全国版2022高考物理一轮复习专题六机械能及其守恒课件

这是一份全国版2022高考物理一轮复习专题六机械能及其守恒课件，共60页。PPT课件主要包含了考情解读，考点帮·必备知识通关，考法帮·解题能力提升，考点2动能定理，考点1功和功率，对动能定理的理解，误差分析等内容，欢迎下载使用。
课标要求1.理解功和功率.了解生产生活中常见机械的功率大小及其意义.2.理解动能和动能定理.能用动能定理解释生产生活中的现象.3.理解重力势能,知道重力势能的变化与重力做功的关系.定性了解弹性势能.4.通过实验,验证机械能守恒定律.理解机械能守恒定律,体会守恒观念对认识物理规律的重要性.能用机械能守恒定律分析生产生活中的有关问题.
命题探究1.命题分析:高考对本专题的考查形式多样、内容丰富、考法灵活.题型有选择题、实验题、计算题等.试题综合性强,对能力要求较高.2.趋势分析:往往与动力学、运动学以及电磁学等主干知识相结合,并密切联系实际,难度较大,突出体现高考的选择性特征.
核心素养聚焦物理观念:1.理解功和功率的概念;2.掌握动能定理、机械能守恒定律;3.能用能量的观念分析有关运动问题.科学思维:1.机车的两种启动模型;2.动能定理、机械能守恒定律的运用;3.从功能关系,机械能转化和守恒的视角求解问题,体会守恒的思想.科学探究:1.通过实验探究做功与速度变化的关系;2.探究弹性势能的表达式;3.实验验证机械能守恒定律.科学态度与责任:通过本专题的学习,探索能量之间的关系,培养实事求是的科学态度,提高学习兴趣.
考点1 功和功率
考法1 功的正负判断与计算
考法2 变力做功问题的求解
高分帮·“双一流”名校冲刺
模型构建 机车启动模型
考法3 功率问题的分析与求解
考法1 动能定理的理解及基本应用
考法2 动能定理与图像的综合应用
重难突破 动能定理在多过程问题中的综合应用
考法3 动能定理在曲线运动中的应用
考点3　机械能守恒定律
考法1 机械能守恒定律的理解及判断
考法2 多物体机械能守恒问题分析
考法3 多过程机械能守恒问题分析
考点4　功能关系、能量守恒定律
考法1 功能关系的理解及判断
考法2 功能关系中的图像问题分析
考法3 运用功能关系分析求解实际问题
模型构建1 弹簧模型的功能关系问题
模型构建2 “传送带”及“板—块”模型的功能问题
重难突破 能量守恒与动力学的综合应用
考点5　实验:探究动能定理
考法1 考查实验原理和实验方法
考法2 实验过程的理解及实验数据的处理
科学创新 实验拓展迁移与创新
考点6　实验:验证机械能守恒定律
考法1 实验原理的理解
考法2 实验操作和数据处理
科学创新 四种典型创新设计方案
考点帮 必备知识通关
1.功(1)做功的两个必要因素:①作用在物体上的力;②物体在力的方向上发生的位移.(2)表达式:W=Flcs α,α是力F与位移l的夹角.(3)功的正负:功是标量,但有正负之分,功的正负可用来判断是力对物体做功还是物体克服力做功.
拓展·延伸发动机铭牌上所标注的功率为这款机械的额定功率,而实际功率可以小于其额定功率,也可等于其额定功率,但机械不能长时间超负荷运行,否则会损坏机械设备.
考法帮 解题能力提升
考法1 功的正负判断与计算
示例1 [多选]用两块材料相同的木板与竖直墙面搭成两个斜面1和2,斜面有相同的高和不同的底边,如图甲、乙所示.一个物块先后分别从两个斜面顶端释放,并沿斜面下滑到底端.对这两个过程,下列说法正确的是A.沿着1和2下滑到底端时,物块的速度大小相等B.物块下滑到底端时,速度大小与其质量无关C.物块沿着1下滑到底端的过程中,产生的热量较多D.物块下滑到底端的过程中,产生的热量与其质量无关
思维导引：求出两次下滑过程重力做的功和滑动摩擦力做的功的代数和,即可比较物块到达斜面底端时的速度的大小,需要注意的是滑动摩擦力所做的功的计算;根据功能关系求解产生的热量.
