专题11 机械能守恒定律的理解-【高考二轮】2024年高考物理热点知识清单与题型讲练（全国通用）

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一、以核心和主干知识为重点。构建知识结构体系，确定每一个专题的内容，在教学中突出知识的内在联系与综合。
二、注重情景与过程的理解与分析。善于构建物理模型，明确题目考查的目的，恰当运用所学知识解决问题：情景是考查物理知识的载体。
三、加强能力的提升与解题技巧的归纳总结。学生能力的提升要通过对知识的不同角度、不同层面的训练来实现。
四、精选训练题目，使训练具有实效性、针对性。
五、把握高考热点、重点和难点。
充分研究近5年全国和各省市考题的结构特点，把握命题的趋势和方向，确定本轮复习的热点与重点，使本轮复习更具有针对性、方向性。对重点题型要强化训练，举一反三、触类旁通，注重解题技巧的提炼，充分提高学生的应试能力。
专题11 机械能守恒定律的理解
TOC \ "1-3" \h \z \u \l "_Tc153187566" 题型一 机械能守恒定律的判断 PAGEREF _Tc153187566 \h 1
\l "_Tc153187567" 题型二 单物体的机械能守恒问题 PAGEREF _Tc153187567 \h 2
\l "_Tc153187568" 题型三 连接体的机械能守恒问题 PAGEREF _Tc153187568 \h 5
\l "_Tc153187569" 类型1 链条类机械能守恒问题 PAGEREF _Tc153187569 \h 6
\l "_Tc153187570" 类型2 轻绳连接的物体系统 PAGEREF _Tc153187570 \h 7
\l "_Tc153187571" 类型3 轻杆连接的物体系统 PAGEREF _Tc153187571 \h 9
\l "_Tc153187572" 题型四 含弹簧类机械能守恒问题 PAGEREF _Tc153187572 \h 10
题型一 机械能守恒定律的判断
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，但机械能的总量保持不变．
2．条件
只有重力或弹力做功．
3．判断方法
(1)用定义判断：若物体动能、势能均不变，则机械能不变．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(减少)，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：若物体或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，则物体或系统机械能守恒．
(4)对多个物体组成的系统，除考虑外力是否只有重力做功外，还要考虑系统内力做功，如有滑动摩擦力做功时，因摩擦生热，系统机械能将有损失．
（2023•通州区一模）为了节省能源，某商场安装了智能化的电动扶梯。无人乘行时，扶梯运转得很慢；有人站上扶梯时，它会先慢慢加速，再匀速运转。一顾客乘扶梯上楼，恰好经历了这两个过程，如图所示。下列说法中正确的是（ ）
A．顾客仅在加速过程受摩擦力的作用
B．顾客所受的摩擦力大小与扶梯的加速度大小无关
C．乘扶梯匀速上楼的过程中，顾客的机械能保持不变
D．扶梯对顾客作用力的方向先与速度方向相同，再竖直向上
（2021秋•石景山区校级期中）图中甲为“中星9A”在定位过程中所进行的10次调整轨道的示意图，其中的三条轨道如图乙所示，曲线Ⅰ是最初发射的椭圆轨道，曲线Ⅱ是第5次调整后的椭圆轨道，曲线Ⅲ是第10次调整后的最终预定圆轨道；轨道Ⅰ与Ⅱ在近地点A相切，轨道Ⅱ与Ⅲ在远地点B相切。卫星在变轨的过程中质量变化忽略不计，下列说法正确的是（ ）
A．卫星在轨道Ⅲ上运行的速度大于第一宇宙速度
B．卫星在轨道Ⅱ上经过B点时的速度大于卫星在轨道Ⅲ上经过B点时的速度
C．卫星在轨道Ⅰ上经过A点时的机械能小于卫星在轨道Ⅲ上经过B点时的机械能
D．卫星在轨道Ⅱ上经过B点时的加速度小于卫星在轨道Ⅲ上经过B点时的加速度
（2021春•谯城区校级期末）下列说法错误的是（ ）
A．静摩擦力既可做正功，也可做负功，甚至可以不做功
B．滑动摩擦力可以做正功或负功，甚至可以不做功
C．作用力和反作用力均可都做正功或都做负功
D．物体所受各力做功的代数和不为零，其机械能一定不守恒
题型二 单物体的机械能守恒问题
机械能守恒的三种表达式
1．守恒观点
(1)表达式：Ek1＋Ep1＝Ek2＋Ep2或E1＝E2.
