高中物理人教版 (2019)必修 第二册4 机械能守恒定律课堂教学ppt课件

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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．掌握推导机械能守恒定律的方法。3．掌握机械能守恒定律的内容，理解守恒条件。4．掌握运用机械能守恒定律解决问题的方法。
关键能力·情境探究达成
知识点二　机械能守恒定律
知识点三　机械能守恒定律的应用
1．伽利略的斜面实验探究(如图所示) (1)过程：将小球由斜面A上某位置由____释放，小球运动到斜面B上。(2)实验现象：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____，不会更高一点，也不会更低一点。(3)实验结论：这说明某种“东西”在小球的运动过程中是______。在物理学上我们把这个不变量叫作能量或者能。
2．动能与势能的相互转化(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，则物体的重力势能增加，动能减少，____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；若弹力做负功，则弹性势能增加，物体的动能减少，动能转化为弹性势能。(3)机械能：________、弹性势能和____都是机械运动中的能量形式，统称为机械能。
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) 。
【问题】(1)过山车下滑时，过山车受哪些力作用？各做什么功？(2)动能和势能怎么变化？(3)过山车下滑过程中动能与势能的和怎样变化吗？提示：(1)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。(2)动能增加，重力势能减少。(3)动能与势能的和不变。
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，弹性势能与动能之和不变。
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，重力势能、弹性势能与动能之和不变。
【典例1】　(多选)奥运会比赛项目撑杆跳高如图所示，下列说法正确的是(　　) A．加速助跑过程中，运动员的动能增加B．起跳上升过程中，杆的弹性势能一直增加C．起跳上升过程中，运动员的重力势能增加D．越过横杆后下落过程中，运动员的重力势能减少，动能增加
ACD　[加速助跑过程中速度增大，动能增加，A正确；撑杆从开始形变到撑杆恢复形变时，先是运动员部分动能转化为杆的弹性势能，后弹性势能转化为运动员的动能与重力势能，杆的弹性势能不是一直增加，B错误；起跳上升过程中，运动员的高度在不断增大，所以运动员的重力势能增加，C正确；当运动员越过横杆下落的过程中，他的高度降低、速度增大，重力势能转化为动能，即重力势能减少，动能增加，D正确。]
[跟进训练]1．如图所示的四种情景中，属于重力势能转化为动能的是(　　)A．(a)图运动员把弯弓拉开将箭射出B．(b)图跳伞运动员匀速下落C．(c)图跳水运动员从空中下落D．(d)图运动员骑自行车冲向坡顶
C　[运动员把弯弓拉开将箭射出，是弹性势能转化为动能的过程，故A错误；跳伞运动员匀速下落，质量不变，速度不变，则动能不变，高度减小，重力势能减小，所以重力势能转化为其他形式的能，故B错误；跳水运动员从空中下落，质量不变，速度增大，动能增大，高度减小，重力势能减小，此过程中，重力势能转化为动能，故C正确；运动员骑自行车冲向坡顶，运动员和自行车的质量不变，速度减小，动能减小，高度增大，重力势能增大，此过程中，动能转化为重力势能，故D错误。]
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________，而总的机械能________。2．机械能守恒定律表达式(1)Ek2－Ek1＝_________，即ΔEk增＝_____。(2)Ek2＋Ep2＝_________。(3)E2＝____。
3．守恒条件物体系统内只有____或____做功。
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。【问题】(1)铅球在空中运动过程中，受哪些力的作用？(2)铅球在空中运动过程中，实现了哪些能量间的转换？(3)铅球在空中运动过程中，机械能是否守恒？(4)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，铅球只受重力作用。(2)铅球在空中运动过程中，动能和重力势能之间相互转化。(3)铅球在空中运动过程中，机械能守恒。(4)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。
1．机械能守恒的两点说明(1)“守恒”是一个动态概念，指在动能和势能相互转化的整个过程中的任何时刻、任何位置，系统的机械能总量保持不变。(2)机械能守恒的条件不是合力做的功等于零，也不是合力等于零。
