相互作用的过程中 对物体和弹簧组成的系统来说 机械能守恒 知识深化 4 除受重力或弹力外 还受其他力 但其他力不做功 或其他力做功的代数和为零 如物体在沿斜面的拉力F的作用下沿斜面运动 若拉力与摩擦力的大小相等 方向相反 则在此运动过程中 物体的机械能守恒 2 判断机械能是否守恒的方法 1 利用机械能的定义判断 直接判断 若物体动能 势能均不变 机械能不变 若动能和势能中 一种能变化 另一种能不变 则其机械能一定变化 2 用做功判断 若物体或系统只有重力 或弹力 做功 虽受其他力 但其他力不做功 机械能守恒 3 用能量转化来判断 若物体系统中只有动能和势能的相互转化而无机械能与其他形式的能的转化 则物体系统机械能守恒 例2 多选 如图7所示 下列关于机械能是否守恒的判断正确的是A 甲图中 物体将弹簧压缩的过程中 物体机械能守恒B 乙图中 物体在大小等于摩擦力的拉力F作用下沿斜面下滑时 物体机械能守恒C 丙图中 物体沿斜面匀速下滑的过程中 物体机械能守恒D 丁图中 斜面光滑 物体在斜面上下滑的过程中 物体机械能守恒 答案 解析 图7 解析弄清楚机械能守恒的条件是分析此问题的关键 表解如下 针对训练2 多选 如图8所示 一轻弹簧固定于O点 另一端系一重物 将重物从与悬点O在同一水平面且弹簧保持原长的A点无初速度地释放 让它自由摆下 不计空气阻力 在重物由A点摆向最低点的过程中A 重物的机械能减少B 重物与弹簧组成的系统的机械能不变C 重物与弹簧组成的系统的机械能增加D 重物与弹簧组成的系统的机械能减少 答案 解析 图8 解析重物自由摆下的过程中 弹簧拉力对重物做负功 重物的机械能减少 选项A正确 对重物与弹簧组成的系统而言 除重力 弹力外 无其他外力做功 故系统的机械能守恒 选项B正确 1 机械能守恒定律的不同表达式 三 机械能守恒定律的应用 2 应用机械能守恒定律的解题步骤 1 选取研究对象 物体或系统 2 明确研究对象的运动过程 分析研究对象在运动过程中的受力情况 弄清各力的做功情况 判断机械能是否守恒 3 选取恰当的参考平面 确定研究对象在初 末状态的机械能 4 选取机械能守恒的某种表达式 列方程求解 例3如图9所示为某游乐场的过山车的简化模型 竖直圆形轨道的半径为R 现有一节车厢 可视为质点 从高处由静止滑下 不计摩擦和空气阻力 1 要使车厢通过圆形轨道的最高点 车厢开始下滑时的高度至少应多高 答案 解析 图9 车厢在下滑过程中 只有重力做功 故机械能守恒 选取轨道最低点所在平面为零势能参考平面 由机械能守恒定律得 2 若车厢的质量为m 重力加速度为g 则车厢在轨道最低处时对轨道的压力是多少 答案 解析 答案6mg 由牛顿第三定律知 车厢对轨道的压力F F 6mg 针对训练3如图10所示 质量m 50kg的跳水运动员从距水面高h 10m的跳台上以v0 5m s的速度斜向上起跳 最终落入水 若忽略运动员的身高 取g 10m s2 求 1 运动员在跳台上时具有的重力势能 以水面为零势能参考平面 答案 解析 图10 答案5000J 解析以水面为零势能参考平面 则运动员在跳台上时具有的重力势能为Ep mgh 5000J 2 运动员起跳时的动能 答案 解析 答案625J 解析运动员起跳时的速度为v0 5m s 则运动员起跳时的动能为 解法二 应用动能定理运动员从起跳到入水过程中 其他力不做功 只有重力做功 故合外力做的功为W合 mgh 根据动能定理可得 mgh 则v 15m s 3 运动员入水时的速度大小 解析 答案15m s 解析解法一 应用机械能守恒定律运动员从起跳到入水过程中 只有重力做功 运动员的机械能守恒 则 答案 达标检测 1 机械能是否守恒的判断 关于机械能守恒 下列说法正确的是A 做自由落体运动的物体 机械能一定守恒B 人乘电梯加速上升的过程 机械能守恒C 物体必须在只受重力作用的情况下 机械能才守恒D 合外力对物体做功为零时 机械能一定守恒 答案 解析 1 2 3 4 解析做自由落体运动的物体 只受重力作用 机械能守恒 A正确 人乘电梯加速上升的过程 电梯对人的支持力做功 故人的机械能不守恒 B错误 物体只有重力做功时 其他力也可存在 当它们不做功或做功之和为0 机械能也守恒 故C错误 合外力对物体做功为零 物体的动能不变 机械能不一定守恒 D错误 1 2 3 4 2 机械能守恒定律的应用 以相同大小的初速度v0将物体从同一水平面分别竖直上抛 斜上抛 沿光滑斜面 足够长 上滑 如图11所示 三种情况达到的最大高度分别为h1 h2和h3 不计空气阻力 则A h1 h2 h3B h1 h2 h3C h1 h3 h2D h1 h3 h2 答案 解析 1 2 3 4 图11 1 2 3 4 3 机械能守恒定律的应用 如图12所示 由距离地面h2 1m的高度处以v0 4m s的速度斜向上抛出质量为m 1kg的物体 当其上升的高度为h1 0 4m时到达最高点 最终落在水平地面上 现以过抛出点的水平面为零势能面 重力加速度g 10m s2 不计空气阻力 则A 物体在最大高度处的重力势能为14JB 物体在最大高度处的机械能为16JC 物体在地面处的机械能为8JD 物体在地面处的动能为8J 答案 图12 1 2 3 4 解析 解析物体在最高点时具有的重力势能Ep mgh1 1 10 0 4J 4J A错误 物体在最高点时具有的机械能等于刚抛出时的动能 即8J B错误 物体在下落过程中 机械能守恒 任意位置的机械能都等于8J C正确 物体落地