第2课时 机械能守恒定律

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解析:从B到C,小球克服弹力做功,弹簧的弹性势能不断增加,选项A正确,B 错误;对小球、弹簧组成的系统,只有重力和系统内弹力做功,系统机械能 守恒,选项C错误,D正确.
︱高中总复习︱一轮·物理
核心探究
分类探究·各个击破
考点一 机械能守恒的判断
1.机械能守恒的条件 只有重力或弹力做功,可以从以下四个方面进行理解: (1)物体只受重力或弹力作用. (2)存在其他力作用,但其他力不做功,只有重力或弹力做功. (3)其他力做功,但做功的代数和为零. (4)存在相互作用的物体组成的系统只有动能和势能的相互转化,无其他形 式能量的转化.
拓 展 (1)弹簧从 A 拉伸到 B 的过程中,克服弹力做的功是多大?弹性势能是怎样变化的?
思 (2)若将弹簧从 A 压缩Δ l 的距离,则弹力做正功还是负功?弹力做的功为多大?弹性势能是怎样变化的?
考 答案:(1)弹簧从 A 拉伸到 B 的过程中,克服弹力做的功 W= 1 FΔ l= 1 k(Δ l)2,所以弹性势能增加了 1 k(Δ l)2.
(2)通过计算判断小球能否沿轨道运动到C点.
解析:(2)若小球能沿轨道运动到 C 点,小球在 C 点所受轨道的正压力 N 应满 足 N≥0.
设小球在
C
点的速度大小为
vC,由牛顿运动定律和向心力公式有
N+mg=m
vC 2 R
.
2
应满足
mg≤m
2vC 2 R
.由机械能守恒有
mg
R 4
-(Ep2-Ep1)
= -Δ Ep .
(3)重力势能的变化量是绝对的,与参考平面的选取 无关 .
,即WG=
二、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.
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2.重力势能和弹性势能的比较
内容
重力势能
弹性势能
物体由于 被举高 而 物体由于发生
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误区警示 判断系统机械能守恒的注意点 系统机械能守恒时,机械能一般在系统内物体间转移,其中的单个物体机 械能通常不守恒.
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【针对训练】 (多选)如图所示,下列关于机械能是否守恒的判断正确的是 ( CD )
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,A置于光滑水平面上,物体B沿光滑斜面下滑,物体B机械能守恒 C.(丙)图中,不计任何阻力和定滑轮质量时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,小球沿水平面做匀速圆锥摆运动时,小球的机械能守恒
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③Δ EA= -Δ EB 或Δ EA增= Δ EB减 (表示系统只有A,B两物体时,A增加的机械 能等于B减少的机械能). 如图所示,质量为m1,m2(m1<m2)的两物体通过轻绳绕过光滑的定滑轮,现将m2由 静止释放,m2落地时的速度为v.
则选地面为零势能面,释放前系统的机械能E1=m2gh,m2落地时系统的机械能
2
4
轨道运动.
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(1)求小球在B,A两点的动能之比; 解析:(1)设小球的质量为 m,小球在 A 点的动能为 EkA,由机械能守恒得 EkA=mg R
4 设小球在 B 点的动能为 EkB,同理有 EkB=mg 5R
4 解得 EkB =5.
EkA 答案:(1)5
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2
2
2
(2)将弹簧从 A 压缩Δ l 的距离,弹力向右,作用点向左移动,弹力做负功,弹性势能增加.弹力做的功 W=- 1 FΔ l 2
=- 1 k(Δ l)2,所以弹性势能增加了 1 k(Δ l)2.
2
2
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三、机械能守恒定律 1.机械能: 动能 和 和 重力势能 .
势能
统称为机械能,其中势能包括 弹性势能 .
m1gh

