高考物理一轮复习 考点精讲 第13讲　机械能守恒定律（原卷版）

第13讲机械能守恒定律目录考点一机械能守恒的判断 1考点二机械能守恒定律的应用 1考点三多物体机械能守恒问题 3练出高分 6考点一机械能守恒的判断1．内容在只有重力或弹力做功的物体系统内，动能与势能可以相互转化，但机械能的总量保持不变．2．条件只有重力或弹力做功．3．判断方法(1)用定义判断：若物体动能、势能均不变，则机械能不变．若一个物体动能不变、重力势能变化，或重力势能不变、动能变化或动能和重力势能同时增加(减少)，其机械能一定变化．(2)用做功判断：若物体或系统只有重力(或弹簧的弹力)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：若物体或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，则物体或系统机械能守恒．(4)对多个物体组成的系统，除考虑外力是否只有重力做功外，还要考虑系统内力做功，如有滑动摩擦力做功时，因摩擦生热，系统机械能将有损失．（多选）如图所示，不考虑空气阻力的情况下，下列关于机械能是否守恒的判断正确的是（）A．甲图中，物体A将弹簧压缩的过程中，A机械能守恒 B．乙图中，物体B在大小等于摩擦力大小、方向沿斜面向下的拉力作用下，沿斜面下滑时，B机械能守恒 C．丙图中，A加速下落、B加速上升过程中，A、B系统机械能守恒 D．丁图中，系在轻绳一端的小球向下摆动时，小球的机械能守恒（多选）如图所示，劲度系数为k的轻质弹簧，一端系在竖直放置的半径为R的圆环顶点P，另一端系一质量为m的小球，小球穿在圆环上做无摩擦的运动。设开始时小球置于A点，弹簧处于自然状态，当小球运动到最低点时速率为v，对圆环恰好没有压力。下列分析中正确的是（）A．小球过B点时，弹簧的弹力为mg+mv2B．小球过B点时，弹簧的弹力为mg+mv2C．从A到B的过程中，小球的机械能守恒 D．从A到B的过程中，小球的机械能减少（多选）如图所示，在竖直平面内固定有两个很靠近的同心圆轨道，外圆光滑，内圆粗糙。一质量为m的小球从轨道的最低点以初速度v0向右运动，球的直径略小于两圆间距，球运动的轨道半径为R，不计空气阻力。设小球过最低点时重力势能为零，下列说法正确的是（）A．若小球运动到最高点时速度为0，则小球机械能一定不守恒 B．若经过足够长时间，小球最终的机械能可能为32mgRC．若使小球始终做完整的圆周运动，则v0一定不小于5gR D．若小球第一次运动到最高点时速度大小为0，则v0=考点二机械能守恒定律的应用机械能守恒的三种表达式1．守恒观点(1)表达式：Ek1＋Ep1＝Ek2＋Ep2或E1＝E2.(2)意义：系统初状态的机械能等于末状态的机械能．(3)注意：要先选取零势能参考平面，并且在整个过程中必须选取同一个零势能参考平面．2．转化观点(1)表达式：ΔEk＝－ΔEp.(2)意义：系统的机械能守恒时，系统增加(或减少)的动能等于系统减少(或增加)的势能．3．转移观点(1)表达式：ΔEA增＝ΔEB减．(2)意义：若系统由A、B两部分组成，当系统的机械能守恒时，则A部分机械能的增加量等于B部分机械能的减少量．（2023•西湖区校级模拟）如图所示是某科技小组制作的投石机的模型，轻杆AB可绕固定转轴OO′在竖直面内自由转动，A端凹槽内放置一小石块，B端固定配重，某次试验中，调整杆与竖直方向的夹角为θ后，由静止释放，杆在配重重力作用下转到竖直方向时，石块被水平抛出，打到正前方靶心上方6环处，不计所有阻力，若要正中靶心，可以采取的措施有（）A．减小石块的质量 B．增大角θ C．增大配重的质量 D．增大投石机到靶的距离（2023•重庆模拟）如图所示，半径为R的光滑半圆柱体固定在水平地面上，一可看作质点的小球从半圆柱面上由静止释放，释放点距地面的高度为H（H＜R），小球与半圆柱体分离时距地面的高度为h，则（）A．