高考物理机械能守恒定律1
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机械能守恒定律1.由物体间的相互作用和物体间的相对位置确定的能叫做势能.如重力势能、弹性势能、分子势能、电势能等.(1)物体由于受到重力作用而具有重力势能,表达式为E P=一mgh.式中h是物体到零重力势能面的高度.(2)重力势能是物体与地球系统共有的.只有在零势能参考面确定之后,物体的重力势能才有确定的值,若物体在零势能参考面上方高h处其重力势能为E P=一mgh,若物体在零势能参考面下方低h处其重力势能为E P=一mgh,“一”不表示方向,表示比零势能参考面的势能小,明显零势能参考面选择的不同,同一物体在同一位置的重力势能的多少也就不同,所以重力势能是相对的.通常在不明确指出的状况下,都是以地面为零势面的.但应特殊留意的是,当物体的位置变更时,其重力势能的变更量与零势面如何选取无关.在实际问题中我们更会关切的是重力势能的变更量.(3)弹性势能,发生弹性形变的物体而具有的势能.中学阶段不要求详细利用公式计算弹性势能,但往往要依据功能关系利用其他形式能量的变更来求得弹性势能的变更或某位置的弹性势能.2.重力做功与重力势能的关系:重力做功等于重力势能的削减量W G=ΔE P减=E P初一E P末,克服重力做功等于重力势能的增加量W克=ΔE P增=E P末—E P初特殊应留意:重力做功只能使重力势能与动能相互转化,不能引起物体机械能的变更.3、动能和势能(重力势能与弹性势能)统称为机械能.二、机械能守恒定律1、内容:在只有重力(和弹簧的弹力)做功的状况下,物体的动能和势能发生相互转化,但机械能的总量保持不变.2.机械能守恒的条件(1)做功角度:对某一物体,若只有重力(或弹簧弹力)做功,其他力不做功(或其他力做功的代数和为零),则该物体机械能守恒.(2)能转化角度:对某一系统,物体间只有动能和重力势能及弹性势能的相互转化,系统和外界没有发朝气械能的传递,机械能也没有转变为其他形式的能,则系统机械能守恒.3.表达形式:E K1+E pl=E k2+E P2(1)我们解题时往往选择的是与题目所述条件或所求结果相关的某两个状态或某几个状态建立方程式.此表达式中E P是相对的.建立方程时必需选择合适的零势能参考面.且每一状态的E P都应是对同一参考面而言的.(2)其他表达方式,ΔE P=一ΔE K,系统重力势能的增量等于系统动能的削减量.(3)ΔE a=一ΔE b,将系统分为a、b两部分,a部分机械能的增量等于另一部分b的机械能的削减量,三、推断机械能是否守恒首先应特殊提示留意的是,机械能守恒的条件绝不是合外力的功等于零,更不是合外力等于零,例如水平飞来的子弹打入静止在光滑水平面上的木块内的过程中,合外力的功及合外力都是零,但系统在克服内部阻力做功,将部分机械能转化为内能,因而机械能的总量在削减.(1)用做功来推断:分析物体或物体受力状况(包括内力和外力),明确各力做功的状况,若对物体或系统只有重力或弹力做功,没有其他力做功或其他力做功的代数和为零,则机械能守恒;(2)用能量转化来判定:若物体系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,则物体系机械能守恒.(3)对一些绳子突然绷紧,物体间非弹性碰撞等除非题目的特殊说明,机械能必定不守恒,完全非弹性碰撞过程机械能不守恒说明:1.条件中的重力与弹力做功是指系统内重力弹力做功.对于某个物体系统包括外力和内力,只有重力或弹簧的弹力作功,其他力不做功或者其他力的功的代数和等于零,则该系统的机械能守恒,也就是说重力做功或弹力做功不能引起机械能与其他形式的能的转化,只能使系统内的动能和势能相互转化.如图5-50所示,光滑水平面上,A与L1、L2二弹簧相连,B与弹簧L2相连,外力向左推B使L1、L2被压缩,当撤去外力后,A、L2、B这个系统机械能不守恒,因为L I对A的弹力是这个系统外的弹力,所以A、L2、B这个系统机械能不守恒.但对L I、A、L2、B这个系统机械能就守恒,因为此时L1对A的弹力做功属系统内部弹力做功.2.只有系统内部重力弹力做功,其它力都不做功,这里其它力合外力不为零,只要不做功,机械能仍守恒,即对于物体系统只有动能与势能的相互转化,而无机械能与其他形式转化(如系统无滑动摩擦和介质阻力,无电磁感应过程等等),则系统的机械能守恒,如图5-51所示光滑水平面上A与弹簧相连,当弹簧被压缩后撤去外力弹开的过程,B相对A没有发生相对滑动,A、B之间有相互作用的力,但对弹簧A、B物体组成的系统机械能守恒.3.当除了系统内重力弹力以外的力做了功,但做功的代数和为零,但系统的机械能不肯定守恒.如图5—52所示,物体m在速度为v0时受到外力F作用,经时间t速度变为v t.(v t>v0)撤去外力,由于摩擦力的作用经时间t/速度大小又为v0,这一过程中外力做功代数和为零,但是物体m的机械能不守恒。
第1讲功与功率学习目标 1.理解功的概念,会判断正、负功,会计算功的大小。
2.理解功率的概念,会求解平均功率和瞬时功率。
3.会分析、解决机车启动的两类问题。
1.2.1.思考判断(1)只要物体受力的同时又发生了位移,就一定有力对物体做功。
(×)(2)一个力对物体做了负功,则说明这个力一定阻碍物体的运动。
(√)(3)作用力做正功时,反作用力一定做负功。
(×)(4)由P=F v既能求某一时刻的瞬时功率,也可以求平均功率。
(√)(5)由P=Wt知,只要知道W和t就可求出任意时刻的功率。
(×)(6)当F为恒力时,v增大,F的功率一定增大。
