人教版 (2019)必修 第二册4 机械能守恒定律试讲课课件ppt

这是一份人教版 (2019)必修 第二册4 机械能守恒定律试讲课课件ppt，共40页。PPT课件主要包含了追寻守恒量，机械能守恒定律，课堂练习等内容，欢迎下载使用。

伽利略曾研究过小球在斜面上的运动。他发现 ：无论斜面 B 比斜面 A 陡些或缓些，小球的速度最后总会在斜面上的某点变为 0，这点距斜面底端的竖直高度与它出发时的高度基本相同。在小球的运动过程中，有哪些物理量是变化的？哪些是不变的？你能找出不变的量吗？
能量对于科学研究和日常生活有着巨大的影响，但要用一句话说清楚能量究竟是什么却非易事。这也许是牛顿未能把“能量”这一概念留给我们的原因之一。但是在牛顿之前，我们就已经能在力学领域发现它的萌芽。 如果不采用能量的概念，我们也可以利用以前的语言来描述伽利略的斜面实验。我们可以说，为了把小球从桌面提高到斜面上的某个位置，伽利略施加了与重力相反的力；当他释放小球时，重力使小球滚下斜面 A ；在斜面的底部，小球由于惯性而滚上斜面 B。
但是，这样的描述不能直接表达一个最重要的事实：如果空气阻力和摩擦力小到可以忽略，小球必将准确地终止于它开始运动时的高度，不会更高一点，也不会更低一点。这说明某种“东西”在小球运动的过程中是不变的。其实，伽利略已经走到了机械能守恒的大门口，只是当时还没有“能量”的概念，因此，伽利略没有得出机械能守恒的结论。能量概念的引入是科学前辈们追寻守恒量的一个重要事例。
二、动能与势能的相互转化
物体沿光滑斜面滑下时，重力对物体做正功，物体的重力势能减少。减少的重力势能到哪里去了？我们发现，在这个过程中，物体的速度增加了，表示 物体的动能增加了。这说明，物体原来的重力势能转化成 了动能。具有一定速度的物体，由于惯性沿光滑斜面上升，这 时重力对物体做负功，物体的速度减小，表示物体的动能 减少了。但由于物体的高度增加，它的重力势能增加了。 这说明，物体的动能转化成了重力势能。
竖直向上抛出一个物体，随着物体高度的增加，它的 速度会减小 ；当物体到达最高点后会转而下降，同时速度 逐渐增大。这一过程同样可以从动能和重力势能相互转化 的角度来分析。
不仅重力势能可以与动能相互转化，弹性势能也可以与 动能相互转化。例如，被压缩的弹簧具有弹性势能，当弹簧 恢复原来形状时，就把跟它接触的物体弹出去。这一过程中， 弹力做正功，弹簧的弹性势能减少，而物体得到一定的速度， 动能增加。再如，运动员从跳板上弹起的过程中，跳板的弹 性势能转化为运动员的动能（图 8.4-1），也是这样一种过程。
重力势能、弹性势能与动能都是机械运动中的能量形 式，统称为机械能（mechanical energy）。通过重力或弹力 做功，机械能可以从一种形式转化成另一种形式。机械能表达式为E＝Ek＋Ep.
动能与势能的相互转化是否存在某种定量的关系？
这里以动能与重力势能的相互转化为例，讨论这个问 题。我们讨论物体沿光滑曲面滑下的情形。这种情形下， 物体受到重力和曲面支持力的作用，因为支持力方向与运 动方向垂直，支持力不做功，所以，只有重力做功。
同样可以证明，在只有弹力做功的系统内，动能和弹性势能互相转化时总的机械能也保持不变。在只有重力或弹力做功的物体系统内，动能与势能可以互相转化，而总的机械能保持不变。这叫作机械能守恒定律（law fcnservatin f mechanical energy）。它是力学中的一条重要定律，是普遍的能量守恒定律在力学范围内的表现形式。如图 8.4-4，滑雪者沿斜面下滑时，斜面的支持力与运动方向垂直，不做功；如果阻力做的功较少，可以忽略，则只有重力做功。此种情况下，动能与重力势能可以互相转化，总的机械能守恒。如果阻力做的功较大，不能忽略，则机械能不守恒
(1)内容：在只有重力或弹力做功的物体系统内，动能与势能可以互相转化，而总的机械能保持不变．(2)表达式：Ek2＋Ep2＝Ek1＋Ep1或E2＝E1 .
