专题23 机械能守恒定律（教师版）

专题23机械能守恒定律（解析版）注：【分层调研·提分要点】所选的例题变式和练习都是最新的高考真题和2024年全国各地的模拟试题，【真题再现·洞悉高考】选自最近3年的全国个点的高考真题。【分层检测·能力拔高】选择2024年全国各地的模拟试题，题量适中，便于学生自测专用。页面页边距为适中，行距为1.2倍行距，格式图片调整合理、解析紧凑。不需要再调动格式，节约用纸，可直接打印使用。原卷含有pdf版，避免动版。部分公式浏览时，显示乱码，下载后是正常的，请放心下载。目录TOC\o"1-3"\h\u2297201思维导图·成竹在胸02知识梳理·复习重点知识点1：重力势能 2知识点2：弹性势能的表达 2知识点3：机械能守恒定律 303分层调研·提分要点考向1机械能守恒定律的理解与判断 3角度1：判断系统机械能是否守恒 4角度2：利用机械能守恒定律解决简单问题 5考向2机械能守恒定律及应用 7角度1：机械能与曲线运动的结合问题 7角度2：用杆连接的系统机械能守恒问题 10角度3：用绳连接的系统机械能守恒问题 12角度4：弹簧类问题机械能转化问题 1504真题再现·东西高考05分层检测·能力拔高基础过关 21提升练习 28知识点1：重力势能1.重力做功的特点（1）重力做功与路径无关，只与始末位置的高度差有关；（2）重力做功不引起物体机械能的变化．2．重力势能（1）表达式：Ep＝mgh.（2）重力势能的特点①矢标性：重力势能是标量，有正负，其正负表示大小；②相对性：重力势能具有相对性，在计算重力势能之前必须选择参考面，参考面的选择是任意的，通常以地面作为参考面；③系统性：重力势能是物体和地球所共有的，不是物体单独所有。如果没有地球对物体的吸引，就谈不上重力做功和重力势能了。3．重力做功与重力势能变化的关系（1）定性关系：重力对物体做正功，重力势能减小；重力对物体做负功，重力势能增大；（2）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＝－（Ep2－Ep1）＝－ΔEp.知识点2：弹性势能的表达1．弹性势能（1）定义：发生弹性形变的物体之间，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，弹性势能减小；弹力做负功，弹性势能增加．即W＝－ΔEp=Ep1-Ep2.（3）表达式①“化变力为恒力”求弹力做功：W总=F1△x1+F2△x2+F3△x3+F4△x4+……②利用F-x图像：图像与x轴所围成面积的数值就是弹力做的功；③表达式（以弹簧原长为零势点）：（x指弹簧的形变量）知识点3：机械能守恒定律1.机械能：动能、重力势能和弹性势能统称机械能；机械能是标量，只有大小，没有方向，但有正负，其正负表示大小；机械能具有相对性，只有参考系和参考面确定后，机械能的研究才有意义；机械能是状态量，对应着某一时刻或某一位置；2.机械能守恒定律内容：在只有重力（不考虑空气阻力的各种抛体运动）或弹力做功的物体系统内，动能和势能可以相互转换，总的机械能保持不变；机械能守恒的条件①只有重力或系统内弹力做功，物体的机械能守恒；②除重力和系统内弹力外，物体受到的其他力不做功或其他力做功代数和为零；3.机械能守恒的三种表达式表达式表达意义守恒观点系统内初末状态机械能总和相等转化观点系统（或物体）机械能守恒时，系统减少（或增加）的动能等于系统减少（或增加）的动能转移观点在A、B组成的系统中，A机械能的增加量等于B机械能的减少量4．机械能守恒判断的三种方法定义法利用机械能的定义直接判断，分析物体或系统的动能和势能的和是否变化，若不变，则机械能守恒做功法若物体或系统只有重力或系统内弹力做功，或有其他力做功，但其他力做功的代数和为零，则机械能守恒转化法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能的转化，则机械能守恒考向1机械能守恒定律的理解与判断1．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（直接判断）：分析动能和势能的和是否变化．（2）用做功判断：若物体或系统只有重力（或弹簧的弹力）做功，或有其他力做功，但其他力做功的代数和为零，则机械能守恒．（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．2.应用机械能守恒定律的几点说明（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．角度1：判断系统机械能是否守恒【典例1】（2024·重庆·高考真题）2024年5月3日，嫦娥六号探测成功发射，开启月球背面采样之旅，探测器的着陆器上升器组合体着陆月球要经过减速、悬停、自由下落等阶段。则组合体着陆月球的过程中（