(×)2.水平恒力F两次作用在同一静止物体上,使物体沿力的方向发生相同的位移,第一次是在光滑水平面上,第二次是在粗糙水平面上,两次力F做的功和平均功率的大小关系是()A.W1=W2,P1>P2B.W1>W2,P1=P2C.W1>W2,P1>P2D.W1=W2,P1=P2答案A考点一恒力做功的分析和计算1.判断力是否做功及做正、负功的方法判断根据适用情况根据力和位移方向的夹角判断常用于恒力做功的判断根据力和瞬时速度方向的夹角判断常用于质点做曲线运动根据功能关系或能量守恒定律判断常用于变力做功的判断2.(1)恒力做的功直接用W=Fs cos α计算或用动能定理计算。
(2)合力做的功方法一:先求合力F合,再用W合=F合s cos α求功,尤其适用于已知质量m和加速度a的情况。
方法二:先求各个力做的功W 1、W 2、W 3、…,再应用W 合=W 1+W 2+W 3+…求合力做的功。
方法三:利用动能定理,合力做的功等于物体动能的变化量。
例1 (多选)一位质量m =60 kg 的滑雪运动员从高h =10 m 的斜坡自由下滑,如图1所示,如果运动员在下滑过程中受到的阻力f =50 N ,斜坡的倾角θ=30°,重力加速度g 取10 m/s 2,运动员滑至坡底的过程中,关于各力做功的情况,下列说法正确的是( )图1A.重力做的功为6 000 JB.阻力做的功为1 000 JC.支持力不做功D.各力做的总功为零 答案 AC解析 对运动员受力分析如图所示,重力做功W G =mgh =60×10×10 J =6 000 J ,阻力做功W f =-f ·h sin θ=-50×1012J =-1 000 J ,由于支持力方向与位移方向垂直,支持力不做功,即W N =0,各力做的总功W 总=WG+W f +W N =5 000 J ,故A 、C 正确,B 、D 错误。
高考物理机械能守恒知识点解析在高考物理中,机械能守恒定律是一个非常重要的知识点,理解和掌握它对于解决相关问题至关重要。
接下来,让我们一起深入探讨机械能守恒的相关内容。
一、机械能守恒定律的基本概念机械能包括动能和势能。
动能是物体由于运动而具有的能量,其大小与物体的质量和速度有关,表达式为$E_{k} =\frac{1}{2}mv^{2}$,其中$m$是物体的质量,$v$是物体的速度。
势能又分为重力势能和弹性势能。
重力势能是物体由于被举高而具有的能量,其大小与物体的质量、高度以及重力加速度有关,表达式为$E_{p} = mgh$,其中$h$是物体相对参考平面的高度。
弹性势能则是物体由于发生弹性形变而具有的能量,常见于弹簧的拉伸或压缩。
机械能守恒定律指的是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,而总的机械能保持不变。
二、机械能守恒定律的条件机械能守恒定律成立需要满足两个条件:一是只有重力或弹力做功。
这意味着其他力(如摩擦力、拉力等)不做功,或者做功的代数和为零。
二是系统内没有机械能与其他形式能的转化。
例如,没有内能的产生、没有电能的转化等。
需要注意的是,“只有重力或弹力做功”并不意味着物体只受重力或弹力作用。
物体可以受到其他力,但只要这些力不做功或者做功的代数和为零,机械能仍然守恒。
三、机械能守恒定律的表达式机械能守恒定律常见的表达式有以下三种:1、初态的机械能等于末态的机械能,即$E_{初} = E_{末}$,具体可写为$E_{k1} + E_{p1} = E_{k2} + E_{p2}$。
2、动能的增加量等于势能的减少量,即$\Delta E_{k} =\DeltaE_{p}$。
3、系统减少(或增加)的势能等于系统增加(或减少)的动能,即$\Delta E_{p} =\Delta E_{k}$。
四、机械能守恒定律的应用机械能守恒定律在解决物理问题中有着广泛的应用,下面通过一些具体的例子来进行说明。
2022年江苏省高考物理总复习:机械能守恒定律1.如图,一倾角为30°的光滑斜面固定在水平面上,斜面顶端固定一光滑的轻质小滑轮,两球质量相等,小球B距地面高度h=1.6m,取g=10m/s2,当B球落地时A球尚未到达斜面顶端,则此时B球速度达到()A.2m/s B.5m/s C.m/s D.2m/s【分析】两个小球组成的系统机械能守恒,根据机械能守恒定律进行解答。
【解答】解:小球B落地时小球A上升的距离为:x=h=1.6m对两个小球根据机械能守恒定律可得:mgh﹣mgxsin30°=解得:v=2m/s、ABC错误。
故选:D。
【点评】本题主要是考查机械能守恒定律,解答此类问题的关键是掌握机械能守恒定律的书写方法:①根据某一位置的动能与重力势能之和等于另一位置的动能与重力势能之和列方程;②根据系统重力势能的减少等于系统动能的增加列方程。
2.质量为m的椰子,长熟后会从树上自行掉下来,下落H后落入水中,椰子在水中减速下降深度为h后陷入淤泥,忽略空气阻力,椰子刚落入水中时的机械能可以表示为()A.mg(H+h)B.mgh C.mgH D.无法确定【分析】椰子落入水中前只有重力做功,机械能守恒,根据机械能守恒定律进行解答。
【解答】解:椰子落入水中前只有重力做功,机械能守恒。
以淤泥表面为零势能面,根据机械能守恒定律可得椰子刚落入水中时的机械能为:E=mg(H+h)、BCD错误。
故选:A。
【点评】本题主要是考查了机械能守恒定律的知识;要知道机械能守恒定律的守恒条件是只有重力或弹力做功,知道机械能的大小与零势能面的选取有关。
3.一物体在两个不同的力的作用下发生一段位移,这两个力对物体做的功分别为100J、﹣50J,则这两个力的合力对物体做的功为()A.50J B.﹣50J C.100J D.﹣100J【分析】已知两力各自所做的功,根据二者的代数和即可求出合力所做的功。
【解答】解:根据总功的定义可知,合力对物体做的功W=W1+W2=100J﹣50J=50J,故A正确。