(2)意义：系统初状态的机械能等于末状态的机械能．
(3)注意：要先选取零势能参考平面，并且在整个过程中必须选取同一个零势能参考平面．
2．转化观点
(1)表达式：ΔEk＝－ΔEp.
(2)意义：系统的机械能守恒时，系统增加(或减少)的动能等于系统减少(或增加)的势能．
3．转移观点
(1)表达式：ΔEA增＝ΔEB减．
(2)意义：若系统由A、B两部分组成，当系统的机械能守恒时，则A部分机械能的增加量等于B部分机械能的减少量．
（2023秋•沙坪坝区校级月考）如图所示，一物块以一定初速度沿粗糙的固定斜面上滑，运动时间t后，回到原位置，已知运动过程中摩擦力大小恒定，初位置为重力势能零势能点，则下列表示物体运动时间t的过程中，关于物体动能，重力势能，机械能，重力功率随时间变化的关系图中正确的是（ ）
A．B．
C．D．
（2023•蓬江区校级开学）一质量为m的物体从倾角为α的固定光滑斜面顶端由静止开始下滑，斜面高为h，当物体滑至斜面底端时，重力做功的瞬时功率为（ ）
A．mg2gℎB．12mgsin α2gℎ
C．mgsin α2gℎD．mg2gℎsinα
（2023春•芜湖期末）如图所示，在同一竖直平面内两正对着的相同半圆光滑轨道，相隔一定的距离x，虚线沿竖直方向，一小球能在其间运动。今在最低点与最高点各放一个压力传感器，测试小球对轨道的压力，并通过计算机显示出来。当轨道距离x变化时，测得两点压力差ΔFN与距离x的关系图像如右图所示。不计空气阻力，g取10m/s2。则可判断（ ）
A．小球的质量为1kg
B．相同半圆光滑轨道的半径为0.2m
C．若小球在最低点B的速度为20m/s，小球沿光滑轨道恰能通过A点，则x为15m
D．若小球在最低点B的速度为20m/s且x为0，则小球运动到A点时的速度为15m/s
（2023春•重庆期末）如图所示，光滑曲线轨道ABCD，其中BC段水平，一质量为m＝0.5kg的小球从轨道上距水平面BC高为h＝0.8m的A点由静止释放，沿轨道滑至D点后飞出，最终落至水平轨道BC上的一点E，（g＝10m/s2）求：
（1）小球滑至C点时的速度；
（2）小球落至E点时的动能。
（2023春•镇沅县校级期末）如图所示，竖直平面内的一半径R＝0.50m的光滑圆弧槽BCD，B点与圆心O等高，一水平面与圆弧槽相接与D点．质量为m＝0.10kg的小球从B点的正上方H＝0.95m高处的A点自由下落，由B点进入圆弧轨道，从D点飞出后落在水平面的Q点，DQ间的距离s＝2.4m，球从D点飞出后的运动过程中相对水平面上升的最大高度h＝0.80m，取g＝10m/s2，不计空气阻力，求：
（1）小球经过C点时轨道对它的支持力大小；
（2）小球经过最高点P的速度大小vp；
（3）D点与圆心O的高度差hOD．
题型三 连接体的机械能守恒问题
1．如图所示的两物体组成的系统，当释放B而使A、B运动的过程中，A、B的速度均沿绳子方向，在相等时间内A、B运动的路程相等，则A、B的速率相等。
判断系统的机械能是否守恒不从做功角度判断，而从能量转化的角度判断，即：如果系统中只有动能和势能相互转化，系统的机械能守恒。这类题目的典型特点是系统不受摩擦力作用。
2．如图所示的两物体组成的系统，当释放后A、B在竖直平面内绕O点的轴转动，在转动的过程中相等时间内A、B转过的角度相等，则A、B转动的角速度相等。