2、机械能守恒定律的数学表达式有三种形式：(1)从守恒的角度：系统的初、末两状态机械能守恒，即E2＝E1；或者Ek1＋Ep1＝Ek2＋Ep2.即系统的初始状态的机械能总量等于末状态的机械能总量．(2)从转移的角度：系统中一部分物体机械能的增加等于另一部分物体机械能的减少，即ΔEA＝－ΔEB．(3)从转化的角度：系统动能的增加等于势能的减少，即ΔEk＝－ΔEp.
究竟选用哪种形式要视具体情况而定，在参考平面较易选取时一般应选(1)的形式，反之选用(2)或(3)的形式．形式(2)对应两个(或以上)物体组成的系统才可用．
3、对机械能守恒条件的理解(1)物体只受重力，只发生动能和重力势能的相互转化，如自由落体运动、抛体运动等．(2)只有弹力做功，只发生动能和弹性势能的相互转化．如在光滑水平面上运动的物体碰到一个弹簧，和弹簧相互作用的过程中，对物体和弹簧组成的系统来说，机械能守恒．(3)物体既受重力，又受弹力，重力和弹力都做功，发生动能、弹性势能、重力势能的相互转化，如自由下落的物体落到竖直的弹簧上和弹簧相互作用的过程中，对物体和弹簧组成的系统来说，机械能守恒．(4)除受重力或弹力外，还受其他力，但其他力不做功，或其他力做功的代数和为零．如物体在沿斜面的拉力F的作用下沿斜面向下运动，其拉力的大小与摩擦力的大小相等，在此运动过程中，其机械能守恒．
4、判断机械能是否守恒的方法(1)利用机械能的定义判断(直接判断)：若物体动能、势能均不变，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(或减小)，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．
5、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．只有重力对物体做功时，物体的机械能一定守恒；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．
6、应用机械能守恒定律解题的步骤
例题：把一个小球用细线悬挂起来，就成为一个摆（图 8.4-5），摆长为 l，最大偏角为 θ。如果阻力可以忽略，小球运动到最低点时的速度大小是多少？
从得到的表达式可以看出，初状态的 θ 角越大，cs θ越小，（1 － cs θ ）就越大，v 也就越大。也就是说，最初把小球拉得越高，它到达最低点时的速度也就越大。这与生活经验是一致的。 从这个例题可以看出，如果研究对象在某一过程中满足机械能守恒的条件，应用机械能守恒定律解决问题只需考虑运动的初状态和末状态，不必考虑两个状态间过程的细节，这样就简化了计算。如果直接用牛顿定律解决问题，需要分析过程中各种力的作用，而这些力又往往在变化着。因此，一些难于用牛顿定律解决的问题，应用机械能守恒定律则有可能易于解决。 守恒定律不仅给处理问题带来方便，而且有更深刻的意义。物理世界是千变万化的，但是，人们发现有些物理量在一定条件下是守恒的，可以用这些“守恒量”来表示物理世界变化的规律，这就是守恒定律。机械能守恒定律就是其中一个。正因为自然界存在着“守恒量”，而且，某些守恒定律的适用范围很广，所以，在物理学中寻求“守恒量”已经成为物理学研究的一种重要思想方法
（一）多个物体组成系统的机械能守恒 机械能守恒定律的研究对象是几个相互作用的物体组成的系统时，在应用机械能守恒定律解决系统的运动状态的变化及能量的变化时，经常出现下面三种情况。1．系统内两个物体直接接触或通过弹簧连接。这类连接体问题应注意各物体间不同能量形式的转化关系。2．系统内两个物体通过轻绳连接。如果和外界不存在摩擦力做功等问题时，只有机械能在两物体之间相互转移，两物体组成的系统机械能守恒。解决此类问题的关键是在沿绳的方向上两物体速度大小相等。3．系统内两个物体通过轻杆连接。轻杆连接的两物体绕固定转轴转动时，两物体的角速度相等。
（二）从两个角度看滑动摩擦力做功1、从功的角度看，一对滑动摩擦力对系统做的功等于系统内能的增加量。2、从能量的角度看，其他形式能量的减少量等于系统内能的增加量。3、两种摩擦力做功的比较