五机械能及其守恒定律一、基本概念和规律1.功的分析(1)恒力做功的判断:依据力与位移方向的夹角来判断。
(2)曲线运动中功的判断:依据F与v的方向夹角α来判断,0°≤α<90°时,力对物体做正功;90°<α≤180°时,力对物体做负功;α=90°时,力对物体不做功。
(3)依据能量变化来判断:功是能量转化的量度,若有能量转化,则必有力对物体做功。
此方法常用于判断两个相联系的物体。
2.功的计算(1)恒力做功的计算方法(2)变力做功的分析与计算方法以例说法应用动能定理用力F把小球从A处缓慢拉到B处,F做功为WF,则有:W F-mgl(1-cos θ)=0,得W F=mgl(1-cos θ)微元法质量为m的木块在水平面内做圆周运动,运动一周克服摩擦力做功W f=f·Δx1+f·Δx2+f·Δx3+…+f·Δx n=f(Δx1+Δx2+Δx3+…+Δx n)=f·2πR功率法汽车以恒定功率P在水平路面上运动时间t的过程中,牵引力做功W F =Pt等效转换法恒力F把物块从A拉到B,轻绳对物块做的功W=F·⎝⎛⎭⎪⎫hsin α-hsin β平均力法弹簧由伸长x1被继续拉至伸长x2的过程中,克服弹力做功W=kx1+kx22·(x2-x1)图象法根据力(F)—位移(l)图象的物理意义计算变力对物体所做的功,如图,横轴上方阴影部分的面积减去横轴下方阴影部分的面积在数值上等于变力所做功的大小(1)公式P=Wt和P=F v的区别P=Wt是功率的定义式,P=F v是功率的计算式。
(2)平均功率的计算方法①利用P-=Wt。
②利用P-=F v-cos α,其中v-为物体运动的平均速度。
(3)瞬时功率的计算方法①利用公式P=F v cos α,其中v为t时刻的瞬时速度。
②利用公式P=F v F,其中v F为物体的速度v在力F方向上的分速度。
图5-1-1 机械能守恒定律第1课时 追寻守恒量 功基础知识回顾1.追寻守恒量(1) 能量:简称"能".物质运动的一般量度.任何物质都离不开运动,如引力运动、机械运动、分子热运动、电磁运动、化学运动、原子核与基本粒子运动......等.对运动所能作的最一般的量度就是能量,用数学的语言说,能量是物质运动状态的一个单值函数.相应于不同形式的运动,能量分为机械能、内能、电能、磁能、化学能、原子能等.当物质的运动形式发生转变时,能量形式同时发生转变.能量可以在物质之间发生传递,这种传递过程就是作功或传递热量.例如,河水冲击水力发电机作功的过程就是河水的机械能传递给发电机,并转变为电能.自然界一切过程都服从能量转化和守恒定律,物体要对外界作功,就必须消耗本身的能量或从别处得到能量的补充.因此.一个物体的能量愈大,它对外界就有可能做更多的功. (2) 机械能:物质机械运动的量度.包括动能、重力势能和弹性势能.(3) 动能:物体由于运动而具有的能量.(4) 势能:相互作用的物体凭借其位置而具有的能量.2.功的概念(1)定义:一个物体受到力的作用,如果在力的方向上发生一段位移,就说这个力做了功. (2)做功的两个必要条件:a 、力; b 、物体在力的方向上发生位移. (3)功的单位:在国际单位制中,功的单位是焦耳,符号J ,其物理意义是:1J 等于1N 的力使物体在力的方向上发生1m 的位移时所做的功. (4)功是标量,只有大小,没有方向. (5)功是过程量,即做功必定对应一个过程(位移)应明确是哪个力在哪个过程中对哪个物体做功. 3、功的计算(1)功的一般计算公式: W=Flcos θ (2)条件:适用于恆力所做的功 (3)字母意义:F ——力 l ——物体对地位移 θ——F 、l 正方向之间的夹角 4、正负功的意义(1)根据功的计算公式W=Flcos θ可得到以下几种情况: ①当θ=90o 时,cos θ=0,则W =0即力对物体不做功;②当00≤θ<90o 时, cos θ>0,则W >0,即力对物体做正功;③当90o <θ≤180o 时,则cos θ<0,即力对物体做负功,也常说成物体克服这个力做功;(2)功的正负既不表示方向,也不表示大小,它表示:正功是动力对物体做功,负功是阻力对物体做功.5、作用力与反作用力的功作用力与反作用力同时存在,作用力做功时,反作用力可能做功,也可能不做功,可能做正功也可能做负功;不要以为作用力与反作用力大小相等,方向相反,就一定有作用力、反作用力的功,数值相等,一正一负.6、总功的求法(1)先求外力的合力F 合,再应用功的公式求出总功:W=F 合l cosα (2)先分别求出各外力对物体所做的功W 1、W 2、W 3……,总功即这些功的代数和:W =W 1+W 2+W 3+……重点难点例析一、判断力是否做功及其正负的方法:1.看力F 与l 夹角α——常用于恒力做功的情形.2.看力F 与v 方向夹角α——常用于曲线运动情形. 若α为锐角做正功,若α为直角则不做功,若α为钝角则做负功. 【例1】如图5-1-1所示,小物体位于光滑的斜面上,斜面位于光滑的水平地面上,从地面上看,在小物体沿斜面下滑的过程中,斜面对小物体的作用力( )A.垂直于接触面,做功为零;B.垂直于接触面,做功不为零;C.不垂直于接触面,做功为零;D.不垂直于接触面,做功不为零.【解析】由于斜面是光滑的,斜面对物体的作用力只有支持力N,方向一定垂直于斜面.若斜面固定不动,物体沿斜面运动时,支持力N与物体位移方向垂直,不做功,但当斜面不固定时,物体沿斜面下滑的同时,在N的反作用力作用下,斜面要向后退,如图5-1-1所示,物体参与了两个分运动:沿斜面的下滑;随斜面的后移,物体的合位移l与支持力N的夹角α大于90°,故支持力N对物体做负功,做功不为零.选项B正确.【答案】B●拓展下面列举的哪几种情况下所做的功是零()A.