系统机械能守恒的特点
(1)一个物体的机械能增加，另一个物体的机械能必然减少，机械能通过内力做功实现物体间的转移。
(2)内力对一个物体做正功，必然对另外一个物体做负功，且二者代数和为零。
3．如图所示的两物体组成的系统，当释放后A、B运动的过程中，A、B的速度并非均沿绳子方向，在相等时间内A、B运动的路程不相等，则A、B的速度大小不相等，但二者在沿着绳子方向的分速度大小相等。
列系统机械能守恒的两种思路
(1)系统动能的减少(增加)等于重力势能的增加(减少)。
(2)一个物体机械能的减少等于另一个物体机械能的增加。
类型1 链条类机械能守恒问题
（2023•黎川县校级开学）如图所示，总长为l、质量为m的均匀软绳对称地挂在轻小滑轮上，用细线将质量也为m的物块与软绳一端连接。现将物块由静止释放，直到软绳刚好全部离开滑轮。不计一切摩擦，重力加速度为g，下列说法正确的是（ ）
A．在软绳从静止到刚离开滑轮的过程中，物块的机械能减少了18mgl
B．在软绳从静止到刚离开滑轮的过程中，物块的机械能减少了38mgl
C．在软绳从静止到刚离开滑轮的过程中，软绳的机械能增加了58mgl
D．在软绳从静止到刚离开滑轮的过程中，软绳的机械能增加了78mgl
（2023春•吉安期末）如图所示，有一条长为L＝1.5m的均匀金属链条，有34L在光滑的足够高的斜面上，另14L竖直下垂在空中，在外力作用下静止不动。斜面顶端P是一个很小的光滑圆弧，斜面倾角为37°。忽略空气阻力，g取10m/s2，sin37°＝0.6。当撤去外力后链条滑动，则链条刚好全部越过P时的速率为（ ）
A．3m/sB．3m/sC．1m/sD．32m/s
（2023春•内江期末）如图所示，匀质铁链质量为m，长度为L，现使其L2放在倾角为30°的光滑斜面上，其余部分竖直下垂。若由静止释放使铁链自由运动，则铁链下滑至整条铁链刚好全部离开斜面时，铁链的速度为（ ）
A．5gL8B．3gL4C．3gL8D．7gL8
类型2 轻绳连接的物体系统
（2023秋•南关区校级月考）如图所示，半径为R的圆环固定在倾角为30°的斜面上，圆心为O，O1、O2为两个固定在斜面上的轻质定滑轮，其中O2在O点沿斜面正上方2R处，轻质细绳跨过定滑轮，一端连接位于圆环底部的小球A，一端连接小球B，小球A套在圆环上。若小球A以初速度v0开始运动（v0为未知量），恰好能沿着圆环上升到最高点D。已知小球A、B的质量分别为M、m，其中M＝2m，重力加速度为g，忽略一切摩擦。下列说法正确的是（ ）
A．小球A的初速度v0=2gR
B．小球A到达与圆心等高处C点时，小球A和小球B的速度之比为vA：vB=2：3
C．小球A到达与圆心等高处C点时，小球A的速度为vA=5(3−5)14gR
D．若M＝m，小球A仍以初速度v0开始运动，则小球A不能越过与圆心等高的C点
（2023秋•丰台区期中）如图所示，一条轻绳跨过定滑轮，绳的两端各系一个小球A和B，A球质量为m，B球质量为3m。用手托B球，当轻绳刚好被拉紧时，B球离地面的高度为h，A球静止于地面。定滑轮的质量及滑轮与轴间的摩擦均不计，重力加速度为g。释放B球，下列说法正确的是（ ）
A．经过时间2ℎg，B球恰好落地
B．A球能上升的最大高度为1.5h
C．B球下落过程中减少的重力势能等于两球增加的动能