）A．减速阶段所受合外力为0 B．悬停阶段不受力C．自由下落阶段机械能守恒 D．自由下落阶段加速度大小g=9.8m/s2【答案】C【详解】A．组合体在减速阶段有加速度，合外力不为零，故A错误；B．组合体在悬停阶段速度为零，处于平衡状态，合力为零，仍受重力和升力，故B错误；C．组合体在自由下落阶段只受重力，机械能守恒，故C正确；D．月球表面重力加速度不为9.8m/s2，故D错误。故选C。【变式1-1】（2023·北京丰台·一模）直升机悬停在空中，由静止开始投放装有物资的箱子，箱子下落时所受的空气阻力与箱子下落的速度成正比，下落过程中箱子始终保持图示状态。下列说法正确的是（）A．箱子接近地面时，箱内物体受到的支持力比刚释放时大B．下落过程中箱内物体的加速度逐渐增大C．下落过程中箱内物体的机械能增大D．如下落距离足够大时，箱内物体可能不受箱子底部的支持力作用【答案】A【详解】B．设箱子的质量为，物体的质量为，箱子受到的空气阻力为，根据牛顿第二定律可知下落过程中整体的加速度为，可知随着速度的增大，加速度逐渐减小，故B错误；A．以箱内物体为对象，根据牛顿第二定律可知随着加速度的减小，物体受到的支持力在逐渐增大，所以箱子接近地面时，箱内物体受到的支持力比刚释放时大，故A正确；C．由于物体受到向上的支持力，且支持力对物体做负功，所以下落过程中箱内物体的机械能减小，故C错误；D．整体向下做加速度减小的加速运动，物体受到的支持力一直在增大，当加速度为零时，整体开始做匀速运动，此时箱内物体受箱子底部的支持力与物体重力相等，所以最后不会出现支持力为零的情况，故D错误。故选A。【变式1-2】（2024·江苏镇江·模拟预测）如图，A、B两物体的质量之比为，它们原来静止在平板车C上，A、B两物体间有一根被压缩了的水平轻质弹簧，A、B两物体与平板车上表面间的动摩擦因数相同，水平地面光滑。当弹簧突然释放后，A、B两物体被弹开（A、B两物体始终不滑出平板车），则有（）A．A、B系统动量守恒 B．A、B、C及弹簧整个系统机械能守恒C．A、B在小车C上滑动过程中小车一直处于静止D．A、B、C组成的系统动量守恒【答案】D【详解】A．在弹簧释放的过程中，因，由摩擦力公式可知A、B两物体所受的摩擦力大小不相等，故A、B两物体组成的系统合外力不为零，A、B两物体组成的系统动量不守恒，故A错误；BC．A物体对小车向左的滑动摩擦力小于B对小车向右的滑动摩擦力，在A、B两物体相对小车停止运动之前，小车所受的合外力向右，小车将向右运动，因存在摩擦力做负功，最终整个系统将静止，则系统的机械能减为零，不守恒，故BC错误；D．A、B、C组成的系统所受合外力为零，系统的动量守恒，故D正确。故选D。角度2：利用机械能守恒定律解决简单问题【典例2】（多选）（2024·江西上饶·模拟预测）如图所示，将一个小球先后两次从地面上的A点斜向右上抛出，两次小球均落在B点，以地面为零势能面，两次小球运动到最高点时高度不同，但机械能相等，第一次抛出时初速度与水平方向的夹角为30°，不计小球大小，不计空气阻力，则下列判断正确的是（）A．先后两次抛出的初速度大小之比为1∶1 B．先后两次抛出的初速度大小之比为C．先后两次小球在空中运动时间之比为1∶1 D．先后两次小球在空中运动时间之比为【答案】AD【详解】AB．由于两次小球在最高点机械能相等，则抛出时机械能相等，即抛出时初速度大小相等，故A正确，B错误；CD．设第二次抛出时，初速度与水平方向的夹角为，根据题意有解得则先后两次小球在空中运动的时间之比为，故C错误，D正确。故选AD。【变式2-1】（2024·广东梅州·模拟预测）篮球运动是深受学生热爱的一项体育运动。某同学练习投篮，篮球在空中的运动轨迹如图中虚线所示。若不计空气阻力，下列关于篮球在空中运动时的速度大小v，加速度大小a，动能和机械能E随运动时间t的变化关系中，可能正确的是（  ）A．B．C．D．【答案】C【详解】A．运动过程中，竖直方向做匀变速直线运动，水平方向做匀速直线运动，则其合速度一定不会是均匀变化的，故A错误；B．运动过程中，只有重力作用，加速度一直为重力加速度，故B错误；C．竖直方向做匀变速直线运动，有其运动过程中，只有重力作用，则某时刻的动能其中为初动能，为初始竖直方向速度，由此可知，图线应是开口向上的抛物线，故C正确；D．运动过程中，只有重力作用，机械能不变，故D错误。故选C。【变式2-2】（2024·黑龙江哈尔滨·模拟预测）如图所示是体育课上某同学水平抛出铅球的示意图，不考虑空气阻力，选地面作为零势能面，用h表示铅球离地面的高度，E、Ep、Ek分别表示铅球的机械能、重力势能和动能，则铅球下落过程中，下列图像可能正确的是（）A．B．C．D．【答案】C【详解】A．不考虑空气阻力，抛出后的铅球机械能守恒，故A错误；BC．铅球的重力势能为，故B错误，C正确；D．设抛出时铅球的动能为，距地面的高度为，根据机械能守恒得可得，可得，故D错误。故选C。考向2机械能守恒定律及应用1．三种表达式的选择如果系统（除地球外）只有一个物体，用守恒观点列方程较方便；对于由两个或两个以上物体组成的系统，用转化或转移的观点列方程较简便．2．应用机械能守恒定律解题的一般步骤（1）选取研究对象eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(单个物体,多个物体组成的系统,含弹簧的系统))（2）分析受力情况和各力做功情况，确定是否符合机械能守恒条件．（3）确定初末状态的机械能或运动过程中物体机械能的转化情况．（4）选择合适的表达式列出方程，进行求解．（5）对计算结果进行必要的讨论和说明．3.应用机械能守恒定律解题的注意事项（1）应用机械能守恒定律解题时，要正确选择系统和过程．（2）对于通过绳或杆连接的多个物体组成的系统，注意找物体间的速度关系和高度变化关系．（3）链条、液柱类不能看做质点的物体，要按重心位置确定高度．角度1：机械能与曲线运动的结合问题【典例3】（2024·海南·高考真题）某游乐项目装置简化如图，A为固定在地面上的光滑圆弧形滑梯，半径，滑梯顶点a与滑梯末端b的高度，静止在光滑水平面上的滑板B，紧靠滑梯的末端，并与其水平相切，滑板质量，一质量为的游客，从a点由静止开始下滑，在b点滑上滑板，当滑板右端运动到与其上表面等高平台的边缘时，游客恰好滑上平台，并在平台上滑行停下。