机械能守恒定律及其应用

机器能守恒定律的理解及应用一、机器能守恒定律：1.机器能守恒定律内容表述:①表述一: 在只有重力做功的情形下,物体的动能和重力势能产生相互转化,但总的机器能保持稳定.这个结论叫做机器能守恒定律.不光动能和重力势能的相互转化中机器能保持稳定,在弹性势能和动能的转化历程中,如果只有弹簧的弹力做功,机器能也是保持稳定的.②表述二: 在只有重力或弹力做功的物体系统内，动能与势能可以.机器能守恒定律是力学中的一条重要定律,又是更普遍的能的转化和守恒定律的一种特殊情况.2.怎样理解机器能守恒定律:①只有重力做功的情形：重力势能是相对的，表达式为Ep = mgh，式中的h是物体的重心到参考平面(零重力势能面)的高度．若物体在参考平面以上，则重力势能为正；若物体在参考平面以下，则重力势能为负．通常，选择地面作为零重力势能参考平面．重力势能的变革量与零重力势能的选取无关．重力对物体做几多正功，物体的重力势能就淘汰几多；重力对物体做几多负功，物体的重力势能就增加几多．即W重= -ΔE重．②只有弹力做功的情形：一个物体由于外力的作用产生形变,如果撤去外力后形变会消失,这种形变就叫做弹性形变.物体因产生弹性形变而具有的势能叫做弹性势能. 和重力势能一样，弹性势能也是相对的.对付弹簧的弹性势能一般取其为原长时弹性势能为零.弹力对物体做了几多负功，物体的弹性势能就增加几多．即W弹= -ΔE弹．重力做功和弹力做功均和途径无关.重力势能的巨细与哪些因素有关,学生容易理解.以下就弹性势能的巨细与哪些因素有关做出说明:一个物体在A位置时,弹簧处于原长,如图１所示．我们对物体从A→B→C→B→A的历程进行阐发．当物体到B位置时,弹CC回到B,弹力做正功,弹簧的弹性势能淘汰.再将物体从B回到A，弹力继承做正功，弹簧的弹性势能继承淘汰．从这个例子,我们注意到：(Ⅰ)和重力势能一样,物体的弹性势能和弹力做(外力克服弹力做功),物体的弹性势能就增加几多；弹力做几多正功(弹力克服外力做功),物体的弹性势能就淘汰几多.(ⅡB到C弹力做的负功和C到B弹力做的正功相互抵消,因此物体从A直接到B跟物体从A到C再回到B做的功是一样多的.这个问题可以这样理解，由于物体在同一个位置的弹力相同，在B、C间靠着很近的两个点之间，向左移动和向右移动经过这两个点做的功，巨细相同，标记相反如图１所示．而力在一段位移对物体做功的总量是力对每一小段位移做功的累加．所以，物体从B到C弹力做的负功和C到B弹力做的正功相互抵消（图１中，为了清楚的表现物理量的干系，把B、C间靠着很近的两个点的间距放大了）．不难想象,在压缩弹簧中的历程,弹力做的功和两个因素有关：一个是弹簧的劲度系数；另一个是压缩的距离.因此对同一根弹簧,形变越大弹性势能越大,两根弹簧产生同样的形变,劲度系数大的弹簧弹性势能大.由于弹簧从平衡位置拉伸和压缩相同的长度时的力相同，所以同一根弹簧，从平衡位置拉伸和压缩相同的长度时，弹簧的弹性势能相同．所以，弹簧的弹性势能与弹簧的劲度系数和形变量两个因素有关．③机器能守恒定律1F 2F2F1F 位移方向位移方向2图1图动能和势能之和称为机器能.一种形式的机器能可以和另一种形式的机器能相互转化.下面我们看一些例子.物体自由下落或沿平滑斜面滑下的时候,重力对物体做功,物体的重力势能淘汰；重力势能转变为动能.原来具有一定速度的物体,在竖直上升或沿平滑斜面上升的历程中,物体克服重力做功,速度越来越小,物体动能淘汰了；而随着高度增加,重力势能却增加了.这时动能转化成重力势能.弹性势能也可以和动能相互转化.放开一个被压缩的弹簧,它可以把一个与它打仗的小球弹出去.这时弹力做功,弹簧的弹性势能就淘汰；同时小球得到一定的速度,动能增加.放开被拉开的弓把箭射出去,这时弓的弹性势能淘汰,箭的动能增加.从这些例子我们可以看出,机器能的相互转化是通过重力或弹力做功来实现的.