D．B球落地前定滑轮受到向上的拉力大小为4mg
（2023秋•顺义区校级月考）如图所示，一条轻绳跨过定滑轮，绳的两端各系一个小球a和b，用手托住球b，当绳刚好被拉紧时，球b离地面的高度为h，球a静止于地面。已知球a的质量为m，球b的质量为3m，重力加速度为g，定滑轮的质量及轮与轴间的摩擦均不计。若无初速度释放球b，则下列判断正确的是（ ）
A．经过时间2ℎg，球b恰好落地
B．在球b下落过程中，球b所受拉力大小为mg
C．在球b下落过程中，球a的机械能增加了32mgℎ
D．球b落地前瞬间速度大小为2gℎ
类型3 轻杆连接的物体系统
（2023秋•南岗区校级月考）如图，一长为L的轻杆两端分别用铰链与质量均为m的小球A、B连接，A套在固定竖直杆上，B放在倾角θ＝30°的斜面上。开始时，轻杆AB与竖直杆的夹角α＝30°。现将轻杆由静止释放，A沿竖直杆向下运动，B沿斜面下滑。小球均可视为质点，不计一切摩擦，已知重力加速度大小为g。下列判断正确的是（ ）
A．A碰到斜面前瞬间，B重力的功率为零
B．A碰到斜面前瞬间，B的速度大小为gL2(1+13)
C．A碰到斜面前瞬间，A的速度大小为4gL5(1+13)
D．B下滑过程中，A重力势能的减少量等于A、B动能增加量之和
（2023秋•渝中区校级月考）如图所示，顶角P为60°的光滑折型硬杆固定在竖直平面内，质量均为m的小球甲、乙（均视为质点）用长度为L的轻质硬杆连接，分别套在硬杆的倾斜和水平部分，当轻质硬干成竖直状态时甲静止在A点，乙静止在C点。甲由于受到轻微的扰动开始运动，当甲运动到B点时，轻质硬杆与水平方向的夹角为60°，重力加速度为g，则甲在B点时的动能为（ ）
A．(2−3)mgL4B．(2−3)mgL2C．mgLD．3mgL2
（2023秋•沙河口区校级期中）如图所示，一轻杆两端分别固定a、b两个半径相等的光滑金属球，a球质量大于b球质量，整个装置放在光滑的水平面上，设b球离地高度为h，将此装置从图示位置由静止释放，则下列判断正确的是（ ）
A．当a的机械能最大时，b的加速度大于重力加速度g
B．在b球落地前瞬间，b球的速度大小为gℎ
C．在b球落地前的整个过程中，轻杆对a球做的功为零
D．在b球落地前的整个过程中，轻杆对b球做正功
题型四 含弹簧类机械能守恒问题
1．物体由于发生弹性形变而具有的能量叫做弹性势能．
2．发生形变的物体不一定具有弹性势能，只有发生弹性形变的物体才具有弹性势能．
3．弹性势能是弹力装置和受弹力作用的物体组成的系统所共有的．
4．弹力做功引起弹性势能的变化．弹力做正功，弹性势能减少，弹力做负功，弹性势能增加．
（2023春•沈阳期末）质量为m的小球从某高度的O点由静止下落，落在自由放置的轻弹簧上，弹簧自由放置时最高点为A点，如图所示。已知小球到达B点时小球的重力与弹簧的弹力大小相等，图中C点是小球到达的最低点（不计空气阻力）。下列说法正确的是（ ）
A．从O点到C点，小球的重力势能减小，动能增大，小球的机械能守恒
B．从A点到C点，小球的重力势能一直减小，动能先增大后减小，小球、地球、弹簧组成的系统的机械能不守恒
C．到达B点时，小球的动能最大，弹簧的弹性势能最小
D．从O点到A点，小球的重力势能减小，动能增大，小球、地球组成的系统的机械能守恒