归纳总结物体从固定粗糙斜面顶端下滑到底端的过程中,或从固定粗糙斜面底端上滑到顶端的过程中,滑动摩擦力对物体做的功Wf=-μmgd(物体只受重力、支持力和摩擦力,或所受除这三个力外其他力的合力为零),即与斜面底边长d成正比,与斜面的倾角无关.
功的分析和计算1.几种力做功比较(1)重力、弹簧弹力、电场力、分子力做功与初、末位置有关,与路径无关.(2)滑动摩擦力、空气阻力、安培力做功与路径有关.2.摩擦力做功的特点(1)静摩擦力可以做正功,也可以做负功,还可以不做功.(2)相互作用的一对静摩擦力做功的代数和总等于零;相互作用的一对滑动摩擦力做功的代数和不为零,且总为负值.(3)相互作用的一对滑动摩擦力做功过程中会发生物体间机械能转移或机械能转化为内能,其中内能Q=Ffx相对.
归纳总结求解变力做功的其他方法
示例3 [与生活实际相关][2015浙江,18,6分,多选]我国科学家正在研制航母舰载机使用的电磁弹射器.舰载机总质量为3.0×104 kg,设起飞过程中发动机的推力恒为1.0×105 N;弹射器有效作用长度为100 m,推力恒定.要求舰载机在水平弹射结束时速度大小达到 80 m/s.弹射过程中舰载机所受总推力为弹射器和发动机推力之和,假设所受阻力为总推力的20%,则A.弹射器的推力大小为1.1×106 NB.弹射器对舰载机所做的功为1.1×108 JC.弹射器对舰载机做功的平均功率为8.8×107 W D.舰载机在弹射过程中的加速度大小为32 m/s2
示例4 [与图像相关] [2018全国Ⅲ,19,6分,多选]地下矿井中的矿石装在矿车中,用电机通过竖井运送到地面.某竖井中矿车提升的速度大小v随时间t的变化关系如图所示,其中图线①②分别描述两次不同的提升过程,它们变速阶段加速度的大小都相同;两次提升的高度相同,提升的质量相等.不考虑摩擦阻力和空气阻力.对于第①次和第②次提升过程A.矿车上升所用的时间之比为4∶5B.电机的最大牵引力之比为2∶1C.电机输出的最大功率之比为2∶1D.电机所做的功之比为4∶5
思维导引：本题给出两次提升矿车的v-t图像,由于两次提升高度相同,则两图线与时间轴所围面积相等,另外还要明确向上加速运动时,牵引力最大,而输出的最大功率可根据P=Fv求解.
高分帮 “双一流”名校冲刺
示例5 [启动模型+图像]某质量m=1 500 kg的“双引擎”小汽车,行驶速度v≤54 km/h时靠电动机输出动力;行驶速度在54 km/h90 km/h时汽油机和电动机同时工作,这种汽车更节能环保.该小汽车在一条平直的公路上由静止启动,汽车的牵引力F随运动时间t的变化图线如图所示,汽车所受阻力恒为1 250 N.已知汽车在t0时刻第一次自动切换动力引擎,此后保持恒定功率行驶至第11 s末,则在前11 s 内
A.t0=6 sB.电动机输出的最大功率为60 kWC.汽油机工作期间牵引力做的功为4.5×105 JD.汽车的位移为160 m
示例6 [实际问题的模型建构][2016天津,8,6分,多选]我国高铁技术处于世界领先水平.和谐号动车组是由动车和拖车编组而成的,提供动力的车厢叫动车,不提供动力的车厢叫拖车.假设动车组各车厢质量均相等,动车的额定功率都相同,动车组在水平直轨道上运行过程中阻力与车重成正比.某列动车组由8节车厢组成,其中第1、5节车厢为动车,其余为拖车,则该动车组
A.启动时乘客受到车厢作用力的方向与车运动的方向相反B.做匀加速运动时,第5、6节与第6、7节车厢间的作用力之比为 3∶2C.进站时从关闭发动机到停下来滑行的距离与关闭发动机时的速度成正比D.与改为4节动车带4节拖车的动车组最大速度之比为1∶2
学习·理解　　　　动能定理公式中“=”号的意义1.表示等式两边的单位相同,都是焦耳.2.表示数量相等,可以通过计算物体动能的变化量求合外力做的功,也可以通过计算合外力做的功求动能的变化量.3.表示因果关系,合外力做功是物体动能变化的原因.不能认为功转变成了动能.