重力或弹力做功的历程,也就是机器能从一种形式转化为另一种形式的历程.那么在种种机器能相互转化的历程中有什么纪律呢?我们用一个最简朴的例子来看一下.一个做自由落体运动的小球从1位置下落到2位置,设小球在位置1和2的速度分别为v 1和v 2,1位置和2位置离地的高度分别为h 1和h 2(如图３).凭据落体运动的纪律可知：)(2212122h h g v v -=-等式两边都乘以0.5m ,得22211211m v m v mg h mg h 22⋅-⋅=⋅-⋅ 由此可知,在小球从1位置落到2位置的历程中,它重力势能的淘汰量即是它动能的增加量,也就是说它在下落历程中机器能总量保持稳定.机器能守恒定律干系式的推导，我们还可以通过下列要领来创建：我们照旧用图3给出的情形研究．小球从1位置下落到2位置的历程中，重力做功W G =mg (h 1-h 2)；运用动能定理，21222121mv mv W G -=,得: 2122212121mv mv mgh mgh -=-,即：2222112121mv mgh mv mgh +=+． 3．机器能守恒定律的应用典范：【例1】 以10m/s 的速度将质量m 的物体从地面竖直向上抛出，忽略空气阻力，求(1)物体上升的最大高度(2)上升历程中那边重力势能和动能相等解：(1)以地面为参考面，设物体上升的最大高度为h ,由机器能守恒得E 1＝E 2，即mgh mv +=+002120， 所以m m g v h 5102102220=⨯== （2）在地面有E 1＝2021mv 在高h 1处有E k =E p ,即12112221mgh mv mgh E =+= 3图由机器能守恒定律得21E E =，即120221mgh mv = 解得m m g v h 5.21041004201=⨯== 【例2】把一个小球用细线悬挂起来，就成为一个摆（见图4），摆长为L ，最大偏角为θ．小球从A 处释放运动到最低位置O 时的速度是多大？解：在小球运动的历程中，小球共受到重力和绳对小球的拉力共2个力的作用．由于绳子对小球的拉力偏向始终与速度偏向垂直，绳子对小球的拉力不做功，只有重力对小球做功，小球的机器能守恒．小球重力势能的减小量为cos 1(-mgL θ），动能的增加量为0212-mv ，凭据机器能守恒得：221)cos 1(mv mgL =-θ，即)cos 1(2θ-=gL v ． 【例３】如图5所示，质量均为m 的A 、B 两个小球， 用长为2L 的轻杆相连接，在竖直平面内，绕牢固轴O 沿顺时针偏向自由转动（转轴在杆的中点），不计一切摩擦． （1）某时刻A 、B 球恰幸亏如图所示的位置，A 、B 球的线速度巨细均为v ．试判断A 、B 球以后的运动是否为匀速圆周运动，请说明理由！（2）若gL v =，在如图所示的位置时， B 球从杆上脱落，求B 球落地时的速度巨细．解：（1）在图示位置转动一个较小的角度，由多少干系可得，A 球下降的高度和B 球上升的高度相同，A 、B 球系统的重力势能稳定，由于系统的机器能守恒，所以A 、B 球的动能稳定，所以A 、B 球以后的运动是为匀速圆周运动．（2） B 球速度巨细与A 球相同，做平抛运动，满足机器能守恒条件设球落地时速度巨细是v '，取地面为重力势能零点，运用机器能守恒定律：22212121mv L mg v m +=' 得： 小球落地的速度巨细为gL v 2='．对付一个物体系来说，如果没有外力做功，又没有耗散力做功，而只有守旧力做功，那么系内物体的动能和势能可以相互转换，但总机器能保持稳定．【例2】给出的情景就是系统机器能守恒的实例．这里要指出的是，由于杆对A 球和B 球都做功，A 球和B 球的机器能均不守恒，但在A 球向下转动的历程中，杆对A 球做正功，杆对B 球做负功，杆对A 、B 球做功的总量为零，所以系统的机器能守恒．vv O A B L L L 5.2地面5图6图4图。