游客视为质点，其与滑板及平台表面之间的动摩擦系数均为，忽略空气阻力，重力加速度，求：（1）游客滑到b点时对滑梯的压力的大小；（2）滑板的长度L【答案】（1）；（2）【详解】（1）设游客滑到b点时速度为，从a到b过程，根据机械能守恒解得在b点根据牛顿第二定律解得根据牛顿第三定律得游客滑到b点时对滑梯的压力的大小为（2）设游客恰好滑上平台时的速度为，在平台上运动过程由动能定理得，解得根据题意当滑板右端运动到与其上表面等高平台的边缘时，游客恰好滑上平台，可知该过程游客一直做减速运动，滑板一直做加速运动，设加速度大小分别为和，得，根据运动学规律对游客，解得该段时间内游客的位移为滑板的位移为根据位移关系得滑板的长度为【变式3-1】（2024·广东深圳·二模）红岭未来工程师团队设计了如图所示的游戏装置：水平直轨道AC、倾斜直轨道CD、圆弧轨道DBE、水平直轨道EF依次平滑连接，D、E两点是直轨道与圆弧轨道的切点，P为两直轨道交错点。倾斜直轨道CD的倾角为、CP=1.0m；圆弧轨道DBE的半径R=10cm。与AC同一平面水平放置一个靶环，环间距为d=10cm，10环的半径r=10cm，靶心与轨道在同一个竖直面内且距轨道末端F的水平距离为x=1m。游戏时，在水平轨道AC上，给小球一个初动能，使小球沿轨道运动最终落在靶环上，获得相应分数。小球质量m=20g，可看成质点，所有摩擦阻力均不计，g=10m/s2。求：(1)刚好能通过B点获得分数时，小球在圆环最高点B的速率和在最低点E的速率；(2)正中靶心时，小球的初动能Ek0；(3)获得分数大于4分时，小球的初动能。【答案】(1)1m/s，(2)(3)【详解】（1）小球做圆周运动恰能通过最高点，则有，解得小球做圆周运动从最低点E到最高点B过程，根据机械能守恒有，解得（2）小球飞离轨道做平抛运动，在竖直方向上有，解得在水平方向上有，解得根据机械能守恒得，小球的初动能为（3）分数大于4分，若落到靶环中心右侧，根据几何关系有根据，解得根据机械能守恒得，小球的动能为若落到靶环中心左侧，根据几何关系有根据，解得，故无法通过轨道最高点，无法到达4分；当时，水平位移为分数大于4分，则根据机械能守恒得，小球的动能为故分数大于分，则小球的动能为【变式3-2】（2024·河南信阳·一模）如图所示，轻质的粗转轴上沿直径固定两根轻杆，轻杆上固定两个小球A、B，转轴的半径和杆的长度均为R，在粗转轴上缠绕有轻绳，轻绳下端与小球C相连，A、B、C三球质量相同，且都可看做质点。初始时系统处于静止，忽略一切摩擦，且A、B两球在水平线上，轻绳伸直但无拉力，现释放小球C使其从静止开始下落，下列说法正确的是（）A．A、B两球组成系统的机械能不变B．A球第一次转到最高点过程中轻杆对A球不做功C．C球下落高度为R时，A球的速度大小为D．C球下落高度为R时，C球的速度大小为【答案】D【详解】A．释放小球C使其从静止开始下落，绳的拉力对小球C做负功，小球的机械能减小，A、B、C构成的系统机械能守恒，则A、B两球组成系统的机械能增大，故A错误；B．释放小球C使其从静止开始下落，小球A第一次转到最高点过程中，小球的重力势能与动能均增大，即小球A的机械能增大，可知，A球第一次转到最高点过程中轻杆对A球做正功，故B错误；CD．C球下落高度为R时，A、B两球速度大小、角速度均相等，根据线速度与角速度的关系有根据三个小球构成系统的机械能守恒有，解得，故C错误，D正确。故选D。角度2：用杆连接的系统机械能守恒问题【典例4】（2024·安徽·模拟预测）质量均为m的光滑小球A，B分别固定在轻杆两端，如图所示。轻杆竖直立在水平面上并靠在竖直墙面右侧处于静止状态。由于轻微扰动，A球开始沿水平面向右滑动，B球随之下降，此过程中两球始终在同一竖直平面内。已知轻杆的长度为l，重力加速度大小为g。（1）小球A动能最大时，水平面的压力；（2）求小球A的最大速度及竖直墙面对小球B的冲量；（3）求小球A、B在运动过程中的最大动能。

【答案】（1）；（2）；（3）【详解】（1）小球A动能最大时，其加速度为零，即杆对A球的作用力为零。所以A对水平面的压力（2）假设小球B能一直沿着墙面向下运动，设轻杆与水平方向的夹角为时，两小球的速度大小分别为、，则有，解得A球的最大速度为A球速度达到最大后，B球将离开竖直墙面。从B球开始运动到离开墙面的过程，对A、B球系统，根据动量定理可得，竖直墙面对小球B的冲量（3）由上问可知，A球的最大动能为当B球与竖直墙面分离后，两球在水平方向动量守恒，设B球着地时A球的速度大小为，且两球水平速度相等，则有，解得即B球着地时A球的动能为B球落地时其动能最大，由A、B系统机械能守恒可知，【变式4-1】（2024·重庆·模拟预测）如图所示，两端分别固定有小球A、B（均视为质点）的轻杆竖直立在水平面上并靠在竖直墙面右侧处于静止状态。由于轻微扰动，A球开始沿水平面向右滑动，B球随之下降，在B球即将落地的过程中两球始终在同一竖直平面内。已知轻杆的长度为l，两球的质量均为m，重力加速度大小为g，不计一切摩擦，下列说法正确的是（）A．A球动能最大时对水平面的压力大小等于2mg B．竖直墙面对B球的冲量大小为C．轻杆对A球先做正功后做负功 D．A球的最大动能为【答案】C【详解】AD．