高中物理人教版 (2019)必修 第二册4 机械能守恒定律集体备课ppt课件

这是一份高中物理人教版 (2019)必修 第二册4 机械能守恒定律集体备课ppt课件，共48页。PPT课件主要包含了必备知识·自主学习，重力势能，保持不变，Ep2+Ek2，关键能力·合作学习，审题关键，情境·模型·素养等内容，欢迎下载使用。

一、动能与势能的相互转化【情境思考】
(1)如图甲是滚摆及其运动的示意图,滚摆在上升过程中,重力做功情况如何?其动能与势能怎样变化?在下降过程中呢?(2)如图乙所示,在光滑水平面上,弹簧左端固定,右端连接物体,弹簧被压缩到一定程度释放物体,在弹簧恢复到原长的过程中,弹力做功情况如何?弹性势能、物体的动能如何变化?提示:(1)滚摆在上升过程中,重力做负功,动能减少,重力势能增加;在下降过程中,重力做正功,动能增加,重力势能减少;(2)在弹簧恢复到原长的过程中,弹力做正功,弹性势能减少,动能增加。
1.重力势能与动能:只有重力做功时,若重力对物体做正功,则物体的重力势能_____,动能_____,_________转化成了动能;若重力做负功,则_____转化为__________。2.弹性势能与动能:只有弹簧弹力做功时,若弹力做正功,则弹簧弹性势能_____,物体的动能_____,弹性势能转化为动能。3.机械能:_________、弹性势能和_____的统称,表达式为E=Ek+Ep。
二、机械能守恒定律【情境思考】　用细绳把铁锁吊在高处,并把铁锁拉到鼻子尖前释放,保持头的位置不动,铁锁摆回来时,会打到鼻子吗?提示:不会打到鼻子。
1.内容:在只有_____或_____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_________。2.表达式:Ep1+Ek1= ______,即E1=E2。
【易错辨析】　(1)通过重力做功,动能和重力势能可以相互转化。( )(2)通过弹力做功,动能和弹性势能可以相互转化。( )(3)物体的机械能一定是正值。( )(4)通过重力或弹力做功,机械能可以转化为其他能。( )(5)物体所受的合力为零,物体的机械能一定守恒。( )(6)人乘电梯匀速上升的过程,机械能守恒。( )(7)不计空气阻力及摩擦力时,滚摆在运动过程中机械能守恒。( )
　知识点一　机械能守恒条件的判断1.对守恒条件的理解:(1)物体只受重力或弹力,不受其他力,如自由落体运动;(2)物体除受重力或弹力外,还受其他力,但其他力不做功,如物体沿光滑固定的斜面下滑,物体受重力和支持力作用,但支持力不做功;(3)对于物体系统来说,除系统内的重力和弹力做功之外,外力不做功,有内力做功,但内力做功的代数和为零。
2.机械能守恒的判断方法:判断机械能是否守恒的三种基本方法。(1)做功条件分析法:应用机械能守恒的条件进行判断。分析物体(或系统)的受力情况(包括内力和外力),明确各力做功的情况,若只有重力或弹力做功,没有其他力做功或其他力做功的代数和为零,则物体(或系统)的机械能守恒。(2)能量转化分析法:从能量转化的角度进行判断。若只有系统内物体间动能和重力势能及弹性势能的相互转化,机械能也没有转化成其他形式的能(如内能),则系统的机械能守恒。
(3)增减情况分析法:直接从机械能的各种形式的能量增减情况进行判断。若系统的动能与势能均增加或均减少,则系统的机械能不守恒;若系统内各个物体的机械能均增加或均减少,则系统的机械能不守恒。
【问题探究】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)过山车下滑时,过山车受哪些力作用?各做什么功?动能和势能怎么变化?机械能守恒吗?提示:过山车下滑时,如果忽略阻力作用,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,动能增加,重力势能减少,机械能保持不变。