3.应用动能定理的流程
概括•整合1.应用动能定理抓好“两状态,一过程”“两状态”即明确研究对象的初、末状态的速度或动能情况;“一过程”即明确研究过程,确定这一过程研究对象的受力情况和位置变化或位移信息.2.列动能定理方程时,必须明确各力做功的正、负,确实难以判断的先假定为正功,最后根据结果检验.
示例1 [2018全国Ⅰ,14,6分]高铁列车在启动阶段的运动可看作初速度为零的匀加速直线运动.在启动阶段,列车的动能A.与它所经历的时间成正比　　　B.与它的位移成正比C.与它的速度成正比 D.与它的动量成正比
示例2 [2019全国Ⅱ,18,6分,多选]从地面竖直向上抛出一物体,其机械能E总等于动能Ek与重力势能Ep之和.取地面为重力势能零点,该物体的E总和Ep随它离开地面的高度h的变化如图所示.重力加速度取10 m/s2.由图中数据可得A.物体的质量为2 kgB.h=0时,物体的速率为20 m/sC.h=2 m时,物体的动能Ek=40 JD.从地面至h=4 m,物体的动能减少100 J
考法2 动能定理与图像的综合应用
归纳总结　　 　　常见图像的物理意义
示例3 [2017江苏,3,3分]一小物块沿斜面向上滑动,然后滑回到原处.物块初动能为Ek0,与斜面间的动摩擦因数不变,则该过程中,物块的动能Ek与位移x关系的图线是
解析：设物块与斜面间的动摩擦因数为μ,斜面倾角为θ,物块的质量为m,则物块在上滑过程中根据功能关系有-(mgsin θ+μmgcs θ)x=Ek-Ek0,即Ek=Ek0-(mgsin θ+μmgcs θ)x;设物块沿斜面滑到距出发点x0处返回,则物块沿斜面下滑的过程中有(mgsin θ-μmgcs θ)(x0-x)=Ek,由此可以判断C项正确.
示例4 [2018全国Ⅰ,18,6分]如图,abc是竖直面内的光滑固定轨道,ab水平,长度为2R;bc是半径为R的四分之一圆弧,与ab相切于b点.一质量为m的小球,始终受到与重力大小相等的水平外力的作用,自a点处从静止开始向右运动.重力加速度大小为g.小球从a点开始运动到其轨迹最高点,机械能的增量为A.2mgR　　　B.4mgR　　　C.5mgR　　　D.6mgR
考法3 动能定理在曲线运动中的应用
思维节点：机械能的增量等于除重力之外的其他力做的功,对本题来说,机械能的增量就等于小球在运动到其轨迹最高点的过程中,水平外力做的功.
归纳总结　　 　　1.动能定理解决的是合力做功与动能变化量之间的关系,所以在分析时一定要对物体受到的各个力做的功都进行分析.分析各力做功情况时不要出现“丢功”或“错功”现象.严格按照重力、弹力、摩擦力的顺序找出运动物体所受的各个力,然后准确判断出各个力做的功.存在电场时还要考虑是否有电场力做功.2.动能定理往往应用于单个物体的运动过程,由于不涉及时间,比用运动学规律更加方便.3.找到物体运动的初、末状态的动能和此过程中合力做的功是应用动能定理解题的关键.
特别提醒　　 　　平抛运动和圆周运动是高中物理最具代表性的曲线运动,是高考必考内容.在解决曲线运动问题的过程中,动能定理作为重要工具得到了广泛的应用.此类试题模型多变,情境灵活,但考查的知识点基本一致,分析好运动过程,灵活应用动能定理即可求解.在分析求解具体问题时还应注意如下方面:1.确定物体运动的初状态和末状态.2.重力做功与物体运动路径无关,可用WG=mgh直接求解.3.滑动摩擦力或空气阻力做功与物体运动路径有关,可用Wf=Ffs求解,其中s为物体运动的路程.