卫星做匀速圆周运动,地球引力对卫星做的功B.平抛运动中,重力对物体做的功C.举重运动员,扛着杠铃在头上的上方停留10s,运动员对杠铃做的功D.木块在粗糙水平面上滑动,支持力对木块做的功【解析】:A引力作为卫星做圆周运动的向心力,向心力与卫星运动速度方向垂直,所以,这个力不做功.C杠铃在此时间内位移为零.D木块的支持力与位移方向垂直,所以,支持力不做功.故A、C、D 是正确的.【答案】ACD二、求变力的功:1.化变力为恒力:(1) 分段计算功,然后用求和的方法求变力所做的功.(2)用转换研究对象的方法求变力所做的功.2. 若F是位移l的线性函数时,先求平均值122F FF+=,由αcosl FW=求其功.例如:用铁锤把小铁钉钉入木板,设木板对钉子的阻力与钉进木板的深度成正比,已知铁锤第一次将钉子钉进d,如果铁锤第二次敲钉子时对钉子做的功与第一次相同,那么,第二次进入木板的深度是多少?解:()22kd kd k d dd d'++'⋅=∴1)d d'=3. 作出变力变化的F-l图象,图象与位移轴所围的“面积”即为变力做的功.在F-l图象中,图线与坐标轴所围成的“面积”表示功.对于方向不变,大小随位移变化的力,作出F-l图象,求出图线与坐标轴所围成的“面积”,就求出了变力所做的功,上述例题也可用图象法来求解.因为木板对钉子的阻力与钉进木板的深度成正比,即F=kd,其图象为图5-1-2所示.铁锤两次对钉子做功相同,则三角形OAB的面积与梯形ABCD的面积相等,即[]')(21)(21dddkkdkdd⨯'++=⨯解得1)d d'=【例2】以一定的速度竖直向上抛出一小球,小球上升的最大速度为h,空气的阻力大小恒为F,则从抛出至落回出发点的过程中,空气阻力对小球做的功为()A.0 B.-FhC.-2Fh D.-4Fh【解析】从全过程看,空气的阻力为变力,但将整个过程分为两个阶段:上升阶段和下落阶段,小球在每个阶段上受到的阻力都是恒力,且总是跟小球运动的方向相反,空气阻力对小球总是做负功,全过程空气阻力对小球做的功等于两个阶段所做功的代数和,图5-1-2Kd+d即()()Fh Fh Fh W W W 2-=-+-=+=下上 【答案】C【点拨】空气阻力、摩擦阻力是一种特殊的力,在计算这种力做功时,不可简单地套用功的计算公式αcos Fl W =得出W =0的错误结论.从上面的正确结果可以看出:空气阻力做的功在数值上等于阻力与全过程小球路程的乘积.●拓展如图5-1-3在光滑的水平面上,物块在恒力F =100N的作用下从A 点运动到B 点,不计滑轮的大小,不计绳与滑轮的质量及绳、滑轮间的摩擦,H=2.4m,α=37°,β=53°,求绳的拉力对物体所做的功.【解析】绳的拉力对物体来说是个变力(大小不变,方向改变),但分析发现,人拉绳却是恒力,于是转换研究对象,用人对绳子做的功来求绳对物体所做的功W =F ·l =F (βαsin sin H H -)=100 J【答案】W =F ·l =F (βαsin sin H H -)=100J三、分析摩擦力做功:不论是静摩擦力,还是滑动摩擦力既可以对物体做正功,也可以对物体做负功,还可能不对物体做功.力做功是要看哪个力对哪个物体在哪个过程中做的功,而不是由力的性质来决定的.力做正功还是做负功要看这个力是动力还是阻力.摩擦力可以是动力也可以是阻力,也可能与位移方向垂直.☆ 易错门诊【例3】物块从光滑曲面上的P 点自由滑下,通过粗糙的静止水平传送带以后落到地面上的Q 点,若传送带的皮带轮沿逆时针方向转动起来,使传送带随之运动,如图5-1-4所示,再把物块放到P 点自由滑下则( )A.物块将仍落在Q 点B.物块将会落在Q 点的左边C.物块将会落在Q 点的右边D.物块有可能落不到地面上【错解】因为皮带轮转动起来以后,物块在皮带轮上的时间长,相对皮带位移量大,摩擦力做功将比皮带轮不转动时多,物块在皮带右端的速度将小于皮带轮不动时,所以落在Q 点左边,应选B 选项.【错因】学生的错误主要是对物体的运动过程中的受力分析不准确.实质上当皮带轮逆时针转动时,无论物块以多大的速度滑下来,传送带给物块施的摩擦力都是相同的,且与传送带静止时一样,由运动学公式知位移相同.从传送带上做平抛运动的初速度相同,水平位移相同,落点相同.【正解】物块从斜面滑下来,当传送带静止时,在水平方向受到与运动方向相反的摩擦力,物块将做匀减速运动.离开传送带时做平抛运动.当传送带逆时针转动时物体相对传送带都是向前运动,受到滑动摩擦力方向与运动方向相反. 物体做匀减速运动,离开传送带时,也做平抛运动,且与传送带不动时的抛出速度相同,故落在Q 点,所以A 选项正确.【点悟】若此题中传送带顺时针转动,物块相对传送带的运动情况就应讨论了.(1)当v 0=v B 物块滑到底的速度等于传送带速度,没有摩擦力作用,物块做匀速运动,离开传送带做平抛的初速度比传送带不动时的大,水平位移也大,所以落在Q 点的右边.(2)当v 0>v B 物块滑到底速度小于传送带的速度,有两种情况,一是物块始终做匀加速运动,二是物块先做加速运动,当物块速度等于传送带的F β B A α H 图5-1-3图5-1-4速度时,物体做匀速运动。
高考物理考点分析之机械能守恒定律【考向分析】机械能守恒定律——在只有重力或弹力做功的物体系统内,动能与重力势能、弹性势能之间相互转换,但机械能的总量保持不变。
机械能守恒定律在力学部分占有非常重要的地位,是由动能与势能两方面组成,同时机械能是一种比较常见的能量形式,因此这部分很容易与动能定理、动量定理和直线运动等内容相联系起来考查。
【判断机械能守恒四种题型】题型一:阻力不计的抛体类包括竖直上抛;竖直下抛;斜上抛;斜下抛;平抛,只要物体在运动过程中所受的空气阻力不计。