假设小球B能一直沿着墙面向下运动，设轻杆与水平方向的夹角为θ时，两小球的速度大小分别为、，根据关联速度知识，两小球沿杆方向速度相等，可得解得由根据机械能守恒，则有运用数学知识，整理可得当，取等号，说明小球A的动能先增大后减小，即杆中先存在挤压的内力，之后出现拉伸的内力，当杆中内力为0时，A球的动能最大，最大动能为，此时对水平面的压力大小等于mg，AD错误；B．当杆中存在挤压的内力，此时墙壁对B球有冲量，又由于在B球脱离竖直墙面前B球水平方向速度始终为零，所以竖直墙面对B球的冲量大小等于杆对B球在水平方向的冲量大小，进一步可知竖直墙面对B球的冲量大小等于杆对A球在水平方向的冲量大小，该过程就是A球获得最大动量过程，由动量定理，可知，B错误；C．因为杆中先存在挤压的内力，之后出现拉伸的内力，所以轻杆对A球先做正功后做负功，C正确。故选C。【变式4-2】（2024·青海·模拟预测）如图所示，顶角P为53°的光滑“”形硬杆固定在竖直平面内，质量均为m的小球甲、乙（均视为质点）用长度为L的轻质硬杆连接，分别套在“”形硬杆的倾斜和水平部分，当轻质硬杆呈竖直状态时甲静止在A点，乙静止在C点。甲由于受到轻微的扰动开始运动，当甲运动到B点时，轻质硬杆与“”形硬杆的倾斜部分垂直，重力加速度大小为g，则甲在B点的速度大小为（）A．B． C． D．【答案】B【详解】由于甲在B位置时，轻质硬杆与AP倾斜部分垂直，根据牵连速度的分解规律可知，甲沿轻质硬杆的分速度为0，即此时乙的速度为0，甲小球减小的重力势能转化为甲的动能，则有解得，故选B。角度3：用绳连接的系统机械能守恒问题【典例5】（2024·广东·模拟预测）如图所示，带孔物块A穿在竖直固定的细杆上，不可伸长的轻质柔软细绳一端连接物块A，另一端跨过轻质定滑轮连接物块B，用手将物块A向上移动到与定滑轮等高处由静止释放后，两物块开始在竖直方向上做往复运动。已知物块A的质量为m，物块B的质量为2m，定滑轮到细杆的距离为L，细绳的长度为2L，重力加速度大小为g，忽略一切阻力，定滑轮大小不计，两物块均可视为质点，求：(1)物块A下降的最大高度h；(2)物块A、B处于同一高度时物块B的动能EkB；(3)物块A、B的总动能最大时物块A的动能EkA。【答案】(1) (2) (3)【详解】（1）释放瞬间系统总动能为零，物块A下降到最低点时，系统总动能又为零，因此物块A减少的重力势能等于物块B增加的重力势能，有，解得（2）设物块A、B处于同一高度时定滑轮左侧细绳与水平方向所成的角为β，物块B的速度大小为vB，根据几何关系有根据机械能守恒定律，解得（3）设定滑轮左侧细绳与水平方向所成的角为θ时，物块A的速度大小为vA，物块A的动能为，则有令，显然k为第一象限内单位圆上的点与定点（0，2）连线的斜率，如图所示易得k的最大值为，此时，解得【变式5-1】（多选）（2024·河北·模拟预测）轻质动滑轮下方悬挂重物A，轻线跨过轻质定滑轮下方悬挂重物B，悬挂滑轮的轻质细线竖直。开始时，重物A、B处于静止状态，释放后A、B开始运动。已知A、B的质量相等，假设摩擦阻力和空气阻力均忽略不计，重力加速度为g，下列说法正确的是（）A．A向下运动，B向上运动B．B物体速度大小是A物体速度大小的两倍C．悬挂A的细线与悬挂定滑轮的细线拉力大小均为D．A物体位移大小为h时，B物体的速度大小为【答案】BC【详解】AB．A连接动滑轮，释放前瞬间两侧绳子总拉力为B重力的两倍，速度为B的一半，A向上运动，故A错误，B正确；C．由，解得悬挂B细线拉力为悬挂A和定滑轮的细线拉力为故C正确；D．A上升h高度时，B重物下落2h高度时，由机械能守恒定律得，解得，故D错误。故选BC。【变式5-2】（多选）（2024·辽宁大连·模拟预测）如图所示，质量为的物体P套在固定的光滑水平杆上。轻绳跨过光滑的滑轮和，一端与物体P相连，另一端与质量为的物体Q相连。用手托住物体Q使整个系统处于静止状态，此时轻绳刚好拉直，且，，，重力加速度为。现释放物体Q，让二者开始运动，下列说法正确的是（

）A．开始运动后，当物体P速度最大时，物体Q速度最小B．在物体P从A滑到B的过程中，P的速度增加，Q的速度减小C．在物体P从A滑到B的过程中，P的机械能减少，Q的机械能增加D．物体P运动的最大速度为【答案】AD【详解】B．P从A点到B点的过程中，绳的拉力做正功，速度增加，P做加速运动；Q从静止开始先做加速运动，当P运动到B点时Q的速度等于零，说明Q后来又做减速运动，所以Q先加速后减速，B错误；A．由上述分析可知，当物体P运动到B点时速度最大，物体Q速度最小等于零，A正确；C．在物体P从A滑到B的过程中，绳的拉力对P做正功，P做加速运动，P的机械能增加、因为系统机械能守恒，则Q的机械能减少，C错误；D．当P运动到B点时Q的速度等于零，系统机械能守恒，由机械能守恒定律得解得，D正确。故选AD。角度4：弹簧类问题机械能转化问题【典例6】（2024·山东·高考真题）如图所示，质量均为m的甲、乙两同学，分别坐在水平放置的轻木板上，木板通过一根原长为l的轻质弹性绳连接，连接点等高且间距为d（d<l）。两木板与地面间动摩擦因数均为μ，弹性绳劲度系数为k，被拉伸时弹性势能E=kx2（x为绳的伸长量）。现用水平力F缓慢拉动乙所坐木板，直至甲所坐木板刚要离开原位置，此过程中两人与所坐木板保持相对静止，k保持不变，最大静摩擦力等于滑动摩擦力，重力加速度大小为g，则F所做的功等于（）A． B．C． D．【答案】B【详解】当甲所坐木板刚要离开原位置时，对甲及其所坐木板整体有解得弹性绳的伸长量则此时弹性绳的弹性势能为从开始拉动乙所坐木板到甲所坐木板刚要离开原位置的过程，乙所坐木板的位移为则由功能关系可知该过程F所做的功故选B。