小球下降过程中加速度大小不变 B．小球落地时的最大速度为gR C．小球释放点与分离点满足2H＝3h D．小球沿柱面滑行的最大弧长为π如图所示，长度为l的轻杆上端连着一质量为m的小球A（可视为质点），杆的下端用铰链固接于水平面上的O点．置于同一水平面上的立方体B恰与A接触，立方体B的质量为M．今有微小扰动，使杆向右倾倒，各处摩擦均不计，而A与B刚脱离接触的瞬间，杆与地面夹角恰为30°，重力加速度为g，则下列说法正确的是（）A．A落地时速率为2gl B．A、B质量之比为1：2 C．A与B刚脱离接触的瞬间，B的速率为gl8D．A与B刚脱离接触的瞬间，A、B速率之比为1：2（2023•浙江模拟）2022年2月15日，苏翊鸣在北京冬奥会单板滑雪男子大跳台比赛中夺得冠军，成为首位赢得冬奥会单板滑雪金牌的中国运动员。大跳台主要由助滑道，起跳台和着陆坡组成，如图所示，运动员在助滑道下滑后在起跳台起跳，在空中做抛体运动后落在着陆坡上。某次比赛苏翊鸣在距离起跳点34m高处从静止下滑，在空中最高点时距起跳点12.8m，在空中飞跃的总时间为4s，已知起跳台斜面倾角为37°，苏翊鸣的质量为70kg，不考虑空气阻力，g取10m/s2，以下说法正确的是（）A．起跳速度为16m/s B．在最高点速度为0 C．下滑过程机械能守恒 D．从下滑到着陆重力做功35000J（多选）（2023•潍坊一模）如图所示，一光滑斜面体固定在水平面上，其矩形斜面abcd与水平面的夹角为θ，ab边长为L。将质量为m的小球从斜面上的点a以某一速度沿斜面斜向上抛出，速度方向与ab夹角为α，小球运动到斜面的c点并沿dc方向飞出，一段时间后落地，已知重力加速度大小为g，不计空气阻力，则（）A．小球从a到c的运动时间为LsinαgsinθcosαB．小球从a到c重力势能增加12C．小球触地时速度大小为gLsinθsinαcosαD．小球触地时重力的瞬时功率为mg（2023•海淀区一模）图1中过山车可抽象为图2所示模型：弧形轨道下端与半径为R的竖直圆轨道平滑相接，B点和C点分别为圆轨道的最低点和最高点。质量为m的小球（可视为质点）从弧形轨道上距B点高4R的A点静止释放，先后经过B点和C点，而后沿圆轨道滑下。忽略一切摩擦，已知重力加速度g。（1）求小球通过B点时的速度大小vB。（2）求小球通过C点时，轨道对小球作用力的大小F和方向。（3）请分析比较小球通过B点和C点时加速度的大小关系。（2023•南昌一模）早期航母使用重力型阻拦索使飞机在短距离内停下，如图甲所示，阻拦索通过固定于航母甲板两侧的滑轮分别挂有质量为m＝500kg的沙袋。在无风环境下，一螺旋桨式飞机以v0的速度降落到该静止的航母上，尾钩立即钩到阻拦索的中间位置，滑行一段距离后速度减为零，这一过程沙袋被提起的高度h1＝20m。螺旋桨式舰载机（含飞行员）质量M＝500kg，忽略飞机所受甲板摩擦力以及空气阻力，重力加速度g＝10m/s2。求：（1）螺旋桨式飞机降落到航母上的速度v0的大小？（2）如图乙所示，阻拦索在甲板上的长度为l＝15m，当θ＝30°时，舰载机的速度大小？考点三多物体机械能守恒问题（2023•湖南模拟）如图所示，一辆四分之一圆弧小车停在不光滑水平地面上，质量为m的小球从静止开始由车顶无摩擦滑下，且小车始终保持静止状态，设小球的球心与O点的连线与竖直方向的夹角为θ，则地面对小车的静摩擦力的最大值为（）A．32mg B．54mg C．如图所示，一条轻绳跨过定滑轮，绳的两端各系一个小球a和b，用手托住球b，当绳刚好被拉紧时，球b离地面的高度为h，球a静止于地面。已知球a的质量为m，球b的质量为3m，重力加速度为g，定滑轮的质量及轮与轴间的摩擦均不计。若无初速度释放球b，则下列判断正确的是（）A．在球b下落过程中，绳子的拉力大小为52B．