那么物体在运动过程中就只受重力作用,也只有重力做功,通过重力做功,实现重力势能与机械能之间的等量转换,因此物体的机械能守恒。
例:在高为h的空中以初速度v0抛也一物体,不计空气阻力,求物体落地时的速度大小?分析:物体在运动过程中只受重力,也只有重力做功,因此物体的机械能守恒,选水平地面为零势面,则物体抛出时和着地时的机械能相等题型二:固定的光滑斜面类在固定光滑斜面上运动的物体,同时受到重力和支持力的作用,由于支持力和物体运动的方向始终垂直,对运动物体不做功,因此,只有重力做功,物体的机械能守恒。
例,以初速度v0 冲上倾角为q光滑斜面,求物体在斜面上运动的距离是多少?分析:物体在运动过程中受到重力和支持力的作用,但只有重力做功,因此物体的机械能守恒,选水平地面为零势面,则物体开始上滑时和到达最高时的机械能相等题型三:固定的光滑圆弧类在固定的光滑圆弧上运动的物体,只受到重力和支持力的作用,由于支持力始终沿圆弧的法线方向而和物体运动的速度方向垂直,对运动物体不做功,故只有重力做功,物体的机械能守恒。
例:固定的光滑圆弧竖直放置,半径为R,一体积不计的金属球在圆弧的最低点至少具有多大的速度才能作一个完整的圆周运动?分析:物体在运动过程中受到重力和圆弧的压力,但只有重力做功,因此物体的机械能守恒,选物体运动的最低点为重力势能的零势面,则物体在最低和最高点时的机械能相等要想使物体做一个完整的圆周运动,物体到达最高点时必须具有的最小速度为:所以题型四:悬点固定的摆动类和固定的光滑圆弧类一样,小球在绕固定的悬点摆动时,受到重力和拉力的作用。
机械能守恒定律【原卷】1.小球P 和Q 用不可伸长的轻绳悬挂在天花板上,P 球的质量大于Q 球的质量,悬挂P 球的绳比悬挂Q 球的绳短。
将两球拉起,使两绳均被水平拉直,如图所示,将两球由静止释放,在各自轨迹的最低点( )A .P 球的速度一定小于Q 球的速度B .P 球的动能一定小于Q 球的动能C .P 球所受绳的拉力一定大于Q 球所受绳的拉力D .P 球的向心加速度一定小于Q 球的向心加速度2.如图所示,一个质量为M 、长为L 的木板B 静止在光滑水平面上,其右端放有可视为质点的质量为m 的滑块A ,现用一水平恒力F 作用在滑块上,使滑块从静止开始做匀加速直线运动。
滑块和木板之间的摩擦力为f F ,滑块滑到木板的最左端时,木板运动的距离为x ,此过程中,下列说法正确的是( )A .滑块A 到达木板B 最左端时具有的动能为()()f F F L x -+B .滑块A 到达木板B 最左端时木板B 具有的动能为f F LC .滑块A 克服摩擦力所做的功为f F xD .滑块A 和木板B 增加的机械能为()f F L x F L +-3.如图所示,有两个物块,质量分别为1m 、2m ,2m 是1m 的两倍,用轻绳将两个物块连接在滑轮组上,滑轮的质量不计,轻绳与滑轮的摩擦也不计。
现将两滑块从静止释放,1m 上升一小段距离h 高度。
在这一过程中,下列说法正确的是( )A .1m 和2m 重力势能之和不变B .1m 上升到h 位置时的速度为23gh C .轻绳的拉力大小为123m gD .轻绳对1m 和2m 的功率大小不相等4.如图所示,轻弹簧一端固定于挡板P ,另一端与物块A 栓接,A 通过轻质细绳绕过定滑轮与套在竖直杆的物块B 相连。
开始时托住B ,细绳伸直且无张力,OA 平行于斜面。
现由静止释放B ,当弹簧恢复原长时B 的速度为B v ,细绳与杆的夹角为θ,不计一切摩擦,则此过程中( )A .物块A 与B 组成的系统机械能守恒B .当B 到达C 点时,A 速度的大小为B sin v θC .弹簧弹性势能的减少量等于A B 、系统机械能的增加量D .重力对B 做功的平均功率大于拉力对B 做功的平均功率5.一边长为L 、质量分布均匀的正方形板ABCD 重为G ,现将此板的右下方裁去边长为2L 的小正方形。
2021年高考物理一轮复习:机械能守恒定律考点一机械能守恒的理解和判断1.重力势能(1)重力做功的特点①重力做功与__路径__无关,只与始末位置的__高度差__有关.②重力做功不引起物体__机械能__的变化.(2)重力势能①概念:物体由于__被举高__而具有的能.②表达式:E p=__mgh__.③标矢性:重力势能是__标量__,正、负分别表示比0值大、比0值小.④系统性:重力势能是__物体和地球__这一系统所共有的.⑤相对性:E p=mgh中的h是__相对于零势能面__的高度.(3)重力做功与重力势能变化的关系①定性关系:重力对物体做正功,重力势能就__减少__;重力对物体做负功,重力势能就__增加__.②定量关系:重力对物体做的功__等于__物体重力势能增量的负值,即W G=-ΔE p=-(E p2-E p1)=E p1-E p2.③重力势能的变化量是绝对的,与零势能面的选择无关.2.弹性势能(1)概念:物体由于发生__弹性形变__而具有的能.(2)大小:弹簧的弹性势能的大小与形变量及劲度系数有关,弹簧的形变量__越大__,劲度系数__越大__,弹簧的弹性势能越大.(3)弹力做功与弹性势能变化的关系类似于重力做功与重力势能变化的关系,用公式表示:W=__-ΔE p__.3.机械能守恒定律(1)__势能__和__动能__统称为机械能,即E=E k+E p,其中势能包括__重力势能__和__弹性势能__.(2)机械能守恒定律内容:在只有__重力(或弹簧弹力)__做功的物体系统内,动能与势能可以相互转化,而总的机械能__保持不变__.【理解巩固1】判断下列说法的正误.(1)重力势能的变化与零势能参考面的选取无关.()(2)被举到高处的物体重力势能一定不为零.()(3)克服重力做功,物体的重力势能一定增加.()(4)发生弹性形变的物体都具有弹性势能.