【变式6-1】（2024·全国·模拟预测）如图所示，质量分别为m、的小物块A和B通过劲度系数为k的轻弹簧相连接，竖直静止在水平地面上．若给小物块A一竖直方向的瞬时速度，随后小物块B恰好能离开地面，弹簧始终处于弹性限度内．重力加速度为g，弹簧的弹性势能（x为弹簧的形变量），则小物块A获得初速度大小为（）。A． B． C． D．【答案】A【详解】初始小物块A静止时，则有小物块B恰好能离开地面，则有两小物块与弹簧构建的系统机械能守恒，有联立解得故选A。【变式6-2】（多选）（2024·四川绵阳·模拟预测）如图所示，倾角为θ的光滑斜面固定在水平地面上，轻质弹簧一端连接质量为m的物块，另一端连接垂直于斜面的挡板。物块自由静止在A点，弹簧形变量为x1，现给物块施加一大小恒定、方向平行于斜面向下的外力，运动到B点时，物块加速度为零，立即撤去该外力，物块压缩弹簧到最低点C（图中未画出）。设A、B间距离为，B、C间距离为，已知。重力加速度为g，弹簧始终在弹性限度内。则（）A．外力大小为mgsinθ B．外力大小为2mgsinθC． D．【答案】AD【详解】AB．在A点根据平衡条件，有在施加恒力后，运动到B点时，物块加速度为零，则有又因，联立解得，故A正确，B错误；CD．从A到C根据能量守恒，有联立以上可得，故D正确，C错误。故选AD。1．（2024·北京·高考真题）如图所示，光滑水平轨道AB与竖直面内的光滑半圆形轨道BC在B点平滑连接。一小物体将轻弹簧压缩至A点后由静止释放，物体脱离弹簧后进入半圆形轨道，恰好能够到达最高点C。下列说法正确的是（）A．物体在C点所受合力为零 B．物体在C点的速度为零C．物体在C点的向心加速度等于重力加速度D．物体在A点时弹簧的弹性势能等于物体在C点的动能【答案】C【详解】AB．物体恰好能到达最高点C，则物体在最高点只受重力，且重力全部用来提供向心力，设半圆轨道的半径为r，由牛顿第二定律得，解得物体在C点的速度，AB错误；C．由牛顿第二定律得，解得物体在C点的向心加速度，C正确；D．由能量守恒定律知，物体在A点时弹簧的弹性势能等于物体在C点时的动能和重力势能之和，D错误。故选C。2．（2024·全国·高考真题）如图，一光滑大圆环固定在竖直平面内，质量为m的小环套在大圆环上，小环从静止开始由大圆环顶端经Q点自由下滑至其底部，Q为竖直线与大圆环的切点。则小环下滑过程中对大圆环的作用力大小（）A．在Q点最大 B．在Q点最小 C．先减小后增大 D．先增大后减小【答案】C【详解】方法一（分析法）：设大圆环半径为，小环在大圆环上某处（点）与圆环的作用力恰好为零，如图所示设图中夹角为，从大圆环顶端到点过程，根据机械能守恒定律在点，根据牛顿第二定律，联立解得从大圆环顶端到点过程，小环速度较小，小环重力沿着大圆环圆心方向的分力大于小环所需的向心力，所以大圆环对小环的弹力背离圆心，不断减小，从点到最低点过程，小环速度变大，小环重力和大圆环对小环的弹力合力提供向心力，所以大圆环对小环的弹力逐渐变大，根据牛顿第三定律可知小环下滑过程中对大圆环的作用力大小先减小后增大。方法二（数学法）：设大圆环半径为，小环在大圆环上某处时，设该处与圆心的连线与竖直向上的夹角为，根据机械能守恒定律在该处根据牛顿第二定律，联立可得，则大圆环对小环作用力的大小根据数学知识可知的大小在时最小，结合牛顿第三定律可知小环下滑过程中对大圆环的作用力大小先减小后增大。故选C。3．（2024·浙江·高考真题）如图所示，质量为m的足球从水平地面上位置1被踢出后落在位置3，在空中达到最高点2的高度为h，则足球（）A．从1到2动能减少 B．从1到2重力势能增加C．从2到3动能增加 D．从2到3机械能不变【答案】B【详解】AB．由足球的运动轨迹可知，足球在空中运动时一定受到空气阻力作用，则从从1到2重力势能增加，则1到2动能减少量大于，A错误，B正确；CD．从2到3由于空气阻力作用，则机械能减小，重力势能减小mgh，则动能增加小于，选项CD错误。故选B。4．（多选）（2024·福建·高考真题）如图，某同学在水平地面上先后两次从点抛出沙包，分别落在正前方地面和处。沙包的两次运动轨迹处于同一竖直平面，且交于点，点正下方地面处设为点。已知两次运动轨迹的最高点离地高度均为，，，，沙包质量为，忽略空气阻力，重力加速度大小取，则沙包（）A．第一次运动过程中上升与下降时间之比B．第一次经点时的机械能比第二次的小C．第一次和第二次落地前瞬间的动能之比为D．第一次抛出时速度方向与落地前瞬间速度方向的夹角比第二次的大【答案】BD【详解】A．沙包从抛出到最高点的运动可视为平抛运动的“逆运动”，则可得第一次抛出上升的高度为上升时间为最高点距水平地面高为，故下降的时间为故一次抛出上升时间，下降时间比值为，故A错误；BC．两条轨迹最高点等高、沙包抛出的位置相同，故可知两次从抛出到落地的时间相等为故可得第一次，第二次抛出时水平方向的分速度分别为，由于两条轨迹最高点等高，故抛出时竖直方向的分速度也相等，为由于沙包在空中运动过程中只受重力，机械能守恒，故第一次过P点比第二次机械能少从抛出到落地瞬间根据动能定理可得则故落地瞬间，第一次，第二次动能之比为，故B正确，C错误；D．根据前面分析可知两次抛出时竖直方向的分速度相同，两次落地时物体在竖直方向的分速度也相同，由于第一次的水平分速度较小，物体在水平方向速度不变，如图所示，故可知第一次抛出时速度与水平方向的夹角较大，第一次落地时速度与水平方向的夹角也较大，故可知第一次抛出时速度方向与落地瞬间速度方向夹角比第二次大，故D正确。