人教版 (2019)必修 第二册4 机械能守恒定律导学案
展开1.知道什么是机械能,知道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.掌握机械能守恒定律的内容,理解机械能守恒的条件.
4.会灵活运用机械能守恒定律解决问题.
知识点一、动能、势能的相互转化
1.动能与重力势能间的转化
只有重力做功时,若重力做正功,则重力势能转化为动能,若重力做负功,则动能转化为重力势能,转化过程中,动能与重力势能之和保持不变.
2.动能与弹性势能间的转化
被压缩的弹簧把物体弹出去,射箭时绷紧的弦把箭弹出去,这些过程都是弹力做正功,弹性势能转化为动能.
3.机械能
动能、重力势能和弹性势能统称为机械能,在重力或弹力做功时,不同形式的机械能可以发生相互转化.
【探讨】如图所示,过山车由高处在关闭发动机的情况下飞奔而下.(忽略轨道的阻力和其他阻力)
探讨1:过山车受哪些力作用?各做什么功?
【提示】忽略阻力,过山车受重力和轨道支持力作用.重力做正功,支持力不做功.
探讨2:过山车下滑时,动能和势能怎么变化?两种能的和不变吗?
【提示】过山车下滑时,动能增加,重力势能减少.忽略阻力时,两种能的和保持不变.
【点睛】
1.重力势能、弹性势能、动能统称为机械能.通过重力或弹力做功,机械能可以从一种形式转化为另一种形式.
2.重力做功只能引起重力势能和动能之间的转化,例如重力做负功,重力势能增加,动能减少.
3.弹力做功只能引起弹性势能和动能之间的转化,例如弹力做正功,弹性势能减少,动能增加.
知识点二、机械能守恒定律
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,而总的机械能保持不变.
2.守恒定律表达式
(1)Ek2-Ek1=Ep1-Ep2,即ΔEk增=ΔEp减.
(2)Ek2+Ep2=Ek1+Ep1.
(3)E2=E1.
3.守恒条件
物体系统内只有重力或弹力做功.
【探讨】运动员抛出的铅球所受空气的阻力远小于其重力,请思考以下问题:
探讨1:铅球在空中运动过程中,能否视为机械能守恒?
【提示】由于阻力远小于重力,可以认为铅球在空中运动过程中,只有重力做功,机械能守恒.
探讨2:若铅球被抛出时速度大小一定,铅球落地时的速度大小与运动员将铅球抛出的方向有关吗?
【提示】根据机械能守恒定律,落地时速度的大小与运动员将铅球抛出的方向无关.
探讨3:在求解铅球落地的速度大小时,可以考虑应用什么规律?
【提示】可以应用机械能守恒定律.
【点睛】
1.研究对象
(1)当只有重力做功时,可取一个物体(其实是物体与地球构成的系统)作为研究对象;
(2)当物体之间的弹力做功时,必须将这几个物体构成的系统作为研究对象(使这些弹力成为系统内力).
2.适用条件
(1)从能量转化的角度看,只有系统内动能和势能相互转化,没有与其他形式能量(如内能)之间的转化.
(2)从系统的内、外力做功的角度看,只有重力或系统内的弹力做功,具体表现为三种情况:
①只受重力(或弹簧弹力).如:所有做抛体运动的物体(不计空气阻力).
图788
②还受其他力,但其他力不做功.如:物体沿光滑的固定曲面下滑,尽管受到支持力,但支持力不做功.
③其他力做功,但做功的代数和为零.如图788所示,A、B构成的系统,忽略绳的质量和绳与滑轮间的摩擦,在A向下、B向上的运动过程中,FA和FB都做功,但WA+WB=0.
3.机械能守恒定律和动能定理的比较
1.如图所示,用长为L的轻绳把一个小铁球悬挂在高为2L的O点处,小铁球以O为圆心在竖直平面内做圆周运动且恰能到达最高点B处,不计空气阻力,若运动中轻绳断开,则小铁球落到地面时的速度大小为
A.B.C.D.