()(5)弹力做正功弹性势能一定增加.()(6)物体所受的合外力为零,物体的机械能一定守恒.()(7)物体的速度增大时,其机械能可能减小.()[答案] (1)√(2)×(3)√(4)√(5)×(6)×(7)√1(多选)如图所示,一轻弹簧一端固定在O点,另一端系一小球,将小球从与悬点O在同一水平面且使弹簧保持原长的A点无初速度释放,让小球自由摆下.不计空气阻力.在小球由A点摆向最低点B的过程中,下列说法正确的是() A.小球的机械能守恒B.小球的机械能减少C.小球的重力势能与弹簧的弹性势能之和不变D.小球和弹簧组成的系统机械能守恒[解析] 小球由A点下摆到B点的过程中,弹簧被拉长,弹簧的弹力对小球做了负功,所以小球的机械能减少,故选项A错误,B正确;在此过程中,由于有重力和弹簧的弹力做功,所以小球与弹簧组成的系统机械能守恒,即小球减少的重力势能等于小球获得的动能与弹簧增加的弹性势能之和,故选项C错误,D正确.[答案] BD判断机械能是否守恒的方法(1)利用机械能的定义判断:分析动能与势能的和是否变化.如:匀速下落的物体动能不变,重力势能减少,物体的机械能必减少.(2)用做功判断:若物体或系统只有重力(或弹簧的弹力)做功,或有其他力做功,但其他力做功的代数和为零,机械能守恒.(3)用能量转化来判断:若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,则系统的机械能守恒.(4)对一些绳子突然绷紧、物体间非弹性碰撞等问题机械能一般不守恒,除非题中有特别说明或暗示.)考点二 单物体机械能守恒问题对应学生用书p 99机械能守恒定律的表达式及对比【理解巩固2】 (多选)一光滑、绝缘的半球壳固定在绝缘水平面上,球壳半径为R ,在球心O 处固定一个带正电的点电荷,一个带负电荷的小物块(可视为质点)静止在球壳的顶端A.现小物块受到轻微扰动从右侧下滑,已知物块静止在A 点时对球壳的压力大小是物块重力大小的2倍,P 点在球面上,则( )A .物块沿球面运动的过程中机械能增大B .物块沿球面运动的过程中机械能不变C .若物块恰好在P 点离开球面,则物块的速度大小为233gR D .若物块恰好在P 点离开球面,则物块的速度大小为136gR [解析] 物块沿球面运动的过程中,库仑力和支持力沿球半径方向不做功,只有重力做功,则物块的机械能不变,选项A 错误,B 正确;设OP 与竖直方向夹角为θ,则当物块将要离开球面时所受球面的支持力为零,则由牛顿第二定律有F 库+mg cos θ=m v 2R ,因物块在最高点时对球壳的压力大小是物块重力大小的2倍,可知F 库=mg ,由机械能守恒定律得mgR(1-cos θ)=12mv 2,联立解得v =233gR ,选项C 正确,D 错误. [答案] BC对应学生用书p 992 如图,在竖直平面内有由14圆弧AB 和12圆弧BC 组成的光滑固定轨道,两者在最低点B 平滑连接.AB 弧的半径为R ,BC 弧的半径为R 2.一小球在A 点正上方与A 相距R 4处由静止开始自由下落,经A 点沿圆弧轨道运动.(1)求小球在B 、A 两点的动能之比;(2)通过计算判断小球能否沿轨道运动到C 点.[解析] (1)设小球的质量为m ,小球在A 点的动能为E k A ,由机械能守恒定律得E k A =mg R 4①设小球在B 点的动能为E k B ,同理有E k B =mg5R 4② 由①②式得 E k B E k A =5③ (2)若小球能沿轨道运动到C 点,则小球在C 点所受轨道的压力N 应满足N ≥0④设小球在C 点的速度大小为v C ,由牛顿第二定律和向心加速度公式有N +mg =m v 2C R2⑤ 由④⑤式得,v C 应满足mg ≤m 2v 2C R⑥ 由机械能守恒定律得mg R 4=12mv 2C⑦ 由⑥⑦式可知,小球恰好可以沿轨道运动到C 点.考点三 多物体机械能守恒问题对应学生用书p 1001.多物体机械能守恒问题的分析方法(1)对多个物体组成的系统先要判断物体运动过程中,系统的机械能是否守恒;(2)找出用绳或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运用ΔE k =-ΔE p 的形式.2.多物体机械能守恒问题的三点注意(1)正确选取研究对象;(2)合理选取物理过程;(3)正确选取机械能守恒定律常用的表达形式列式计算.【理解巩固3】 (多选)如图所示,物体A 、B 通过细绳及轻质弹簧连接在轻滑轮两侧,物体A 、B 的质量都为m.现用手托着物体A 使弹簧处于原长,细绳刚好竖直伸直,A 与地面的距离为h ,物体B 静止在地面上.放手后物体A 下落,与地面即将接触时速度大小为v ,此时物体B 对地面恰好无压力.若物体A 落地后不反弹.则下列说法中正确的是( )A .弹簧的劲度系数为mg hB .A 落地时弹簧的弹性势能等于mgh -12mv 2 C .与地面即将接触时A 的加速度大小为g ,方向竖直向上D .物体A 落地后B 能上升到的最大高度为h[解析] 由题意可知,此时弹簧所受的拉力大小等于B 的重力,即F =mg ,弹簧伸长的长度为x =h ,由F =kx 得,k =mg h,故A 正确.A 与弹簧组成的系统机械能守恒,则有:mgh =12mv 2+E p ,则弹簧的弹性势能:E p =mgh -12mv 2,故B 错误.根据牛顿第二定律,对A 有:F -mg =ma ,得a =0,故C 错误.物体A 落地后,物体B 对地面恰好无压力,此时B 的速度恰好为零,即B 静止不动,故D 错误.[答案] AB对应学生用书p 100机械能守恒定律在连接体问题中的应用3 (多选)用轻杆通过铰链相连的小球A 、B 、C 、D 、E 处于竖直平面上,各段轻杆等长,其中小球A 、B 的质量均为2m ,小球C 、D 、E 的质量均为m.