故选BD。5．（2024·辽宁·高考真题）如图，高度的水平桌面上放置两个相同物块A、B，质量。A、B间夹一压缩量的轻弹簧，弹簧与A、B不栓接。同时由静止释放A、B，弹簧恢复原长时A恰好从桌面左端沿水平方向飞出，水平射程；B脱离弹簧后沿桌面滑行一段距离后停止。A、B均视为质点，取重力加速度。求：（1）脱离弹簧时A、B的速度大小和；（2）物块与桌面间的动摩擦因数μ；（3）整个过程中，弹簧释放的弹性势能。【答案】（1）1m/s，1m/s；（2）0.2；（3）0.12J【详解】（1）对A物块由平抛运动知识得，代入数据解得，脱离弹簧时A的速度大小为AB物块质量相等，同时受到大小相等方向相反的弹簧弹力及大小相等方向相反的摩擦力，则AB物块整体动量守恒，则解得脱离弹簧时B的速度大小为（2）对物块B由动能定理代入数据解得，物块与桌面的动摩擦因数为（3）弹簧的弹性势能转化为AB物块的动能及这个过程中克服摩擦力所做的功，即其中，解得整个过程中，弹簧释放的弹性势能一、单选题1．（2024·陕西安康·模拟预测）如图所示，内壁光滑的四分之三圆弧形槽放置在水平地面上，O点为其圆心，A、B为圆弧上两点，OA连线水平，OB连线竖直，槽的质量为5m，圆弧的半径为R。一个质量为m的小球从A点以初速度（未知）竖直向下沿槽运动，小球运动至最高点B时槽对地面的压力刚好为零。不计空气阻力，重力加速度为g，槽始终未发生移动，则小球的初速度大小为（）A． B． C． D．【答案】C【详解】小球在最高点B时，槽对地面的压力刚好为零，则在B点小球对槽的弹力向上，大小为5mg，由牛顿第三定律和向心力公式有对小球由A到B，由机械能守恒定律有可得，C正确。故选C。2．（2024·贵州铜仁·二模）如图所示，AOB为水上游乐场的滑道简化模型，它位于竖直平面内，由两个半径都为R的光滑圆弧滑道组成，它们的圆心、与两圆弧的连接点O在同一竖直线上，与水池的水面齐平。一小孩（可视为质点）可由滑道AC间的任意点从静止开始下滑，与竖直方向的夹角，则该小孩的落水点与的距离可能为

A．0 B．R C． D．3R【答案】C【详解】小孩从A点下滑到O点，由动能定理可得求得小孩平抛飞出，由平抛运动知识可得，，求得小孩从C点下滑到O点，由动能定理可得，求得小孩平抛飞出，由平抛运动知识可得，，求得所以该小孩的落水点与的距离范围是，C正确。故选C。3．（2024·陕西西安·二模）如图所示，一轻弹簧竖直放置，下端固定在水平地面上，自然伸长时弹簧上端处于A点。时将小球从A点正上方O点由静止释放，时到达A点，时弹簧被压缩到最低点B。以O为原点，向下为正方向建立x坐标轴，以B点为重力势能零点；弹簧形变始终处于弹性限度内。小球在运动过程中的动能Ek、重力势能Ep1、机械能E0及弹簧的弹性势能Ep2变化图像可能正确的是（）A．B．C．D．【答案】B【详解】AB．以B点为重力势能零点，可知小球在下降的过程中有可知图像为一条直线，接触弹簧前小球机械能不变，接触后，设弹簧的劲度系数为k，根据弹簧的弹性势能公式有小球机械能，因此A错误，B正确；CD．当弹簧弹力等于重力时动能最大，但小于小球初始时的机械能，压缩到最短时小球的机械能完全转化成弹簧的弹性势能，因此C错误，D错误。故选B。4．（2024·广东江门·模拟预测）蹦极是一项非常刺激的体育项目，而“反向蹦极”是一项比蹦极更加刺激的运动。如图所示，弹性轻绳上端固定在P点，下端固定在玩家的身上并向下拉长与固定在地面上的安全扣环相连。打开安全扣环后，玩家从c点开始由静止释放，像“火箭发射一般竖直向上运动”，上升到b点时速度最大，轻绳在a点为原长位置，玩家到达的最高点在P与a之间，不计空气阻力，下列说法正确的是（）A．人在c到a运动过程中都做加速运动 B．人在c到b运动过程中做加速度减小的加速运动C．在整个运动过程中，玩家的机械能守恒 D．人在b到最高点的运动过程中，玩家处于超重状态【答案】B【详解】AD．上升到b点时速度最大，此时重力等于绳子的拉力，继续向上升时，绳子拉力小于重力，合外力竖直向下，人的加速度方向竖直向下，做减速运动，处于失重状态，故AD错误；B．人在c到b运动过程中绳子拉力大于重力，根据牛顿第二定律随着人上升绳子拉力T减小，加速度在减小，加速度方向与速度方向相同，做加速度减小的加速运动，故B正确；C．在整个运动过程中，玩家除了受到重力做功外还有绳子的拉力对其做功，故机械能不守恒，故C错误。故选B。二、多选题5．（2024·福建泉州·模拟预测）无动力翼装飞行是运动员穿戴拥有双翼的飞行服装和降落伞设备，从飞机、悬崖绝壁等高处一跃而下，运用肢体动作来掌控滑翔方向，如图所示，若从a到b做匀速圆周运动，即在此运动过程中（）A．运动员所受的合外力为零 B．运动员处于超重状态C．运动员的机械能逐渐减小 D．运动员的机械能守恒【答案】BC【详解】A.从a到b的运动过程可认为是在竖直平面内的匀速圆周运动，则合外力提供向心力，不为零，故A错误；B.从a到b的运动过程向心加速度有向上的分量，故运动员处于超重状态，故B正确；CD.从a到b的运动过程速率不变，则动能不变，重力势能减小，故运动员的机械能逐渐减小，故C正确，D错误。故选BC。6．（2024·广东中山·模拟预测）热气球能给人以独特的视角享受风景的机会。假设某热气球总质量为m，某竖直上升过程中受到浮力恒为F，空气阻力恒为f，热气球从地面由静止上升高度h，速度变为v，已知重力加速度为g。在上述过程中，热气球的（）A．