重难突破 动能定理在多过程问题中的综合应用
多过程问题包含几个子过程,这几个子过程的运动性质可以相同也可以不同,子过程中可以有直线上的不同运动,也可以有曲线上的不同运动,如匀速直线运动、匀变速直线运动、圆周运动、平抛运动、往复运动等综合问题.此类题型所占分值比较大,涉及知识内容比较多,对学生的能力要求也较高.解决多过程问题的注意事项1.建立运动模型,选择合适的研究过程使问题得以简化.当物体的运动过程包含几个运动性质不同的子过程时,可以选择一个、几个或全部子过程作为研究过程.
2.当选择全部子过程作为研究过程,涉及重力、大小恒定的阻力或摩擦力做功时,要注意运用它们的功能特点:(1)重力做的功取决于物体的初、末位置高度差,与路径无关;(2)大小恒定的阻力或摩擦力做的功等于力的大小与路程的乘积.3.关注过程与过程之间的连接状态的受力特征与运动特征(比如速度、加速度或位移).
示例5 [2020全国Ⅱ,25,20分]如图,一竖直圆管质量为M,下端距水平地面的高度为H,顶端塞有一质量为m的小球.圆管由静止自由下落,与地面发生多次弹性碰撞,且每次碰撞时间均极短;在运动过程中,管始终保持竖直.已知M=4m,球和管之间的滑动摩擦力大小为4mg,g为重力加速度的大小,不计空气阻力.
(1)求管第一次与地面碰撞后的瞬间,管和球各自的加速度大小;(2)管第一次落地弹起后,在上升过程中球没有从管中滑出,求管上升的最大高度;(3)管第二次落地弹起的上升过程中,球仍没有从管中滑出,求圆管长度应满足的条件.
思维导引：(1)圆管与顶端的小球一起自由下落,触地瞬间速度向下,碰撞后的瞬间,圆管向上运动,小球向下运动,分析各自受力,可求得管和球各自的加速度;(2)管弹起做匀减速运动,球先向下减速后向上加速,当两者速度相等时摩擦力为零,又由于f=4mg>mg,此后球和管相对静止以共同速度向上减速运动;(3)分析管第一次落地弹起上升到最大高度,由动能定理求得球与管的相对位移x1,同理求得第二次落地弹起上升到最大高度时球与管的相对位移x2,圆管长度L≥x1+x2即为应满足的条件.
解析：(1)管第一次落地弹起的瞬间,球仍然向下运动.设此时管的加速度大小为a1,方向向下;球的加速度大小为a2,方向向上;球与管之间的摩擦力大小为f,由牛顿运动定律有Ma1=Mg+f　①ma2=f-mg　②联立①②式并代入题给数据,得a1=2g,a2=3g　③.
考点3　机械能守恒定律
1.重力做功的特点重力做功只取决于物体初、末位置间的高度差,与物体的运动路径无关,有WG=mgh.2.重力势能(1)地球上的物体具有跟它的高度有关的能量,叫做重力势能,Ep=mgh.(2)重力势能是标量,但有正、负之分,表示物体的重力势能比零势能大还是小.重力势能的特点如下:①重力势能是地球和物体共有的.②重力势能的大小与零势能面的选取有关.重力势能的变化是绝对的,与
零势能面的选取无关.③重力做功与重力势能变化的关系:WG=Ep1-Ep2.3.弹性势能弹性势能是物体(一般为弹簧)由于发生弹性形变而具有的能量.弹簧的弹性势能的大小与弹簧的形变量及劲度系数有关.对比·分析1.弹簧弹性形变量为零时,对应的弹性势能为零,而重力势能是否为零与所选的零势能面有关.
2.对同一弹簧,无论是压缩形变还是伸长形变,只要是形变量相同,弹性势能就相等.4.机械能守恒定律(1)内容:在只有重力做功(或系统内弹力做功)的情形下,物体的动能和重力势能(或弹性势能)发生相互转化,但机械能的总量保持不变,即机械能守恒.(2)表达形式
5.对机械能守恒条件的理解机械能守恒的条件是只有重力或系统内弹力做功.可分以下三层理解.(1)只受重力作用:如在不考虑空气阻力的情况下的各种拋体运动(自由落体、竖直上抛、平抛、斜抛等).(2)受其他力作用,但任一时刻其他力不做功,只有重力或弹力做功.如:①物体沿光滑的曲面下滑,受重力、曲面的支持力作用,但曲面的支持力对物体不做功.②在光滑水平面上运动的小球碰到弹簧,把弹簧压缩后又被弹簧弹回来,水平面的支持力对小球不做功.