1 2
m1v 2
,m2机械能的减
少量Δ E2减=m2gh- 1 m2v2;Δ E1增与Δ E2减的关系: Δ E1增=Δ E2减
.Байду номын сангаас
2
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自主检测
1.思考判断 (1)克服重力做功,物体的重力势能一定增加.( ) (2)弹簧弹力做负功时,弹性势能减少.( ) (3)物体所受合外力为零时,物体的机械能一定守恒.( ) (4)物体受摩擦力作用时,物体的机械能一定要变化.( ) (5)若弹簧的弹力和重力均对物体做功,物体的机械能一定守恒.( ) (6)只有弹簧在研究的系统内,弹力做功才不影响系统的机械能.( )
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2.机械能守恒的判断方法 (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.
E2=
m1gh

1 2
m1v2

1 2
m2v2
;E1与E2的关系:E1=E2.
m2下落到地面的过程,系统动能的增加量Δ Ek增=
1 2
m1v2

1 2
m2v2
,重力势能
的减少量Δ Ep减= m2gh-m1gh
;Δ Ek增与Δ Ep减的关系:Δ Ek增=Δ Ep减.
m2下落到地面的过程,m1机械能的增加量Δ E1增=
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2.机械能守恒定律
如图所示,物体在某一时刻处在位置A,这时它的动能是Ek1,重力 势能是Ep1.经过一段时间后,物体运动到另一位置B,这时它的动 能是Ek2,重力势能是Ep2.
知 识 解 由动能定理知道,重力对物体做的功W等于物体动能的增加,即 读 W=Ek2-Ek1,
重力对物体做的功W等于重力势能的减少,即 W=Ep1-Ep2 可得Ek2-Ek1=Ep1-Ep2 移项后,有Ek2+Ep2=Ek1+Ep1
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考点二 单物体机械能守恒问题
应用机械能守恒定律的基本思路 (1)选取研究对象——物体. (2)根据研究对象所经历的物理过程,进行受力、做功分析,判断机械能是否 守恒. (3)恰当地选取参考平面,确定研究对象在过程的初、末状态时的机械能. (4)选取方便的机械能守恒定律的方程形式(Ek1+Ep1=Ek2+Ep2,Δ Ek=-Δ Ep)进行 求解. 提示:所谓单物体应用机械能守恒定律,实质上是物体与地球组成的系统机械 能守恒.
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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 减少量
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4.(多选)如图所示,弹簧固定在地面上,一小球从它的正上方A处自由下落,到 达B处开始与弹簧接触,到达C处速度为0,不计空气阻力,则在小球从B到C的过 程中( AD )
A.弹簧的弹性势能不断增大 B.弹簧的弹性势能不断减小 C.小球和弹簧组成的系统机械能不断减小 D.小球和弹簧组成的系统机械能保持不变
解析:做匀速直线运动的物体机械能不一定守恒,比如降落伞匀速下降,机 械能减小,选项A错误;做匀变速直线运动的物体机械能可能守恒,比如自 由落体运动,选项B正确;起重机把重物匀速吊起的过程中,合外力对物体 做功为零,但机械能增加,选项C错误;系统内只有重力和弹簧的弹力做功, 则系统机械能守恒,选项D正确.
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第2课时 机械能守恒定律
基础回顾 核心探究 演练提升
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基础回顾
自主梳理·融会贯通 知识梳理
一、重力做功与重力势能 如图所示,质量为m的A,B两个物块在斜面顶端分别沿两个不同路径由静止下 滑至斜面底端.
则重力做的功WGA= mgh ,WGB= mgh ,A,B两物块重力做功 相同 ,与路径 无关 . 选地面为零势能面,则A物块在斜面顶端时的重力势能为Ep= mgh ;A物块由斜 面顶端下滑至底端,其重力势能 减少 mgh.
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【典例 2】 (2016·全国Ⅲ卷,24) 如图,在竖直平面内有由 1 圆弧 AB 和 1 圆弧