【典例2】　如图所示，下列说法正确的是(所有情况均不计摩擦、空气阻力以及滑轮质量)(　　)A．甲图中，火箭升空的过程中，若匀速升空则机械能守恒，若加速升空则机械能不守恒B．乙图中，物块在外力F的作用下匀速上滑，物块的机械能守恒C．丙图中，物块A以一定的初速度将弹簧压缩的过程中，物块A的机械能守恒D．丁图中，物块A加速下落、物块B加速上升的过程中，A、B组成的系统机械能守恒
D　[甲图中，不论是匀速还是加速，由于推力对火箭做功，火箭的机械能不守恒，是增加的，故A错误；乙图中，物块匀速上滑，动能不变，重力势能增加，则机械能必定增加，故B错误；丙图中，在物块A压缩弹簧的过程中，弹簧和物块A组成的系统只有重力和弹力做功，系统机械能守恒，由于弹簧弹性势能增加，则A的机械能减小，故C错误；丁图中，对A、B组成的系统，不计空气阻力，只有重力做功，A、B组成的系统机械能守恒，故D正确。]
[跟进训练]2．下列说法正确的是(　　)A．物体做匀速直线运动的过程中，机械能一定守恒B．物体做匀变速直线运动的过程中，机械能不可能守恒C．物体做匀速圆周运动的过程中，机械能一定守恒D．物体做抛体运动的过程中，机械能一定守恒
D　[物体做匀速直线运动，只能保证动能不变，重力势能可能改变，机械能不一定守恒，A错误；物体做自由落体运动时，只有重力做功，机械能守恒，B错误；如果小球在竖直平面内做匀速圆周运动，则动能不变，重力势能在不断地变化，机械能不守恒，C错误；物体做抛体运动的过程中，只有重力做功，物体机械能守恒，D正确。]
如图所示，质量为m的小球从光滑曲面上滑下。当它滑到高度为h1的位置A时，速度的大小为v1，滑到高度为h2的位置B时，速度的大小为v2。在由高度h1滑到高度h2的过程中(不计空气阻力)：
1．机械能守恒定律的不同表达式
2．应用机械能守恒定律的解题步骤(1)选取研究对象(物体或系统)。(2)明确研究对象的运动过程，分析研究对象在运动过程中的受力情况，弄清各力的做功情况，判断机械能是否守恒。(3)选取恰当的参考平面，确定研究对象在初、末状态的机械能。(4)选取机械能守恒的某种表达式，列方程求解。
角度1　单个物体的机械能守恒【典例3】　如图所示，假设运动员从雪道的最高点A由静止开始滑下，不借助其他器械，沿光滑雪道到达跳台的B点时速度多大？当他落到离B点竖直高度为10 m的雪地C点时，速度又是多大？(设这一过程中运动员没有做其他动作，忽略摩擦和空气阻力，g取10 m/s2)
角度2　多物体的机械能守恒【典例4】　如图所示，质量分别为3 kg和5 kg的物体A、B，用轻绳连接跨在一个定滑轮两侧，轻绳正好拉直，且A物体底面与地面接触，B物体距地面0.8 m(g取10 m/s2)。(1)放开B物体，当B物体着地时A物体的速度大小是多少？(2)B物体着地后A物体还能上升多高？[思路点拨]　(1)在B下落过程中，A与B的速率时刻相等。(2)在B下落过程中，A、B组成的系统机械能守恒。(3)当B落地后，A的机械能是守恒的。
规律方法　应用机械能守恒定律解题的几点技巧(1)应用机械能守恒定律求解多过程问题，要根据题目条件灵活选取研究过程，注意该过程一定要满足机械能守恒的条件。(2)不论分阶段列式还是整个过程列式，只需考虑该过程的初、末状态，而不需要分析中间过程的复杂变化。(3)分析多个物体组成系统的机械能是否守恒时，要注意准确处理用绳或杆相连的物体间的速度关系和高度变化的关系。(4)灵活选择机械能守恒定律的表达式，优先选用ΔEp减＝ΔEk增或ΔEA减＝ΔEB增，以使问题简化。
4．(2022·湖北黄冈中学模块验收测试)如图所示，有一轻质杆可绕O点在竖直平面内自由转动，在杆的另一端和中点各固定一个质量均为m的小球A、B，杆长为L。开始时，杆静止在水平位置，无初速度释放后杆转到竖直位置时，求A、B两小球的速度。
学习效果·随堂评估自测
1．(2023·全国甲卷)一同学将铅球水平推出，不计空气阻力和转动的影响，铅球在平抛运动过程中(　　)A．机械能一直增加B．加速度保持不变C．速度大小保持不变D．被推出后瞬间动能最大B　[铅球做平抛运动，仅受重力，故机械能守恒，A错误；铅球的加速度恒为重力加速度保持不变，B正确；铅球做平抛运动，水平方向速度不变，竖直方向做匀加速直线运动，根据运动的合成可知铅球速度变大，则动能越来越大，C、D错误。故选B。]
2．(2022·全国乙卷)固定于竖直平面内的光滑大圆环上套有一个小环。小环从大圆环顶端P点由静止开始自由下滑，在下滑过程中，小环的速率正比于(　　)A．它滑过的弧长B．它下降的高度C．它到P点的距离D．它与P点的连线扫过的面积
阅读材料·拓展物理视野
潮汐发电由于月球、太阳的引力以及地球自转的影响，海水和江水每天有两次的涨落现象，早上的称为潮，晚上的称为汐。潮汐作为一种自然现象，为人类的航海、捕捞和晒盐等活动提供了方便。
潮汐发电是一种水力发电的形式，其原理如图所示。在涨潮时将海水储存在水库内，储存重力势能；在退潮时放出海水，利用高、低潮位之间的落差，将海水的重力势能转化为动能，推动水轮机旋转，带动发电机发电，与河水不同的是，海水涨潮与退潮落差不大，但流量较大，并且呈间歇性。相比风能与太阳能这些受环境影响较大的能源，利用潮汐发电，工作时间可预知，能量规模庞大且稳定，能产生洁净无污染的高质量能源。
我国潮汐能资源丰富。据不完全统计，全国潮汐能蕴藏量为1.9亿千瓦，其中可供开发的约3 850万千瓦。我国潮汐能发展起步较早，1957年就在山东建成了第一座潮汐发电站。目前，我国潮汐电站总装机容量已有1万多千瓦，在我国优化电力结构、促进能源结构升级的大背景下，发展潮汐发电是顺应社会趋势之为。