注意：除重力和系统内弹力之外,还有其他力做功,但其他力做功的总和为零,系统的机械能不变,这不是真正的守恒.
考法1 机械能守恒定律的理解及判断
示例1 [山东高考,多选]如图所示,楔形木块abc固定在水平面上,粗糙斜面ab和光滑斜面bc与水平面的夹角相同,顶角b处安装一定滑轮.质量分别为M、m(M>m)的滑块,通过不可伸长的轻绳跨过定滑轮连接,轻绳与斜面平行.两滑块由静止释放后,沿斜面做匀加速运动.若不计滑轮的质量和摩擦,在两滑块沿斜面运动的过程中A.两滑块组成系统的机械能守恒B.重力对M做的功等于M动能的增加量C.轻绳对m做的功等于m机械能的增加量D.两滑块组成系统的机械能损失等于M克服摩擦力做的功
解析：对于M和m组成的系统,除了重力、轻绳弹力做功外,摩擦力也对M做功,系统机械能不守恒,选项A错误;对于M,合外力做的功等于其重力、轻绳拉力及摩擦力做功的代数和,根据动能定理可知,M动能的增加量等于合外力做的功,选项B错误;对于m,只有其重力和轻绳的拉力做功,根据功能关系可知,除了重力之外的其他力对物体做的正功等于物体机械能的增加量,选项C正确;对于M和m组成的系统,系统内轻绳上弹力做功的代数和等于零,只有两滑块的重力和M受到的摩擦力对系统做了功,根据功能关系得,M受到的摩擦力对系统做的功等于系统机械能的损失量,选项D正确.
归纳总结 怎样判断机械能是否守恒1.当研究对象(除地球外)只有一个物体时,往往根据是否“只有重力做功”来判断机械能是否守恒;当研究对象(除地球外)由多个物体组成时,往往根据“有没有摩擦力或介质阻力做功”来判断机械能是否守恒.2.“只有重力(或弹力)做功”不等于“只受重力(或弹力)作用”,在该过程中,物体可以受其他力的作用,只要这些力不做功,机械能仍守恒.3.对绳子突然绷紧、物体间碰撞等现象相关的问题,除题中说明“无能量损失”或属于“弹性碰撞”外,系统的机械能一定有损失,即机械能不守恒.
考法2 多物体机械能守恒问题分析
示例2 [2018江苏,14,16分]如图所示,钉子A、B相距5l,处于同一高度.细线的一端系有质量为M的小物块,另一端绕过A固定于B.质量为m的小球固定在细线上C点,B、C间的线长为3l.用手竖直向下拉住小球,使小球和物块都静止,此时BC与水平方向的夹角为53°.松手后,小球运动到与A、B相同高度时的速度恰好为零,然后
向下运动.忽略一切摩擦,重力加速度为g,取sin 53°=0.8,cs 53°=0.6.求:(1)小球受到手的拉力大小F;(2)物块和小球的质量之比M∶m;(3)小球向下运动到最低点时,物块M所受的拉力大小T.
模型分析　　　两个由轻绳或轻杆连接在一起的物体所组成的连接体系统,是机械能守恒定律应用的常见模型,求解的关键是找出两物体的速度关系,按两物体连接方式和速度关系一般可分为如下三种.模型1 速率相等的连接体模型1.如图甲所示的两物体组成的系统,在释放B而使A、B运动的过程中,A、B的速度均沿绳子方向,在相等的时间内A、B运动的路程相等,则A、B的速率相等.2.根据系统减少的重力势能等于系统增加的动能列方程求解.
模型2 角速度相等的连接体模型1.如图乙所示的两物体组成的系统,当从静止释放A、B后,A、B在竖直平面内绕O点转动,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,其线速度的大小与转动半径成正比.