【答案】D
【详解】
小球恰好能通过最高点B,重力提供向心力,根据牛顿第二定律,有:
整个运动过程只有重力做功,机械能守恒,根据守恒定律,有:
联立解得:
D正确;
2.如图甲所示,在固定水平台上静置一质量kg的物体(可视为质点),时刻该物体受到水平向右的作用力F,s时物体冲上与水平台平滑相连的固定斜面,此时立即撤去力。已知力随时间的变化关系如图乙所示,斜面倾角且足够长,物体与水平台、斜面间的动摩擦因数均为,设最大静摩擦力等于滑动摩擦力,重力加速度。下列说法正确的是( )
A.物体滑上斜面时的速度大小为9m/s
B.物体滑上斜面时的速度大小为5m/s
C.物体在斜面上上滑的最大高度为4.05m
D.物体一定能回到出发点
【答案】A
【详解】
物体与水平台间的最大静摩擦力为
AB.内由于推力小于最大静摩擦力,物体处于静止状态,由牛顿第二定律可得,物体在内的加速度为
则物体滑上斜面时的速度大小为
故A正确,B错误;
C.由牛顿第二定律可得,物体在斜面上的加速度大小为
由速度位移公式可得,物体在斜面上上滑的最大距离为
最大高度为
故C错误;
D.由能量守恒可知,物体在运动过程中机械能转化为内能,则物体一定不能回到出发点,故D错误。
故选A。
1.关于机械能守恒的条件,下列说法中正确的是( )
A.只有重力和弹力作用时,机械能才守恒
B.当有除重力和系统内弹力外的其他力作用时,只要合力为零,机械能守恒
C.当有除重力和系统内弹力外的其他力作用时,只要其他外力不做功,机械能守恒
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
【答案】C
【详解】
A.机械能守恒的条件是只有重力和系统内的弹力做功,如果这里的弹力是外力,且做功不为零,机械能不守恒,A错误;
B.当有其他力作用且合力为零时,机械能可能不守恒,如拉一物体匀速上升,合力为零但机械能不守恒,B错误;
C.“其他力”不含重力和系统内的弹力,故其他力不做功,机械能守恒,C正确;
D.在炮弹爆炸过程中,化学能转化为机械能,机械能不守恒,D错误。
故选C。
2.某同学身高1.8 m,在运动会上他参加跳高比赛,起跳后身体横着越过了1.8 m高的横杆。据此可估算出他起跳时竖直向上的速度约为( )
A.2 m/sB.4 m/sC.6 m/sD.8 m/s
【答案】B
【详解】
运动员跳高过程,当重心达到横杆时速度恰好为零,运动员重心升高的高度约为0.9m,根据
解得
故选B。
3.一物体由h高处自由落下,当物体的动能等于势能时,物体经历的时间为( )
A.B.C.D.以上都不对
【答案】B
【详解】
设物体动能等于势能时,速度为v,则
联立可得
解得
又因为物体做自由落体运动,则速度为
联立解得
故选B。
4.做平抛运动的物体,物体的重力势能跟运动速度的关系如图所示,其中正确的是( )
A.B.C.D.
【答案】C
【详解】
选地面为参考平面,设物体的初始高度为,下落过程中离地高度为,则物体的重力势能
由平抛运动规律得,物体运动的速度
由以上两式解得
故选C。
5.桌面的高为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,假设以桌面为参考面,则小球落到地面前瞬间的机械能为( )
A.0B.mghC.mgHD.mg(H+h)
【答案】C
【详解】
机械能是动能与势能的总和,选桌面为参考面,开始时由于小球的速度为零,其机械能为mgH,由于小球下落过程中只受重力作用,所以小球在下落过程中机械能守恒,即小球在下落过程中任一时刻(位置)的机械能都与初始时刻(位置)的机械能相等,即为mgH。
故选C。
6.如图所示,轻质动滑轮下方悬挂重物A、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的质量均为m,假设摩擦阻力和空气阻力均忽略不计,重力加速度为g,当A的位移为h时( )
A.B的位移为2h,方向向上
B.A、B速度大小始终相等
C.A的速度大小为
D.B的机械能减少2mgh
【答案】C
【详解】