在球b下落过程中，球b的机械能减小3mgh C．在球b下落过程中，球a的机械能增加32D．在球b下落过程中，绳对球a拉力冲量大小为3mg（2022•唐山二模）如图所示，套在光滑竖直杆上的物体A，通过轻质细绳与光滑水平面上的物体B相连接，A、B质量相同。现将A从与B等高处由静止释放，不计一切摩擦，重力加速度取g，当细绳与竖直杆间的夹角为θ＝60°时，A下落的高度为h，此时物体B的速度为（）A．25gℎ B．45gℎ C．（2022•卢氏县模拟）一长为L、质量可不计的刚性的硬杆，左端通过铰链固定于O点，中点及右端分别固定质量为m和质量为2m的小球，两球与杆可在竖直平面内绕O点无摩擦地转动。开始时使杆处于水平状态并由静止释放，如图所示。当杆下落到竖直位置时，在杆中点的球的速率为（）A．59gL B．35gL C．如图所示，A、B两小球由绕过轻质定滑轮的细线相连，A放在固定的光滑斜面上，B、C两小球在竖直方向上通过劲度系数为k的轻质弹簧相连，C放在水平地面上。现用手控制住A，并使细线刚刚拉直但无拉力作用，同时保证滑轮左侧细线竖直、右侧细线与斜面平行。已知A的质量为4m，B、C的质量均为m，重力加速度为g，细线与滑轮之间的摩擦不计。开始时整个系统处于静止状态；释放A后，A沿斜面下滑至速度最大时，C恰好离开地面，在此过程中，求：（1）斜面的倾角α；（2）弹簧恢复原长时，细线中的拉力大小F0；（3）A沿斜面下滑的速度最大值vm。（2022•海淀区校级三模）在一次表演中某同学用他的拳头向下打断了一块木板。如图，拳头的质量为m1，木板的质量为m2。木板向下偏离距离d时木板将折断。木板向下弯曲至木板折断时，其弹性可视为劲度系数为k的弹簧。为了简化问题的研究，假设碰撞是指包括拳头和木板的瞬间作用，碰撞后拳头随木板的弯曲一起向下运动，直到木板折断。碰撞后拳头、木板、地球组成的系统，机械能是守恒的。（1）画出木板折断前，弹力F的大小随木板向下偏离距离x的图像，并据此证明，折断前木板的弹性势能：Ep（2）拳头和木板向下运动所对应的重力势能变化可忽略不计。求，①使木板折断所需要拳头的最小速率v。②若将图中的木板换为水泥板，并用①的速率对其打击，水泥板向下偏移的距离为110（2022•虹口区模拟）如图所示，轻质细绳的一端系一质量为m＝0.05kg的小球A，另一端套在光滑水平轴O上，O到小球的距离l＝0.1m，小球与水平面接触但恰好无作用力，在球的两侧距球等远处，分别固定一个光滑斜面和挡板，水平面的长度L＝2m。水平面左边L2光滑，右边L2粗糙，B与粗糙水平面间的动摩擦因数μ＝0.25。现有一滑块B，质量也为m，从斜面上滑下，滑块与小球A碰撞并进行速度交换，与挡板碰撞时不损失机械能，不计空气阻力，滑块和小球都可视为质点。现在要使小球恰好完成一次完整的圆周运动。g取10m/s（1）小球在最低点需要获得多大速度；（2）滑块B要从斜面多高处滑下；（3）分析简述B与A碰撞后的运动过程。练出高分一．选择题（共10小题）1．（2023•通州区一模）为了节省能源，某商场安装了智能化的电动扶梯。无人乘行时，扶梯运转得很慢；有人站上扶梯时，它会先慢慢加速，再匀速运转。一顾客乘扶梯上楼，恰好经历了这两个过程，如图所示。下列说法中正确的是（）A．顾客仅在加速过程受摩擦力的作用 B．顾客所受的摩擦力大小与扶梯的加速度大小无关 C．乘扶梯匀速上楼的过程中，顾客的机械能保持不变 D．扶梯对顾客作用力的方向先与速度方向相同，再竖直向上2．（2022•虹口区二模）小明乘坐摩天轮，由最低点A匀速转动到最高点B的过程中（）A．动能转化为势能，机械能增大 B．动能转化为势能，机械能不变 C．动能不变，势能增大，机械能增大 D．动能、势能、机械能均保持不变3．如图所示，A、B、C三个一样的滑块从粗糙斜面上的同一高度同时开始运动，A由静止释放，B的初速度方向沿斜面向下，大小为v0，C的初速度方向沿斜面水平，大小也为v0．