2.解决角速度相等的连接体问题的三点提醒(1)要注意判断系统的机械能是否守恒.(2)注意寻找物体间的速度关系和位移关系.(3)列机械能守恒方程时,一般选用ΔEk=-ΔEp的形式,根据系统减少的重力势能等于系统增加的动能列方程求解.3.对于轻杆两端(或两处)各固定一个物体,整个系统绕杆上某点转动的轻杆模型,题设中一般忽略空气阻力和摩擦力,转动时两物体角速度相等,根据轻杆转轴的位置,可以确定两物体的线速度是否相等.轻杆对物体的作用力并不总是沿轻杆的方向,轻杆能对物体做功,单个物体机械能不守恒.轻杆对
物体做正功,使其机械能增加,同时轻杆对另一物体做负功,使其机械能减少,对于轻杆和两物体组成的系统,没有外力对系统做功,系统的总机械能守恒.模型3 某一方向分速度大小相等的连接体模型1.如图丙所示,A放在光滑斜面上,B穿过竖直光滑杆PQ下滑,将B的速度v沿绳子和垂直于绳子方向分解,如图丁所示,其中沿绳子的分速度vx与A的速度大小相等.2.根据系统减少的重力势能等于系统增加的动能列方程求解.
特别提醒 多物体机械能守恒问题求解的几点注意1.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.2.注意寻找用轻绳或轻杆相连接的物体间的速度关系和位移关系.3.列机械能守恒方程时,一般选用ΔEk=-ΔEp或ΔEA=-ΔEB的形式,且不用选取零势能面.(1)列方程时,选取的角度不同,表达式也不同,对参考平面的选取要求也不一定相同.(2)应用机械能守恒能解决的问题,应用动能定理同样能解决,但其解题思路和表达式有所不同.
考法帮 解题能力提升
示例3如图所示为某种鱼饵自动投放器中的投饵管装置示意图,其下半部AB是一长为2R的竖直细管,上半部BC是半径为R的四分之一圆弧弯管,管口沿水平方向,AB管内有一原长为R、下端固定的轻质弹簧.投饵时,每次总将弹簧长度压缩到0.5R后锁定,在弹簧上端放置一粒鱼饵,解除锁定,弹簧可将鱼饵弹射出去.设质量为m的鱼饵到达管口C时,对管壁的作用力恰好为零.不计鱼饵在运动过程中的机械能损失,
思维节点：对多过程进行分析时,应注意各过程运动特征及所遵从的物理规律;运用机械能守恒定律求解此题时,应注意确定整个过程中的两个守恒状态.
高分帮 “双一流”名校
归纳总结　　　 多过程机械能守恒问题求解的几点注意机械能守恒定律与平抛运动、圆周运动知识相结合的多过程、多情境试题在近几年高考中常出现,这类题能够突出考查学生分析复杂问题的能力、应用所学知识解决实际问题的能力以及创新应用能力,培养学生的“科学思维”.对于本题,具体求解时,还要注意把握以下几点:1.分段分析物体的受力情况和运动情况,根据平抛运动模型和圆周运动模型的特点建立方程;
2.抓住圆周运动和平抛运动衔接处相同的物理量,建立两模型间的联系;3.为提高解题效率,应熟练掌握机械能守恒定律不同表达式的特点,结合模型特点,快速选用合适的表达式,列出方程.
考点4　功能关系、能量守恒定律
1.对功能关系的理解(1)功是能量转化的量度,做了多少功就有多少能量发生转化.(2)做功的过程一定伴随着能量的转化,而且能量的转化必须通过做功来实现.2.几种常见的功能关系及表达式
3.能量守恒定律(1)内容:能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种形式转化为另一种形式,或者从一个物体转移到另一个物体,在转化或转移的过程中,能量的总量保持不变.(2)表达式①E初=E末,初状态各种能量的总和等于末状态各种能量的总和.②ΔE增=ΔE减,某种形式能量的减少量等于其他形式能量的增加量.
示例1[新题型][2020山东,11,4分,多选]如图所示,质量为M的物块A放置在光滑水平桌面上,右侧连接一固定于墙面的水平轻绳,左侧通过一倾斜轻绳跨过光滑定滑轮与一竖直轻弹簧相连.现将质量为m的钩码B挂于弹簧下端,当弹簧处于原长时,将B由静止释放,当B下降到最低点时(未着地),A对水平桌面的压力刚好为零.轻绳不可伸长,弹簧始终在弹性限度内,物块A始终处于静止状态.以下判断正确的是
A.M