【典例示范】【典例】如图所示,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B的过程中,下列说法正确的是(　　)A.重物的机械能守恒B.重物的机械能增加C.重物的重力势能与弹簧的弹性势能之和不变D.重物与弹簧组成的系统机械能守恒
【解析】选D。重物由A点摆到B点的过程中,弹簧被拉长,弹簧的弹力对重物做了负功,所以重物的机械能减少,故选项A、B错误;此过程中,由于只有重力和弹簧的弹力做功,所以重物与弹簧组成的系统机械能守恒,即重物减少的重力势能,等于重物获得的动能与弹簧的弹性势能之和,故选项C错误,D正确。
　【误区警示】判断机械能是否守恒应注意的问题(1)物体在共点力作用下所受合外力为0是物体处于平衡状态的条件。物体受到的合外力为0时,它一定处于匀速直线运动状态或静止状态,但物体的机械能不一定守恒。(2)合外力做功为0是物体动能不变的条件。合外力对物体不做功,它的动能一定不变,但它的机械能不一定守恒。(3)只有重力做功或系统内弹簧类弹力做功是机械能守恒的条件。只有重力或系统内弹簧类弹力做功时,系统的机械能一定守恒。
【素养训练】1.(母题追问)(多选)在【典例】中,若把轻弹簧竖直放置且连接一个小球,用手托起小球,使弹簧处于压缩状态,如图所示。则迅速放手后(不计空气阻力)(　　)A.放手瞬间小球的加速度等于重力加速度B.小球、弹簧和地球组成的系统机械能守恒C.小球的机械能守恒D.小球向下运动过程中,小球动能与弹簧弹性势能之和不断增大
【解析】选B、D。放手瞬间小球加速度大于重力加速度,A错误;整个系统(包括地球)的机械能守恒,B正确,C错误;向下运动过程中,由于重力势能减小,所以小球的动能与弹簧弹性势能之和增大,D正确。
2.不考虑弹性势能时,下列运动中机械能一定守恒的是(　　)A.自由落体运动B.竖直方向上做匀变速运动C.在竖直方向上做匀速直线运动D.在水平面上做匀加速直线运动【解析】选A。物体做自由落体运动,只有重力做功,机械能守恒,故A正确;竖直方向上做匀变速运动,只有是自由落体运动时才守恒,其他加速度条件下,有其他力做功,不守恒,B错误;物体在竖直方向上做匀速直线运动,动能不变,重力势能增大或减小,机械能不守恒,故C错误;在水平面上做匀加速直线运动,重力势能不变,动能增加,机械能不守恒,D错误。
【加固训练】　　1.物体在平衡力作用下,下列说法正确的是(　　)A.物体的机械能一定不变B.物体的机械能一定增加C.物体的机械能一定减少D.物体的机械能可能增加,可能减少,也可能不变
【解析】选D。物体在平衡力的作用下,保持静止状态或匀速直线运动状态。如果保持静止状态,机械能不变。如果保持匀速直线运动状态,就有多种情况:当物体在水平面上做匀速直线运动时,物体的高度和速度都不变,那么它的动能和势能也不变,所以机械能不变;当物体向上做匀速直线运动时,虽然速度不变,动能不变,但物体的位置升高,势能增加,所以机械能增加;当物体向下做匀速直线运动时,虽然速度不变,动能不变,但物体高度降低,势能减少,所以机械能减少。平衡力做功之和为零,物体动能不变,所以物体在平衡力作用下只能保证速度不变,不能保证高度不变,机械能可能增加,可能减少,也可能不变。D正确。
2.(多选)如图,m机械能守恒的是(均不计空气阻力)(　　)
【解析】选C、D。物块沿固定斜面匀速下滑,在斜面上物块受力平衡,重力沿斜面向下的分力与摩擦力平衡,摩擦力做负功,机械能减少;物块在力F作用下沿固定光滑斜面上滑时,力F做正功,机械能增加;小球沿光滑半圆形固定轨道下滑,只有重力做功,小球机械能守恒;用细线拴住小球绕O点来回摆动,只有重力做功,小球机械能守恒,选项C、D正确。
　知识点二　机械能守恒定律的应用 1.运用机械能守恒定律的基本思路:(1)选取研究对象——物体系统或物体。(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,确定研究对象初、末状态的机械能。(4)根据机械能守恒定律列方程,进行求解。