A.设细线的拉力为T,由图示可知,A受到两细线的拉力为2T,方向向上,B受到细线的拉力为T向上,A、B所受重力大小相等,A、B释放后,A向上运动,B向下运动,若A上升的高度为h时,则连接动滑轮两侧的细线上升高度均为h,而细线固定端不移动,所以细线自由端下降的高度为2h,故B下降的高度为2h,B的位移为2h,方向向下,故A错误;
B.由于B下降的位移是A上升位移的两倍,它们的运动时间相等,由
x=at2
可知,B的加速度是A加速度的两倍,由速度公式
v=at
可知,同一时刻B的速度是A的两倍,故B错误;
C.设当A的位移为h时,速度为v,则B的速度大小为2v,B下降的高度为2h,以A、B两个物体组成的系统为研究对象,由机械能守恒定律得:
mg•2h-mgh=mv2+m(2v)2
解得
故C正确;
D.当A的位移为h,B减少的机械能
△E=mg•2h-m(2v)2=1.2mgh
故D错误。
故选C。
7.在某星球表面将一轻弹簧竖直固定在水平面上,把质量为m的小球P(可视为质点)从弹簧上端由静止释放,小球沿竖直方向向下运动,小球的加速度a与弹簧压缩量x间的关系如图所示,其中a0和x0为已知量。下列说法中正确的是( )
A.当弹簧压缩量为x0时,小球P的速度为零
B.小球向下运动至速度为零时所受弹簧弹力大小为ma0
C.弹簧劲度系数为
D.当弹簧的压缩量为x0时,弹簧的弹性势能为
【答案】D
【详解】
A.设竖直向下为正方向,该星球的重力加速度为g0,故对小球受力分析可知:mg0-kx=ma,故小球运动的加速度大小为
由图可知,当弹簧的压缩量为x0时,小球的加速度为0,小球的速度最大,故A错误;
B.小球放到弹簧上松开手,小球在弹簧上做简谐振动,当小球向下运动至速度为0时,根据简谐运动的对称性可知,它与小球刚放到弹簧上时的加速度大小是相等的,方向相反,小球刚放到弹簧上时,满足x=0,只受星球吸引力的作用,故加速度大小为g0,即g0=a0,方向竖直向下,所以当小球的速度为0时,它的加速度大小也是g0,方向竖直向上,设此时的弹力大小为F,则F-mg0=mg0,故此时的弹力大小为2mg0,也可以表达成2ma0,故B错误;
C.由
可知,当a=0时
故
即弹簧的劲度系数为,故C错误;
D.当弹簧的压缩量为x0时,弹簧的弹性势能为
故D正确。
故选D。
8.如图所示,质量相同的可视为质点的甲、乙两小球,甲从竖直固定的光滑圆弧轨道顶端由静止滑下,轨道半径为R,圆弧底端切线水平,乙从高为R的光滑斜面顶端由静止滑下,下列判断正确的是( )
A.两小球到达底端时速度相同
B.两小球由静止运动到底端的过程中重力做功不相同
C.两小球到达底端时动能相同
D.两小球到达底端时,甲小球重力做功的瞬时功率大于乙小球重力做功的瞬时功率
【答案】C
【详解】
A.两小球到达底端时速度方向不同,所以速度不相同,A错误;
B.重力做功与路径无关,两小球由静止运动到底端的过程中重力做功相同,都等于mgR,B错误;
C.由机械能守恒定律
两个小球达到底端时动能相同,都等于mgR,C正确;
D.两小球到达底端时,两个小球重力做功的瞬时功率分别为
两小球到达底端时,甲小球重力做功的瞬时功率小于乙小球重力做功的瞬时功率,D错误。
故选C。机械能守恒定律
动能定理
表达式
E1=E2
ΔEk=-ΔEp
ΔEA=-ΔEB
W=ΔEk
应用范围
只有重力或弹力做功时
无条件限制
物理意义
其他力(重力、弹力以外)所做的功是机械能变化的量度
合外力对物体做的功是动能变化的量度
关注角度
守恒的条件和始末状态机械能的形式及大小
动能的变化及改变动能的方式(合外力做功情况)
高中物理人教版 (2019)必修 第二册4 机械能守恒定律学案及答案: 这是一份高中物理人教版 (2019)必修 第二册4 机械能守恒定律学案及答案,共5页。学案主要包含了学习目标,探究过程,课堂小结,课后练习等内容,欢迎下载使用。
鲁科版 (2019)必修 第二册第1章 功和机械能第5节 科学验证:机械能守恒定律导学案: 这是一份鲁科版 (2019)必修 第二册第1章 功和机械能第5节 科学验证:机械能守恒定律导学案,共8页。学案主要包含了机械能守恒定律,验证机械能守恒定律等内容,欢迎下载使用。
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