下列说法中正确的是（）A．A和C将同时滑到斜面底端 B．滑到斜面底端时，B的机械能减少最多 C．滑到斜面底端时，B的动能最大 D．C的重力势能减少最多4．从1970年4月24日发射第一颗人造地球卫星“东方红一号”到今天，我国的航天事业取得了举世瞩目的伟大成就。“东方红一号”至今仍运行在近地点430km、远地点2075km的椭圆轨道上，而目前运行在距地面高度约400km的圆轨道上的“天宫空间站”预计今年建成。关于“东方红一号”和“天宫空间站”，下列说法正确的是（）A．“东方红一号”由远地点向近地点运行的过程中，机械能逐渐增大 B．“天宫空间站”中的航天员不受地球的引力作用 C．“天宫空间站”运行的加速度小于“东方红一号”在近地点的加速度 D．绕地球一周，“东方红一号”比“天宫空间站”所用时间长5．（2023•怀仁市模拟）如图所示，可绕固定转轴O在竖直平面内无摩擦转动的刚性轻质支架两端分别固定质量为5m、6m的小球A、B，支架两条边的长度均为L，用手将B球托起至与转轴O等高，此时连接A球的细杆与竖直方向的夹角为θ，sinθ＝0.6，重力加速度大小为g，现突然松手，两小球在摆动的过程中，下列说法正确的是（）A．A球与转轴O等高时的动能为311B．B球下降的最大高度为L C．A球的最大动能为611D．B球的最大动能为66．（2023•浙江模拟）姚明是NBA中我国优秀的篮球运动员。在某次比赛罚球中，第一次出手，篮球的初速度方向与竖直方向的夹角α＝60°；第二次出手，篮球的初速度方向与竖直方向的夹角β＝30°；两次出手的位置在同一竖直线上，结果两次篮球正好垂直撞击到篮板同一位置C点。不计空气阻力，则从篮球出手到运动到点C的过程中，下列说法正确的是（）A．两球的初动能相等 B．前后两次上升的最大高度的比值为1：9 C．在C点时，两球的机械能相等 D．前后两次运动时间的比值为3：17．（2023•金山区二模）如图为小球和轻弹簧组成的系统，系统沿光滑斜面由静止开始下滑瞬间的势能为Ep1，弹簧刚接触到斜面底端挡板时系统势能为Ep2，小球运动到最低点时系统势能为Ep3。则（）A．Ep1＝Ep3，小球在最低点时系统势能最大 B．Ep2＝Ep3，小球在最低点时系统势能最大 C．Ep1＝Ep3，小球加速度为零时系统势能最大 D．Ep2＝Ep3，小球加速度为零时系统势能最大8．（2023•临泉县校级三模）一款儿童棒球发球机向上发射棒球供初学者练习。假设发球机（高度不计）在地面上以初速度v0竖直向上发射一棒球（可视为质点），棒球途经A点时速度方向向上、速度大小为v，不计空气阻力，取地面为重力势能的零势能面。当棒球的发射速度变为2v0时，以下说法正确的是（）A．棒球上升的最大高度变为原来的2倍 B．棒球在最高点的机械能变为原来的2倍 C．棒球上升过程的时间变为原来的2倍 D．棒球经过A点的速度大小变为2v9．（2023•吉林模拟）如图所示，半径可以改变的光滑半圆形轨道竖直固定放置，小球自轨道端点P由静止开始滑下，经过最低点Q。若轨道半径越大，则（）A．小球经过最低点Q时的速率保持不变 B．小球经过最低点Q时的向心加速度保持不变 C．小球经过最低点Q时受到轨道的支持力越大 D．小球经过最低点Q时重力的瞬时功率越大10．（2022•林州市模拟）如图所示，从高为h的斜面体ABC的顶点A抛出一个质量为m的小球（视为质点），落在底端B点，已知接触B点前的瞬间小球的动能为Ek，取BC所在水平面为零势能参考平面，不计空气阻力，重力加速度为g，则小球被抛出时的速度大小为（）A．2(Ek−mgℎ)mC．2(Ek+二．计算题（共3小题）11．（2022•天津模拟）简谐运动是一种常见且重要的运动形式。它是质量为m的物体在受到形如F＝﹣kx的回复力作用下，物体的位移x与时间t遵循x＝Asinω