2.对几种表达式的理解:(1)Ek1+Ep1=Ek2+Ep2。这里应注意等式不是指某两个特别的状态,而是过程中的每一状态机械能的总量都是守恒的,但我们解题时往往选择与题目所述条件或所求结果相关的状态建立方程式。另外表达式中Ep是相对的,建立方程时必须选择合适的参考平面,且每一状态的Ep都应是对同一参考平面而言的。(2)ΔEk=-ΔEp,系统动能的增加量等于系统势能的减少量,可以不选择参考平面。(3)ΔEA=-ΔEB,将系统分为A、B两部分,A部分机械能的增加量等于另一部分B的机械能的减少量,可以不选择参考平面。
3.机械能守恒定律和动能定理的比较:
　 【问题探究】如图所示是运动员投掷铅球的动作,如果忽略铅球所受空气的阻力。 (1)铅球在空中运动过程中,机械能是否守恒?(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:(1)由于阻力可以忽略,铅球在空中运动过程中,只有重力做功,机械能守恒。(2)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。
【典例示范】 【典例】(2020·青岛高一检测)如图所示,竖直平面内的光滑轨道由四分之一圆弧① ab和抛物线bc组成,圆弧半径Oa水平,b点为抛物线顶点。已知h=2 m,s= m,g取10 m/s2。(1)一小环套在轨道上从a点由静止滑下,当其在bc段轨道运动时,与轨道之间无相互作用力②,求圆弧轨道的半径;(2)若环从b点由静止因微小扰动而开始滑下,求环到达c点时速度的水平分量的大小③。
【解析】(1)小环在bc段轨道运动时,与轨道之间无相互作用力,即小环在该段以某一初速度vb做平抛运动,运动轨迹与轨道bc重合,故有s=vbt、h= gt2从ab滑落过程中,小环机械能守恒,选b点所在平面为参考平面,则有0+mgR= +0联立三式可得R= =0.25 m。
(2)小环在下滑过程中,初速度为零,只有重力做功,小环机械能守恒,再选c点所在平面为参考平面,则有0+mgh= +0因为小环滑到c点时与竖直方向的夹角等于(1)问中做平抛运动过程中经过c点时速度与竖直方向的夹角,设为θ,则根据平抛运动规律可知sinθ= ,根据运动的合成与分解可得sinθ= ,联立可得v水平= m/s。答案:(1)0.25 m　(2) m/s
　 【规律方法】应用机械能守恒定律的解题步骤
【素养训练】 1.如图所示,质量为m的物体,以某一初速度从A点向下沿光滑的轨道运动,不计空气阻力,若物体通过轨道最低点B时的速度为3 ,求: (1)物体在A点时的速度大小;(2)物体离开C点后还能上升多高。
【解析】(1)物体在运动的全过程中只有重力做功,机械能守恒,选取B点为零势能点。设物体在B点的速度为vB,则mg·3R+ 得v0=
(2)设从B点上升到最高点的高度为HB,由机械能守恒可得mgHB= ,HB=4.5R所以物体离开C点后还能上升HC=HB-R=3.5R。答案:(1) 　(2)3.5R
2.如图所示,质量m=70 kg的运动员以10 m/s的速度从高h=10 m的滑雪场A点沿斜坡自由滑下,以最低点B所在的水平面为零势能面,一切阻力可忽略不计。(取g=10 m/s2)求运动员: (1)在A点时的机械能;(2)到达最低点B时的速度大小;(3)相对于B点能到达的最大高度。
【解析】(1)运动员在A点时的机械能E=Ek+Ep= mv2+mgh= ×70×102 J+70×10×10 J=10 500 J。(2)运动员从A运动到B过程,根据机械能守恒定律得E= 解得vB= m/s=10 m/s。(3)运动员从A运动到斜坡上最高点过程,由机械能守恒得E=mgh′,解得h′= m=15 m。答案:(1)10 500 J　(2)10 m/s　(3)15 m