重力势能增加了mgh B．动能增加了（F-mg-f）h C．机械能增加了Fh D．机械能增加了mgh+【答案】ABD【详解】A．热气球从地面由静止上升高度h，克服重力做功mgh，则重力势能增加了mgh，故A正确；B．根据动能定理，动能增加了，故B正确；CD．根据功能关系，机械能增加了，故C错误，D正确。故选ABD。7．（2024·重庆·模拟预测）如图所示，一根竖直杆的上端套有一个圆环，圆环质量为，杆的质量为，杆与圆环之间的最大静摩擦力。现将杆和环由静止释放，下落距离后恰与正下方的竖直轻弹簧接触。继续下落至某处时，杆与环恰好相对滑动，从此时经时间后杆运动到最低点。已知重力加速度为，最大静摩擦力等于滑动摩擦力，环未滑离杆，环与杆始终在竖直方向运动，且弹簧始终在弹性限度内，不计空气阻力。则（）A．杆与环接触弹簧后立即做加速度增大的减速运动B．杆与环恰好相对滑动时，弹簧的弹力大小为C．杆与环恰好相对滑动时，它们的速度大小为D．从杆与环恰好相对滑动到它们的加速度再次相同的过程中，杆、环、弹簧系统损失的机械能为【答案】BCD【详解】A．杆与环接触弹簧后，先一起向下做加速度减小的加速运动，当杆与环的加速度减为零时，速度最大，然后向下做加速度增大的减速运动，A错误；B．设杆与环相对滑动时，弹簧的弹力大小为,根据牛顿第二定律可得，，联立求得，B正确；C．设环与杆恰好相对滑动时，速度为，由能量守恒可得求得，C正确；D．从杆与环恰好相对滑动到它们的加速度再次相同的过程中，环做匀变速运动，杆做另一个规律的简谐运动，且加速度再次为向上的时，恰好回到开始滑动时的高度，此过程杆的位移为0，下降和上升的时间相同，相对滑动的位移为系统损失的机械能等于摩擦生热，则代入数据解得，故D正确；故选BCD。8．（2024·广东湛江·一模）在儿童乐园的蹦床项目中，小孩在两根弹性绳和弹性网绳的协助下实现上下弹跳。如图所示，某次蹦床活动中，小孩静止时处于O点，当其弹跳到最高点A后下落，可将弹性网绳压到最低点B，小孩可看成质点，不计弹性绳的重力、弹性网绳的重力和空气阻力。则从最高点A到最低点B的过程中，小孩的（

）A．重力的功率先增大后减小 B．机械能一直减小C．重力势能的减少量大于弹性网绳弹性势能的增加量D．机械能的减少量等于弹性网绳弹性势能的增加量【答案】AC【详解】A．当小孩弹跳到最高点A后下落，将弹性网绳压到最低点B的过程中，速度v先增大后减小，根据，可知重力的功率先增大后减小，故A正确；B.．当小孩弹跳到最高点A后下落，将弹性网绳压到最低点B的过程中，小孩的机械能先不变后减小，故B错误；C．当小孩弹跳到最高点A后下落，将弹性网绳压到最低点B的过程中，重力势能的减少量等于弹性绳和弹性网绳的弹性势能的增加量，则重力势能的减少量大于弹性网绳弹性势能的增加量，故C正确；D．当小孩弹跳到最高点A后下落，将弹性网绳压到最低点B的过程中，机械能的减少量等于弹性绳和弹性网绳的弹性势能的增加量，故D错误。故选AC。三、解答题9．（2024·江苏宿迁·一模）如图所示，足够长的竖直固定杆上套一劲度系数为k的轻质弹簧，弹簧下端悬挂质量为m的物块B，上端连接一轻质小球，物块B与杆间无摩擦，小球A与杆之间的最大摩擦静力为1.2mg，最大静摩擦力等于滑动摩擦力，重力加速度为g，忽略空气阻力。求：（1）B静止时，弹簧伸长量x；（2）若将物块B拉至弹簧原长处由静止释放：①物块的最大速度vm；②整个过程中，因摩擦产生的内能Q。【答案】（1）；（2）①，②【详解】（1）B静止时，根据平衡条件有解得（2）①当B的加速度为零时，速度有最大值，此时B下落x′，此时的弹力为结合题意可知所以A不动，B与弹簧构成的系统机械能守恒，即联立可得②设B向下运动速度减为零时，小球A下滑的距离为L，此时弹簧伸长量为x″，根据能量守恒定律可得其中，，联立解得10．（22-23高三下·北京顺义·阶段练习）如图所示，物块A从光滑轨道上的某一位置由静止释放，沿着轨道下滑后与静止在轨道水平段末端的物块B发生碰撞（轨道转弯处为光滑圆弧，物块A在圆弧处无能量损失），碰后两物块粘在一起沿水平方向飞出。已知物块A、B的质量均为，物块A的释放点距离轨道末端的高度，轨道末端距离水平地面的高度，重力加速度g取10m/s2.求：（1）两物块碰撞之前瞬间物块A的速度大小v1；（2）两物块碰后粘在一起的速度大小v2；（3）两物块落地点到轨道末端的水平距离x。【答案】（1）；（2）；（3）【详解】（1）由机械能守恒定律，解得v1=2m/s（2）由动量守恒定律解得（3）物块做平抛运动，则，，解得一、单选题1．（2024·四川绵阳·模拟预测）如图所示，内壁光滑、半径为R的半圆形轨道固定在竖直平面内，半圆形轨道的直径竖直，底端与光滑水平面相切。质量为m的小物块（可视为质点）以的初速度进入轨道，g为重力加速度，忽略空气阻力。则小球沿圆弧轨道运动过程中（）A．上升的最大高度是R B．上升的最大高度是2RC．对轨道的压力 D．对轨道的压力【答案】D【详解】AB．依据题意小物块以的初速度进入半圆形轨道，设上升至H高度，此过程能量守恒有，得又在小物块能过最高点要求在最高点有即最高点的速度则小球能通过和圆弧轨道圆心同一水平线位置处，但是不能通过圆轨道最高点，即上升高度，故AB错误；CD．当小物块进入半圆形轨道时，开始做向心运动,此时对轨道的压力最大，则有根据牛顿第三定律可得，小球对轨道的压力，故C错误，D正确。故选D。2．（2024·广东深圳·二模）如图甲所示，弹跳鞋是一种新型体育用品鞋，其底部装有弹簧。