新教材高考物理一轮复习第5章机械能研专项素养提升课件

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一、情境化主题突破:能量守恒与功能关系中的STSE问题【背景资料】随着我国经济、科技的快速发展,环保能源问题成为人们关注的热点,节能减排提升到国家战略高度,推进能源供给革命成为产业结构调整工作的重点。生活中到处可见环保能源的开发和利用,如风能发电、太阳能发电等。【考向分析】环保型能源的开发和利用是当今全人类面临的重要问题,在近几年的高考中多有体现,通常用物理规律如能量守恒及功能关系等进行分析,在这里我们初步探究几类常见的实例。
【案例探究】案例1.(风力发电)如图所示,风力发电机由风力带动叶片转动,叶片再带动转子(磁极)转动,使定子(线圈,不计电阻)中产生电流,实现风能向电能的转化。若叶片长度为l,设定的额定风速为v,空气的密度为ρ,额定风速下发电机的输出功率为P,则风能转化为电能的效率为(　　)
案例2.(太阳能路灯)下图为太阳能路灯,每只路灯的太阳能电池板有效采光面积约0.3 m2。晴天时电池板上每平方米每小时接收到的太阳辐射能约为3×106 J。如果每天等效日照时间约为6 h,太阳能电池一天产生的电能可供30 W的路灯工作8 h,则太阳能电池的光电转换效率约为(　　)A.4.8%B.9.6%C.16%D.44%
答案 C解析 每天(6 h)太阳能电池板吸收的太阳能W总=0.3×3×106×6 h =5.4×106 J,因路灯正常工作,故P额=P=30 W,灯工作8 h消耗电能W有用=Pt=8.64×105 J,太阳能电池的光电转换效率为
案例3.(多选)(节能汽车)某汽车研发机构在汽车的车轮上安装了小型发电机,将减速时的部分动能转化并储存在蓄电池中,以达到节能的目的。某次测试中,汽车以额定功率行驶一段距离后关闭发动机,测出了汽车
动能Ek与位移x的关系图像如图所示,其中①是关闭储能装置时的关系图线,②是开启储能装置时的关系图线。已知汽车的质量为1 000 kg,设汽车运动过程中所受地面阻力恒定,空气阻力不计。根据图像所给的信息可求出(　　)A.汽车行驶过程中所受地面的阻力为1 000 NB.汽车的额定功率为80 kWC.汽车加速运动的时间为22.5 sD.汽车开启储能装置后向蓄电池提供的电能为5×105 J
二、典型物理模型指导突破:多物体的机械能守恒模型【模型概述】1.常见的三种模型(1)轻绳连接的物体系统模型
(2)轻杆连接的物体系统模型
(3)轻弹簧连接的物体系统模型
2.多物体机械能守恒问题的分析方法(1)正确选取研究对象,合理选取物理过程。(2)对多个物体组成的系统要注意判断物体运动过程中,系统的机械能是否守恒。(3)注意寻找用轻绳、轻杆或轻弹簧相连接的物体间的速度关系和位移关系。(4)列机械能守恒方程时,从三种表达式中选取方便求解问题的形式。
【案例探究】如图所示,鼓形轮的半径为R,可绕固定的光滑水平轴O转动,在轮上沿相互垂直的直径方向固定四根直杆,杆上分别固定有质量为m的小球,球与O的距离均为2R,在轮上绕有长绳,绳上悬挂着质量为m0的重物。重物由静止下落,带动鼓形轮转动,重物落地后鼓形轮匀速转动,转动的角速度为ω。绳与轮之间无相对滑动,忽略鼓形轮、直杆和长绳的
质量,不计空气阻力,重力加速度为g。求:(1)重物落地后,小球线速度的大小v;(2)重物落地后一小球转到水平位置A,此时该球受到杆的作用力的大小F;(3)重物下落的高度h。
思维点拨 根据圆周运动的线速度与角速度的关系求出小球的线速度;对小球受力分析,重力和杆对小球的力的合力提供小球做匀速圆周运动的向心力;重物下落过程中对系统没有机械能与其他形式能的转化,因此机械能守恒,重物重力势能减少量等于重物和小球动能的增加量。
解析 (1)线速度v=ωr,得v=2ωR。(2)向心力F向=2mω2R设F与水平方向的夹角为α,则Fcs α=F向,Fsin α=mg
素养点拨 对于多个物体组成的系统,列机械能守恒表达式时,先找出哪些机械能减少,哪些机械能增加,根据机械能守恒得减少的能量和等于增加的能量和列式求解。
【创新训练】1.(多选)(2023安徽滁州定远县第三中学模拟)轮轴机械是中国古代制陶的主要工具。如图所示,轮轴可绕共同轴线O自由转动,其轮半径为R=20 cm,轴半径为r=10 cm,用轻质绳缠绕在轮和轴上,分别在绳的下端吊起质量为2 kg、1 kg的物块P和Q,将两物块由静止释放,释放后两物块均做初速度为0的匀加速直线运动,不计轮轴的质量及轴线O处的摩擦,重力加速度g取10 m/s2。在P从静止下降1.2 m的过程中,下列说法正确的是(　　)A.P、Q速度大小始终相等B.Q上升的距离为0.6 mC.P下降1.2 m时Q的速度大小为2 m/sD.P下降1.2 m时的速度大小为4 m/s
2.(2022辽宁锦州期末)如图所示,圆心在O点,半径为R的圆弧轨道abc竖直固定在水平桌面上,Oc与Oa的夹角为60°,轨道最低点a与桌面相切。一段不可伸长的轻绳两端系着质量分别为m和4m的小球A和B(均可视为质点),挂在圆弧轨道边缘c的两边。开始时B位于c点,从静止释放,设轻绳足够长,不计一切摩擦,则B球由c下滑到a的过程中(　　)A.当小球B经过a点时,A、B速度大小之比为1∶1B.B球的机械能先增大后减小
答案 D　解析 两小球组成的系统机械能守恒,设小球B经过a点时的速度大小为v1,此时A球的速度大小为v2。由速度关联关系有v2=v1cs 30°,即v1∶v2=
3.如图所示,一劲度系数为k=100 N/m的轻弹簧下端固定于倾角为θ=53°的光滑斜面底端,上端连接物块Q。一轻绳跨过定滑轮O,一端与物块Q连接,另一端与套在光滑竖直杆的物块P连接,定滑轮到竖直杆的距离为d=0.3 m。初始时在外力作用下,物块P在A点静止不动,OQ段轻绳与斜面平行,绳子拉力大小为50 N。已知物块P的质量为m1=0.8 kg,物块Q的质量为m2=5 kg,不计滑轮大小及摩擦作用,g取10 m/s2,sin 53°=0.8,cs 53°=0.6。现将物块P由静止释放,求:(1)物块P位于A时,弹簧的伸长量x1;(2)物块P上升h=0.4 m至与滑轮O等高的B点时的速度大小;(3)物块P上升至B点过程中,轻绳拉力对其做的功。