§3 机械能守恒定律及其应用一、机械能守恒定律1．机械能守恒定律的两种表述（1）在只有重力做功的情形下，物体的动能和重力势能发生相互转化，但机械能的总量保持不变。

（2）如果没有摩擦和介质阻力，物体只发生动能和重力势能的相互转化时，机械能的总量保持不变。

2．对机械能守恒定律的理解：（1）机械能守恒定律的研究对象一定是系统，至少包括地球在内。

通常我们说“小球的机械能守恒”其实一定也就包括地球在内，因为重力势能就是小球和地球所共有的。

另外小球的动能中所用的v，也是相对于地面的速度。

（2）当研究对象（除地球以外）只有一个物体时，往往根据是否“只有重力做功”来判定机械能是否守恒；当研究对象（除地球以外）由多个物体组成时，往往根据是否“没有摩擦和介质阻力”来判定机械能是否守恒。

（3）“只有重力做功”不等于“只受重力作用”。

在该过程中，物体可以受其它力的作用，只要这些力不做功，或所做功的代数和为零，就可以认为是“只有重力做功”。

【例1】如图物块和斜面都是光滑的，物块从静止沿斜面下滑过程中，物块机械能是否守恒？系统机械能是否守恒？3．解题步骤⑴确定研究对象和研究过程。

⑵判断机械能是否守恒。

⑶选定一种表达式，列式求解。

4．应用举例【例2】 如图所示，半径为R 的光滑半圆上有两个小球B A 、，质量分别为M m 和，由细线挂着，今由静止开始无初速度自由释放，求小球A 升至最高点C 时B A 、两球的速度？【例3】如图所示，均匀铁链长为L ，平放在距离地面高为L2的光滑水平面上，其长度的51悬垂于桌面下，从静止开始释放铁链，求铁链下端刚要着地时的速度？二、机械能守恒定律的综合应用【例4】 质量为0.02 kg 的小球，用细线拴着吊在沿直线行驶着的汽车顶棚上，在汽车 距车站15 m 处开始刹车，在刹车过程中，拴球的细线与竖直方向夹角θ＝37°保持不变，如图所示，汽车到车站恰好停住.求：（1）开始刹车时汽车的速度；（2）汽车在到站停住以后，拴小球细线的最大拉力。

机械能守恒定律的应用与功能原理主要内容：一、机械能守恒定律1）在机械运动范围内，物体所具有的动能、势能（重力势能和弹性势能），统称为机械能。

物体的动能和势能之间是可以相互转化的。

例如：自由下落的物体，由于重力做功，所以其势能减少，动能增加，势能转化为动能；竖直上抛的物体，由于要克服重力做功，所以其动能减少,势能增加，动能转化为势能。

下面从动能定理出发，推证机械能守恒的条件：选某物体为研究对象，根据动能定理，有：ΣW=ΔE k可写成：W重+W弹+W其它=ΔE k，其中W弹为弹簧弹力的功。

又根据重力、弹簧弹力做功与势能的关系有：W重=－ΔE P重，W弹=－ΔE P弹－ΔE P重－ΔE P弹+W其它=ΔE k，如果W其它=0，即其它力不做功，则：－ΔE P重－ΔE P弹=ΔE k，即ΔE k+ΔE P重+ΔE P弹=0即ΔE=0 （机械能的增量为零）从上面推证可以看出，系统机械能守恒的条件为：除了重力、弹簧弹力以外无其它力对物体做功。

2）实际上，物质运动的形式不仅是机械运动，另外，热运动、电磁运动、化学运动、核运动等也是物质的不同运动形式，不同的运动形式对应着不同形式的能量，物质各种形式的运动是可以相互转化的，因此不同形式的能也是可以相互转化的，且在能量转化的过程中，总的能量守恒。

因此，系统机械能守恒条件的严格表述为：物体系（系统）内只有重力、弹力做功，而其它一切力都不做功时，系统机械能守恒。

二、功能原理（或称功能关系）1）由动能定理可以知道，外力对物体做功的代数和等于物体动能的增量，可表示为：ΣW=ΔE k 这里说的外力包括作用于物体上的全部做功的力，可分为三部分：(1)系统内的重力、弹力；(2)系统内的摩擦力；(3)系统外物体对它的作用力，则动能定理的表达式可写成W重+W弹+W摩擦+W外=ΔE k，又因为：W重=－ΔE P重，W弹=－ΔE P弹，所以有：W摩擦+W外=ΔE k+ΔE P重+ΔE P弹等式的右边为动能的增量跟势能增量的和，即为物体机械能的增量，即：W摩擦+W外=ΔE表述为：除重力、弹簧弹力以外力对物体做功的代数和，等于物体机械能的增量。