（2023春•浦东新区校级期末）如图所示，劲度系数为k的轻质弹簧，一端系在竖直放置的半径为R的圆环顶点P，另一端系一质量为m的小球，小球穿在圆环上做无摩擦的运动，设开始时小球置于A点，弹簧处于自然状态，当小球运动到最低点时速率为v，对圆环恰好没有压力．下列分析正确的是（ ）
A．从A到B的过程中，小球的机械能守恒
B．从A到B的过程中，小球的机械能减少
C．小球过B点时，弹簧的弹力为mg﹣mv2R
D．小球过B点时，弹簧的弹力为mg+mv22R
（2023•吉州区校级一模）如图所示，A、B两小球由绕过轻质定滑轮的细线相连，A放在固定的光滑斜面上，B、C两小球在竖直方向上通过劲度系数为k的轻质弹簧相连，C放在水平地面上。现用手控制住A，并使细线刚刚拉直但无拉力作用，同时保证滑轮左侧细线竖直、右侧细线与斜面平行。已知A的质量为4m，B、C的质量均为m，重力加速度为g，细线与滑轮之间的摩擦不计。开始时整个系统处于静止状态；释放A后，A沿斜面下滑至速度最大时，C恰好离开地面，在此过程中，求：
（1）斜面的倾角α；
（2）弹簧恢复原长时，细线中的拉力大小F0；
（3）A沿斜面下滑的速度最大值vm。
（2022•天津模拟）简谐运动是一种常见且重要的运动形式。它是质量为m的物体在受到形如F＝﹣kx的回复力作用下，物体的位移x与时间t遵循x＝Asinωt变化规律的运动，其中角频率ω=2πT=km（k为常数，A为振幅，T为周期）。弹簧振子的运动就是其典型代表。
如图所示，一竖直光滑的管内有一劲度系数为k的轻弹簧，弹簧下端固定于地面，上端与一质量为m的小球A相连，小球A静止时所在位置为O，另一质量也为m的小球B从距A为H的P点由静止开始下落，与A发生瞬间碰撞后一起开始向下做简谐运动。两球均可视为质点，在运动过程中，弹簧的形变在弹性限度内，当其形变量为x时，弹性势能为Ep=12kx2，已知H=3mgk，重力加速度为g。求：
（1）B与A碰撞后瞬间一起向下运动的速度；
（2）小球A被碰后向下运动离O点的最大距离。
（3）小球A从O点开始向下运动到第一次返回O点所用的时间。
（2022春•海淀区期末）如图所示，一根轻弹簧上端固定，下端挂一小球（可视为质点），弹簧处于原长时小球位于P点。将小球从P点由静止释放，小球沿竖直方向在PQ之间做往复运动。小球运动过程中弹簧始终处于弹性限度内。不计空气阻力，重力加速度为g。
（1）请根据动能定理及重力、弹力做功的特点，证明：小球运动过程中，小球、弹簧和地球组成的系统机械能守恒。
（2）上述的运动情形，在生活中也常常遇到，如图甲所示的蹦极运动。为了研究蹦极过程，可做以下简化：将游客视为质点，他的运动沿竖直方向，忽略弹性绳的质量和空气阻力，在弹性限度内弹性绳的特点和弹簧可视为相同。如图乙所示，某次蹦极时，游客从蹦极平台末端O点由静止开始下落，到a点时弹性绳恰好伸直，游客继续向下运动，能到达的最低位置为b点，整个过程中弹性绳始终在弹性限度内，且游客从蹦极平台第一次到b点的过程中，机械能损失可忽略。已知弹性绳的原长为l0，弹性绳劲度系数为k。
①游客从蹦极平台末端O点第一次到b点的运动过程中，请在图丙中定性画出弹性绳弹力F的大小随伸长量x变化关系的图线；
②借助F—x图像可以确定弹力做功的规律，在此基础上，若已知游客的质量为m，求游客从O点运动到b的过程中的最大速度的大小。