【加固训练】如图所示,AB是倾角θ为45°的直轨道,CD是半径R=0.4 m的圆弧轨道,它们通过一段曲面BC平滑相接,整个轨道处于竖直平面内且处处光滑。一个质量m=1 kg的物体(可以看作质点)从高H的地方由静止释放,结果它从圆弧最高点D点飞出,垂直斜面击中P点。已知P点与圆弧的圆心O等高,g取10 m/s2。求:(1)物体击中P点前瞬间的速度;(2)在C点轨道对物体的支持力大小;(3)物体静止释放时的高度H。
【解析】(1)物体从D点运动到P点,做平抛运动,在竖直方向上满足 =2gR,求得vy= m/s,物体击中P点的速度v= =4 m/s。
(2)物体在D点的速度为平抛运动的水平速度vD=vytanθ=2 m/s根据机械能守恒定律 由牛顿第三定律得N-mg= 解得支持力N=70 N,即在C点轨道对物体的支持力大小为70 N。(3)由A点到D点,物体的机械能也守恒,故mgH= +mg·2R解得H=1.2 m。答案:(1)4 m/s　(2)70 N　(3)1.2 m
【拓展例题】考查内容:含弹簧类机械能守恒问题【典例】(多选)(2016·全国卷Ⅱ)如图,小球套在光滑的竖直杆上,轻弹簧一端固定于O点,另一端与小球相连。现将小球从M点由静止释放,它在下降的过程中经过了N点。已知在M、N两点处,弹簧对小球的弹力大小相等,且∠ONM<∠OMN< 。在小球从M点运动到N点的过程中(　　)A.弹力对小球先做正功后做负功B.有两个时刻小球的加速度等于重力加速度C.弹簧长度最短时,弹力对小球做功的功率为零D.小球到达N点时的动能等于其在M、N两点的重力势能差
【解析】选B、C、D。由于小球在M、N两点处,弹簧对小球的弹力大小相等,且∠ONM<∠OMN< ,所以小球在M处弹簧处于压缩状态,弹簧给小球压力;在N处弹簧处于拉伸状态,弹簧给小球拉力。因为∠ONM<∠OMN< ,所以,小球向下运动过程中,弹簧先缩短再伸长,故弹力对小球先做负功再做正功后做负功,选项A错误;弹簧的长度等于原长时小球所受的合力等于重力,弹簧处于水平时,小球在竖直方向上合力也等于重力,这两个时刻小球的加速度等于重力加速度,选项B正确;弹簧长度最短时,弹力的方向垂直于杆,在弹力的方向上小球的速度为零,故弹力对小球做功的功率为零,选项C正确;因为小球在M、N两点处,弹簧对小球的弹力大小相等,则小球在M、N两点处,弹簧的缩短量和伸长量相同,弹性势能
也相同,弹簧对小球做的功为零,根据动能定理可知,小球到达N点时的动能等于其在M、N两点的重力势能差,选项D正确。
机械能：重力势能、弹性势能和动能的总和
转化方式：通过重力或弹力做功
结果：一种形式转化成另一种形式
条件：物体系统内只有重力或弹力做功
表达式：Ek1+Ep1=Ek2+Ep2
变化：外力做功等于机械能的变化
【实验情境】小明同学用实验研究“圆珠笔的上跳”,一支可伸缩的圆珠笔,内有一根弹簧,尾部有一个小帽,压一下小帽,笔尖就伸出。如图所示,手握笔杆,使笔尖向上,小帽抵在桌面上,在压下后突然放手,笔杆将竖直向上跳起一定的高度。探究:在某次实验中,小明用刻度尺测得圆珠笔跳起的高度为12 cm,请你帮他分析:(1)圆珠笔由桌面静止起跳到上升至最大高度的过程中,能量发生了怎样的变化?(2)从能量转化的角度计算出圆珠笔起跳的初速度v0多大?(g取10 m/s2)
【解析】(1)圆珠笔弹簧的弹性势能减少,转化为圆珠笔的动能,离开桌子后,圆珠笔减少的动能转化成圆珠笔增加的重力势能,圆珠笔运动到最高点时,圆珠笔的重力势能最大,动能为零。(2)由机械能守恒定律得:mgh= ,代入数据得:v0≈1.55 m/s。答案:(1)圆珠笔弹簧弹性势能 圆珠笔动能 圆珠笔重力势能(2)1.55 m/s
【体育情境】滑板运动是一种陆地上的“冲浪运动”,滑板运动员可在不同的滑坡上滑行。如图所示,abcde为同一竖直平面内依次平滑连接的滑行轨道,其中bcd是一段半径R=2.5 m的圆弧轨道,O点为圆心,c点为圆弧的最低点。运动员脚踩滑板从高H=3 m处由静止出发,沿轨道自由滑下。运动员连同滑板可视为质点,其总质量m=60 kg。忽略摩擦阻力和空气阻力,取g=10 m/s2,探究:运动员滑经c点时轨道对滑板的支持力的大小。