现将A 、B 两小球置于距地面高h 处,由静止释放,假设所有球只在同一竖直平面内运动,不计一切摩擦,则在下落过程中( )A .小球A 、B 、C 、D 、E 组成的系统机械能不守恒B .小球B 的机械能一直减小C .小球B 落地的速度大小为2ghD .当小球A 的机械能最小时,地面对小球C 的支持力大小为mg[解析] 小球A 、B 、C 、D 、E 组成的系统机械能守恒,故A 错误;由于D 球受力平衡,所以D 球在整个过程中不会动,所以轻杆DB 对B 不做功,而轻杆BE 对B 先做负功后做正功,所以小球B 的机械能先减小后增加,故B 错误;当B 落地时小球E 的速度等于零,根据功能关系mgh =12mv 2可知小球B 的速度为2gh ,故C 正确;当小球A 的机械能最小时,轻杆AC 没有力,小球C 竖直方向上的力平衡,所以支持力等于重力,故D 正确,故选CD .[答案] CD机械能守恒定律在涉及弹簧问题中的应用4 (多选)如图所示,竖直墙上固定有光滑的小滑轮D ,质量相等的物体A 和B 用轻弹簧连接,物体B 放在地面上,用一根不可伸长的轻绳一端与物体A 连接,另一端跨过定滑轮与小环C 连接,小环C 穿过竖直固定的光滑均匀细杆,小环C 位于位置R 时,绳与细杆的夹角为θ,此时物体B 与地面刚好无压力.图中SD 水平,位置R 和Q 关于S 对称.现让小环从R 处由静止释放,环下落过程中绳始终处于拉直状态,且环到达Q 时速度最大.下列关于小环C 下落过程中的描述正确的是( )A .小环C 、物体A 和轻弹簧组成的系统机械能守恒B .小环C 下落到位置S 时,小环C 的机械能一定最大C .小环C 从位置R 运动到位置Q 的过程中,弹簧的弹性势能一定先减小后增大D .小环C 到达Q 点时,物体A 与小环C 的动能之比为cos θ2[审题指导] 根据除重力外其他力做功影响机械能变化来判断机械能的变化情况.根据物块A 和小环C 在Q 点的速度关系以及机械能守恒定律可以求得A 、C 的动能之比.[解析] 在小环下滑过程中,只有重力势能与动能、弹性势能相互转换,所以小环C 、物体A 和轻弹簧组成的系统机械能守恒,故A 正确;小环C 下落到位置S 过程中,绳的拉力一直对小环做正功,所以小环的机械能一直在增大,往下绳的拉力对小环做负功,机械能减小,所以在S 时,小环的机械能最大,故B 正确;由于小环从R 到S 过程中,小环的机械能一直增大,所以AB 弹簧组成的系统机械能减小,由于A 的机械能增大,所以弹簧的弹性势能减小,小环从S 到Q 过程中,小环的机械能减小,AB 弹簧组成的系统机械能增大,A 的机械能不一定减小,所以弹性势能不一定增大,故C 错误;在Q 点将小环速度分解可知v A =v cos θ,在Q 点小环C 受力平衡:m c g =22m A g cos θ,根据动能E k =12mv 2可知,物体A 与小环C 的动能之比为cos θ2,故D 正确. [答案] ABD, 1.用机械能守恒定律解题的基本思路2.系统机械能守恒时,内部的相互作用力分为两类:(1)刚体产生的弹力:如轻绳产生的弹力,斜面产生的弹力,轻杆产生的弹力等.(2)弹簧产生的弹力:系统中有弹簧,弹簧的弹力在整个过程中做功,弹性势能参与机械能的转化.在前两种情况中,轻绳的拉力、斜面的弹力、轻杆产生的弹力做功,使机械能在相互作用的两物体间进行等量的转移,系统的机械能守恒.虽然弹簧的弹力也做功,但包括弹性势能在内的机械能也守恒.3.对系统应用机械能守恒定律列方程的角度:(1)系统初态的机械能等于末态的机械能;(2)系统中某些物体减少的机械能等于其他物体增加的机械能.)。
高考物理考点分析之机械能守恒定律【考向分析】机械能守恒定律——在只有重力或弹力做功的物体系统内,动能与重力势能、弹性势能之间相互转换,但机械能的总量保持不变。
机械能守恒定律在力学部分占有非常重要的地位,是由动能与势能两方面组成,同时机械能是一种比较常见的能量形式,因此这部分很容易与动能定理、动量定理和直线运动等内容相联系起来考查。
【判断机械能守恒四种题型】题型一:阻力不计的抛体类包括竖直上抛;竖直下抛;斜上抛;斜下抛;平抛,只要物体在运动过程中所受的空气阻力不计。
那么物体在运动过程中就只受重力作用,也只有重力做功,通过重力做功,实现重力势能与机械能之间的等量转换,因此物体的机械能守恒。
例:在高为h的空中以初速度v0抛也一物体,不计空气阻力,求物体落地时的速度大小?分析:物体在运动过程中只受重力,也只有重力做功,因此物体的机械能守恒,选水平地面为零势面,则物体抛出时和着地时的机械能相等题型二:固定的光滑斜面类在固定光滑斜面上运动的物体,同时受到重力和支持力的作用,由于支持力和物体运动的方向始终垂直,对运动物体不做功,因此,只有重力做功,物体的机械能守恒。
例,以初速度v0 冲上倾角为q光滑斜面,求物体在斜面上运动的距离是多少?分析:物体在运动过程中受到重力和支持力的作用,但只有重力做功,因此物体的机械能守恒,选水平地面为零势面,则物体开始上滑时和到达最高时的机械能相等题型三:固定的光滑圆弧类在固定的光滑圆弧上运动的物体,只受到重力和支持力的作用,由于支持力始终沿圆弧的法线方向而和物体运动的速度方向垂直,对运动物体不做功,故只有重力做功,物体的机械能守恒。
例:固定的光滑圆弧竖直放置,半径为R,一体积不计的金属球在圆弧的最低点至少具有多大的速度才能作一个完整的圆周运动?分析:物体在运动过程中受到重力和圆弧的压力,但只有重力做功,因此物体的机械能守恒,选物体运动的最低点为重力势能的零势面,则物体在最低和最高点时的机械能相等要想使物体做一个完整的圆周运动,物体到达最高点时必须具有的最小速度为:所以题型四:悬点固定的摆动类和固定的光滑圆弧类一样,小球在绕固定的悬点摆动时,受到重力和拉力的作用。