某次弹跳从最高点下落的过程中，人的动能随重心高度h（最低点为h0）变化的图像如图乙所示，图中段为直线，其余部分为曲线，已知弹簧始终处于弹性限度内，空气阻力忽略不计，人看做质点。则（）A．高度为h1时，人的加速度达到最大值 B．下落到h1的过程中，人的机械能一直减小C．高度为h0时，人处于超重状态 D．下落到的过程中，人的机械能一直增大【答案】C【详解】A．上升高度为时，人的动能最大，速度最大，加速度为零，故A错误；BD．最高点下落到h1的过程中，图中段为直线，人只受重力作用，即下落到的过程中，人的机械能守恒，阶段人做方向向下的加速度减小的加速运动，此时有弹力作用，弹簧处于压缩状态，对人做负功，人的机械能减小，故B错误，D错误；C．高度为h0时，下降到最低点，人的动能为零，速度向下减为零，加速度向上，故人处于超重状态，故C正确。故选C。3．（2024·河北保定·三模）如图所示，物块A和物块B用轻弹簧竖直连接，绕过定滑轮的轻绳连接物块B和小球C，用手托着小球C，滑轮两边的轻绳刚好伸直且均竖直，A、B静止，现手托C球缓慢向下移，当手对球的作用力为零时，A对地面的压力也恰好为零，不计滑轮的质量和摩擦，弹簧始终在弹性限度内，则在此过程中，下列说法正确的是（）A．C球质量等于B物块质量B．轻绳对B的拉力做的功等于B的重力势能增加量C．如果B的质量大于A的质量，弹簧的弹性势能增大D．B、C和弹簧组成的系统机械能一定减小【答案】D【详解】A．根据最终力的平衡可知，C球质量等于A、B两物块质量之和，故A错误；B．如果A的质量大于B的质量，则此过程弹簧的弹性势能增加，根据功能关系，轻绳对B球的拉力做功大于B的重力势能增量，故B错误；C．如果B的质量大于A的质量，开始弹簧的弹性势能大，经过此过程，弹簧的弹性势能减小，故C错误；D．由于手的托力对小球C做负功，因此B、C和弹簧组成的系统机械能一定减小，故D正确。故选D。4．（2024·辽宁·模拟预测）如图所示，倾角为的光滑斜面体固定在水平面上，质量为的圆环甲穿过光滑的竖直杆后拴接在劲度系数为的轻弹簧上，弹簧下端栓接在水平面上。用跨过光滑小定滑轮的细线与质量为的滑块乙连接。用外力控制滑块乙使细线刚好绷紧，此时圆环位于图中的位置，滑轮右侧的细线与水平方向的夹角为。某时刻将控制滑块乙的外力撤走，经过一段时间圆环运动到位置。已知点与滑轮在同一高度处，且到滑轮的距离为，圆环在、两位置时弹簧的弹力大小相等，重力加速度为，，不计滑轮大小，斜面足够长，细线长度不变，则下列说法正确的是（）A．甲、乙组成的系统机械能守恒B．C．撤走控制滑块乙的外力的瞬间，小球的加速度大小为D．圆环运动到位置时速度大小为【答案】D【详解】A．对圆环和滑块组成的系统，弹簧的弹力对系统做正功，则甲、乙组成的系统机械能不守恒，故A错误；B．由题意圆环在、两位置时弹簧的弹力大小相等，圆环在时弹簧的压缩量等于圆环在时弹簧的伸长量，设形变量为，根据几何关系可得，解得开始细线刚好绷紧，即细线的作用力为零，此时弹簧的弹力等于圆环的重力，即解得，故B错误；C．撤走控制滑块乙的外力的瞬间，设细线的拉力大小为，对甲、乙分别根据牛顿第二定律得根据运动的合成与分解可得，解得，故C错误；D．根据运动的合成与分解可得圆环甲运动到点，所以滑块乙的速度为零，对圆环甲从到的过程，两物体和弹簧组成的系统机械能守恒，又因为圆环在、两处弹簧的弹力相等，则弹簧在初、末状态的弹性势能相等，所以解得故D正确。故选D。二、多选题5．（2024·河南信阳·一模）如图所示，一根轻弹簧竖直固定在水平面上，将一个物块轻轻放在弹簧上端，从释放物块开始到物块第一次的下运动到最低点的过程中，取竖直向下为正方向，物块运动的合力、速度、加速度、动能与位移x关系的图像正确的是（图中曲线均为抛物线）（）A．B．C． D．【答案】AD【详解】A．对物块进行受力分析，物块所受外力的合力为根据牛顿第二定律有即合力与位移呈现线性关系，斜率为负值，纵轴截距为mg，故A正确；C．结合上述，根据牛顿第二定律有解得可知，加速度与位移呈现线性关系，斜率为负值，纵轴截距mg，故C错误；D．结合上述，根据能量守恒定律有解得可知，物块的动能与位移呈现抛物线关系，且开口向下，故D正确；B．由于，结合上述解得可知，物块的速度与位移呈现抛物线关系，且开口向下，但物块的速度与位移并没有呈现抛物线关系，故B错误。故选AD。6．（2024·山东·一模）如图所示，原长为L的弹性轻绳一端固定于天花板上的О点，另一端与水平地面上质量为m的滑块A相连，О点正下方L处有一光滑小钉B位于弹性绳右侧。当弹性绳处于竖直位置时，滑块A对地面的压力等于自身重力的一半。现有一水平拉力F作用在滑块A上，使其向右缓慢运动一段距离后撤去F，此时滑块A恰好能静止在地面上。已知弹性轻绳遵循胡克定律，其弹性势能，式中k为弹性绳的劲度系数，x为弹性绳的形变量。此过程中弹性绳始终处于弹性限度内，滑块A与地面间的动摩擦因数为μ，最大静摩擦力等于滑动摩擦力，重力加速度大小为g。对于该过程，下列说法正确的是（）A．滑块A对地面的压力大小不变 B．滑块A向右运动的距离为C．滑块A克服摩擦力做的功为 D．拉力F做的功为【答案】ACD【详解】AB．设A处于初始位置时与B点的距离为h，物体A在初始时受重力、拉力和地面的支持力，根据题意和平衡条件，有物体A再向右运动过程中，受到重力、支持力、水平拉力、弹性绳的拉力和摩擦力，如图所示根据正交分解得所以支持力不变，摩擦力不变，大小为设撤去外力时弹性绳的伸长量为xʹ，在水平方向有，解得滑块A向右运动的距离为，