机械能守恒定律及其应用一、机械能守恒定律1．机械能守恒定律的各种表达形式（1）222121v m h mg mv mgh '+'=+，即k p k p E E E E '+'=+； （2）0=∆+∆k P E E ；021=∆+∆E E ；K P E E ∆=∆-点评：用（1）时，需要规定重力势能的参考平面。

用（2）时则不必规定重力势能的参考平面，因为重力势能的改变量与参考平面的选取没有关系。

尤其是用K P E E ∆=∆-，只要把增加的机械能和减少的机械能都写出来，方程自然就列出来了。

2．应用举例【例1】如图所示，质量分别为2 m 和3m 的两个小球固定在一根直角尺的两端A 、B ，直角尺的顶点O 处有光滑的固定转动轴。

AO 、BO 的长分别为2L和L 。

开始时直角尺的AO 部分处于水平位置而B 在O 的正下方。

让该系统由静止开始自由转动，求：⑴当A 到达最低点时，A 小球的速度大小v ；⑵ B 球能上升的最大高度h ；【例2】 如图所示，半径为R 的光滑半圆上有两个小球B A 、，质量分别为M m 和，由细线挂着，今由静止开始无初速度自由释放，求小球A 升至最高点C 时B A 、两球的速度？【例3】如图所示，游乐列车由许多节车厢组成。

列车全长为L ，圆形轨道半径为R ，（R 远大于一节车厢的高度h 和长度l ，但L >2πR ）.已知列车的车轮是卡在导轨上的光滑槽中只能使列车沿着圆周运动，在轨道的任何地方都不能脱轨。

试问：在没有任何动力的情况下，列车在水平轨道上应具有多大初速度v 0，才能使列车通过圆形轨道而运动到右边的水平轨道上？AB O【例4】如图所示，均匀铁链长为L ，平放在距离地面高为L 2的光滑水平面上，其长度的51悬垂于桌面下，从静止开始释放铁链，求铁链下端刚要着地时的速度？【例5】 如图所示，一根长为m 1，可绕O 轴在竖直平面内无摩擦转动的细杆AB ，已知m OB m OA 4.0;6.0==，质量相等的两个球分别固定在杆的B A 、端，由水平位置自由释放，求轻杆转到竖直位置时两球的速度？【例6】 小球在外力作用下，由静止开始从A 点出发做匀加速直线运动，到B 点时消除外力。

机械能守恒机械能守恒定律和应用机械能守恒——机械能守恒定律和应用机械能守恒是动力学中的一个基本定律，表明在没有外力做功和无能量损失的情况下，机械能将保持不变。

本文将详细介绍机械能守恒定律的原理和应用。

一、机械能守恒的原理机械能守恒是基于动力学中的能量守恒定律。

在理想条件下，一个物体的机械能等于其动能和势能之和。

动能由物体的质量和速度决定，而势能则由物体的质量、重力加速度和高度决定。

根据机械能守恒定律，一个系统的机械能在任何时刻都保持不变。

二、机械能守恒定律的应用1. 自由落体运动自由落体是指只有重力作用的物体运动，根据机械能守恒定律，自由落体运动中物体的势能转化为动能，其总量保持不变。

例如，一个物体从高处自由落下，其势能逐渐减小，而动能逐渐增加，最终达到最大值。

2. 弹簧振子弹簧振子是一种涉及机械能转化的系统。

当弹簧振子偏离平衡位置时，它具有势能；当它通过振动重新回到平衡位置时，势能转化为动能。

根据机械能守恒定律，弹簧振子在振动过程中机械能保持不变。

3. 动能转化机械能守恒定律也适用于动能在不同形式之间的转化。

例如，当一个物体由静止开始沿斜面滑下时，其势能减少，而动能增加，保持总机械能不变。

同样地，当一个物体沿反方向上升时，动能减少，势能增加，机械能仍然保持不变。

4. 能量利用和设计机械能守恒定律在工程设计和能量利用中有着广泛的应用。

例如，水力发电利用水的下落产生的机械能，转化为电能。

再如，机械能守恒定律可以帮助工程师设计高效的机械系统，以最大限度地利用能量，减少能量浪费。

总结：机械能守恒定律是动力学中的重要定律，描述了一个系统中机械能保持不变的原理。

通过对机械能守恒定律的应用，可以解释自由落体运动、弹簧振子等物理现象，并在工程设计和能量利用中发挥重要作用。

理解和应用机械能守恒定律有助于我们深入理解能量转化和守恒的基本原理。