高考物理机械能守恒定律
机械能守恒定律(1)动能和势能(重力势能、弹性势能)统称为机械能,E=Ek+Ep。
(2)机械能守恒定律的内容在只有重力(和弹簧弹力)做功的情形下,物体动能和重力势能(及弹性势能)发生相互转化,但机械能的总量保持不变。
(3)机械能守恒定律的表达式(4)系统机械能守恒的三种表示方式①系统初态的总机械能E1等于末态的总机械能E2,即E1=E2②系统减少的总重力势能ΔEP减等于系统增加的总动能ΔEK增,即ΔEP减=ΔEK增③若系统只有A、B两物体,则A物体减少的机械能等于B物体增加的机械能,即ΔEA减=ΔEB增[注意]解题时究竟选取哪一种表达形式,应根据题意灵活选取;需注意的是选用①式时,必须规定零势能参考面,而选用②式和③式时,可以不规定零势能参考面,但必须分清能量的减少量和增加量。
(5)判断机械能是否守恒的①用做功来判断分析物体或物体受力情况(包括内力和外力),明确各力做功的情况,若对物体或系统只有重力或弹簧弹力做功,没有其他力做功或其他力做功的代数和为零,则机械能守恒。
②用能量转化来判定若物体系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。
③对一些绳子突然绷紧,物体间非弹性碰撞等问题,除非题目特别说明,机械能必定不守恒,完全非弹性碰撞过程机械能也不守恒。
验证机械能守恒定律知识元验证机械能守恒定律知识讲解一、实验目的验证物体做自由落体运动时机械能守恒二、实验原理自由下落的物体只有重力做功,若减小的势能等于增加的动能,即:-△E p=△E k,则物体机械能守恒.三、实验器材铁架台(带铁夹)、打点计时器、纸带、交流电源、导线、带铁夹的重锤、纸带、刻度尺等.四、实验步骤1.按如图1装置把打点计时器安装在铁架台上,并使两限位孔在同一竖直线上,以减小摩擦阻力.用导线把打点计时器与交流电源连接好.2.把纸带的一端在重锤上用夹子固定好,另一端穿过计时器限位孔,用手竖直提起纸带使重锤停靠在打点计时器附近.3.先接通电源,再松开纸带,让重锤带着纸带自由下落.4.重复几次,得到3~5条打好点的纸带.5.在打好点的纸带中挑选点迹清晰且第1、2两计时点间的距离接近2mm的一条纸带,在起始点标上O,再在距离O点较远处开始选取相邻的几个计数点依次标上1、2、3……用刻度尺测出对应下落的高度h1、h2、h3……6.应用公式v n=计算各点对应的瞬时速度v1、v2、v3……7.计算各点对应的重力势能减少量mgh和动能的增加量mv2,进行比较五、注意事项1.打点计时器的两限位孔必须在同一竖直线上,以减少摩擦阻力.2.选用质量和密度较大的重物,以减小空气阻力的影响.3.实验时,需保持提纸带的手不动,待接通电源,让打点计时器工作正常后再松开纸带让重锤下落,以保证第一个点是一个清晰的小点.4.利用方法mgh=mv2进行验证时,选用纸带时应尽量挑选第1、2点间距接近2mm的纸带.5.因为不需要知道物体在某点动能和势能的具体数值,所以不必测量物体的质量m,而只需验证v n2=gh n就行了.6.测量下落高度时,必须从起始点算起,为了减小测量h时的相对误差,选取的各个计数点要离起始点远一些.六、误差分析1.在进行长度测量时,测量及读数不准造成误差.2.纸带与限位孔间的摩擦,空气阻力造成误差;例题精讲验证机械能守恒定律例1.“用DIS研究机械能守恒定律”实验装置如图所示。
2022年天津市高考物理总复习:机械能守恒定律1.“跳楼机”以惊险刺激深受年轻人的欢迎,它的基本原理是将巨型娱乐器械由升降机送到离地面一定高处,然后让座舱自由落下.一段时间后,使座舱均匀减速,到达地面时刚好停下()A.游客在下降过程中先经历超重,后经历失重B.自由落体阶段和制动阶段,游客的平均速度相同C.自由落体阶段和制动阶段,游客所受合力的冲量相同D.自由落体阶段和制动阶段,游客的机械能守恒【分析】根据加速度方向分析游客的运动状态;根据匀变速直线运动的平均速度公式=分析自由落体阶段和制动阶段游客的平均速度关系;根据动量定理分析合力的冲量关系;对照机械能守恒的条件分析游客的机械能是否守恒。
【解答】解:A、游客在下降过程中,后向上,后超重过程;B、设游客的最大速度为v=分析可知,故B正确;C、根据动量定理可知游客合力的冲量等于动量的变化量,则知两个过程中合力冲量大小相等,合力的冲量不同;D、在减速过程中,其机械能减少。
故选:B。
【点评】本题属于多过程问题,要分清过程,找准每一过程的运动规律,把握两个过程之间的联系,如速度关系,然后选择合适公式列式分析。
2.一起重机的钢绳由静止开始提起质量为m的重物匀加速竖直上升,当重物的速度为v1时,起重机达到额定功率。
以后起重机保持该功率不变,继续提升重物2。
已知重力加速度为g,则整个过程中重物的v﹣t图如图所示,下列说法正确的是()A.起重机的额定功率为mgv1B.重物速度为v1时钢绳拉力大小等于重物重力大小C.重物的平均速度大小为D.重物匀加速运动的加速度大小为g﹣g【分析】重物匀速上升时功率为额定功率,可以根据功率公式求出额定功率,匀加速过程中拉力恒定,根据功率公式,求出匀加速过程中钢绳的拉力,根据牛顿第二定律可求得重物匀加速过程的加速度大小;对于非匀变速直线运动,其平均速度并不等于初末速度的平均值。
【解答】解:AD、重物在钢绳拉力下先做匀加速直线运动,当物体的加速度为零时,物体的速度达到最大值v2,此时钢绳的拉力F=mg,所以起重机的额定功率P=Fv2=mgv8,重物做匀加速直线运动的过程中,钢绳对重物的拉力根据牛顿第二定律可得:F1﹣mg=ma联立解得匀加速直线运动的加速度,故A错误。