4
2
BC 组成的光滑固定轨道,两者在最低点 B 平滑连接.AB 弧的半径为 R,BC 弧的半
径为 R .一小球在 A 点正上方与 A 相距 R 处由静止开始自由下落,经 A 点沿圆弧
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(1)内容:在只有重力或弹力做功的物体系统内, 动能 和 势能 会发生 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)三种守恒表达式. ①E1=E2(E1,E2分别表示系统初、末状态时的总机械能). ②Δ Ek= -Δ Ep 或Δ Ek增= Δ Ep减 (表示系统势能的减少量等于系统动能的 增加量).
概念
具有的能
有的能
弹性形变 而具
大小 相对性
Ep= mgh .
大小与所选取的参考平面 有关 .
与形变量及 劲度系数 有关
一般选弹簧形变为零的状态为 弹性 . 势能 零点
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如图,弹簧的劲度系数为 k,弹簧的右端在 A 点时,弹簧的长度为原长,现将弹簧从 A 拉伸到 B,伸长量为Δ l.
A.(甲)图中小球机械能守恒 B.(乙)图中小球A机械能守恒 C.(丙)图中小球机械能守恒 D.(丁)图中小球机械能守恒
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〚核心点拨〛 (丙)图中绳子被拉直的瞬间,沿绳方向的速度减为零. 解析:在图(甲)所示过程中,杆对球不做功,只有重力做功,小球的机械能守 恒,选项A正确;图(乙)所示运动过程中,A,B两球组成的系统机械能守恒,B 球的动能和重力势能增加,则A球的机械能减少,选项B错误;(丙)图中在绳 子被拉直的瞬间,小球机械能有损失,机械能不守恒,选项C错误;(丁)图中 小球开始摆动的过程中,小球和小车组成的系统只有重力做功,系统的机械 能守恒,由于小车的机械能在变化,所以小球的机械能不守恒,选项D错误.
答案:(1)√ (2)× (3)× (4)× (5)× (6)√
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2.(多选)下列关于机械能是否守恒的叙述中正确的是( BD ) A.做匀速直线运动的物体机械能一定守恒 B.做匀变速运动的物体机械能可能守恒 C.外力对物体做功为零时,物体的机械能一定守恒 D.系统内只有重力和弹簧的弹力做功时,系统的机械能一定守恒
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解析:(甲)图中重力和弹力做功,物体A和弹簧组成的系统机械能守恒,但 物体A机械能不守恒,选项A错误;(乙)图中物体B除受重力外,还受弹力, 弹力对B做负功,机械能不守恒,但从能量特点看A,B组成的系统机械能守 恒,选项B错误 ;(丙)图中绳子张力对 A做负功 ,对B做正功,代数和为 零,A,B系统机械能守恒,选项C正确;(丁)图中小球的动能不变,势能不变, 机械能守恒,选项D正确.
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【典例1】 在如图所示的物理过程示意图中,(甲)图一端固定有小球的轻杆,从 右偏上30°角释放后绕光滑水平轴摆动;(乙)图为末端固定有小球的轻质直角 架,释放后绕通过直角顶点的固定轴O无摩擦转动;(丙)图为轻绳处于伸直状态 (无弹力)一端连着一小球,从右偏上30°角处自由释放;(丁)图为置于光滑水平 面上的带有竖直支架的小车,把用细绳悬挂的小球从图示位置释放,小球开始摆 动,则关于这几个物理过程(空气阻力忽略不计),下列判断中正确的是( A )
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3.关于重力势能,下列说法中正确的是( D ) A.物体的位置一旦确定,它的重力势能的大小也随之确定 B.物体与零势能面的距离越大,它的重力势能也越大 C.一个物体的重力势能从-5 J变化到-3 J,重力势能减少了 D.重力势能的减少量等于重力对物体做的功
解析:物体的重力势能与参考面有关,同一物体在同一位置相对不同的参 考面的重力势能不同,选项A错误;物体在零势能面以上,距零势能面的距 离越大,重力势能越大;物体在零势能面以下,距零势面的距离越大,重力 势能越小,选项B错误;重力势能中的正、负号表示大小,-5 J的重力势能 小于-3 J的重力势能,选项C错误;重力做的功等于重力势能的减少量,选 项D正确.
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