微专题31 涉及弹簧弹性势能的机械能守恒定律应用问题

高考物理科普机械能守恒定律与弹性势能高考物理科普：机械能守恒定律与弹性势能在物理学中，机械能守恒定律是一个基本且重要的原理。

它揭示了在某些情况下，物体的机械能是守恒的。

而在弹性势能的概念中，我们可以更深入地了解和应用这一原理。

一、机械能守恒定律机械能是指物体所具有的动能和势能的总和。

所谓动能，是指物体因为其运动而具有的能量；而势能则是指物体由于其所处位置而具有的能量。

机械能总和为常量的情况下，我们说机械能守恒。

机械能守恒定律的表达式为：E = K + U其中，E代表机械能的总和，K代表动能，U代表势能。

当没有可转化的其他形式能量存在时，机械能守恒定律成立。

这个定律在很多物理问题中都得到了广泛的应用。

例如，如果一个物体从高处自由落下，那么在下落的过程中，它的重力势能会逐渐转化为动能；而当物体达到最低点时，由于没有其他能量的转化，其动能会达到最大值。

这种情况下，物体的机械能守恒。

二、弹性势能弹性势能是机械能守恒定律中的一个重要组成部分。

它描述了物体由于改变形状或位置而储存的能量。

当物体被施加外力使其发生形变时，其中的弹性体会储存能量，称为弹性势能。

当外力移除时，物体会发生弹性回复，将储存的能量转化为动能。

弹性势能的计算公式为：U = (1/2)kx²其中，U代表弹性势能，k代表弹簧常数，x代表形变的位移。

这个公式告诉我们，弹性势能与形变的平方呈正比，并且与弹簧常数有关。

值得注意的是，在实际问题中，我们经常会遇到弹性势能的转化。

比如，当一物体沿斜面滑动时，其机械能会发生变化。

在这种情况下，我们需要考虑到机械能守恒定律的同时，还要计算弹性势能的转化。

三、应用案例下面通过一个例子来说明机械能守恒定律与弹性势能的应用。

假设一个质量为m的物体以v初始速度撞击一个具有弹性常数k的弹簧。

在这个过程中，物体被弹簧弹性力反弹，直到达到最高弹性位置。

根据机械能守恒定律，可以得到：(mv²)/2 = (1/2)kx²其中，x为位移，代表物体与弹簧达到的最高弹性位置。

考点三能量守恒定律及应用(高频31)1．能量转化和守恒定律的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，或从一个物体转移到另一个物体，而在转化和转移的过程中，能量的总量保持不变.2．对能量守恒定律的两点理解(1)某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加，且减少量和增加量一定相等．(2)某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等．3．能量转化问题的解题思路(1)当涉及摩擦力做功，机械能不守恒时，一般应用能的转化和守恒定律．(2)解题时，首先确定初末状态，然后分析状态变化过程中哪种形式的能量减少，哪种形式的能量增加，求出减少的能量总和ΔE减与增加的能量总和ΔE增，最后由ΔE减＝ΔE增列式求解．[诊断小练]上端固定的一根细线下面悬挂一摆球，摆球在空气中摆动，摆动的幅度越来越小，对此现象下列说法是否正确．(1)摆球机械能守恒．()(2)总能量守恒，摆球的机械能正在减少，减少的机械能转化为内能．()(3)能量正在消失．()(4)只有动能和重力势能的相互转化．()【答案】(1)×(2)√(3)×(4)×命题点1利用能量守恒定律定性分析7.(2018·苏州高三调研)如图所示，水平桌面上的轻质弹簧一端固定，另一端与小物块相连，弹簧处于自然长度时物块位于O点(图中未标出)．物块的质量为m，AB＝a，物块与桌面间的动摩擦因数为μ，现用水平向右的力将物块从O点拉至A点，拉力做的功为W.撤去拉力后物块由静止向左运动，经O点到达B点时速度为零，重力加速度为g.则上述过程中()A．物块在A点时弹簧的弹性势能一定大于在B点时的弹性势能B．物块在O点时动能最大C ．物块在B 点时，弹簧的弹性势能大于W －32μmgaD ．经O 点时，物块的动能小于W －μmga【解析】 因物块由A 到B 的过程中有一部分弹性势能用于克服摩擦力做功，故A 正确；当物块从A 向B 运动过程中加速度为零时速度最大，此时kx －μmg ＝0，弹簧仍处于伸长状态，故B 错误；由动能定理可得：W －μmg ·2x OA ＝E k0，x OA ＞a2，可得物块在O 点的动能小于W －μmga ，D 正确；由能量守恒定律可得，物块在B 点时，弹簧的弹性势能E p B ＝W －μmg ·x OA －μmga ＜W －32μmga ，C 错误．【答案】 AD命题点2 利用能量守恒定律定量计算8．(2016· 课标卷Ⅱ，25)轻质弹簧原长为2l ，将弹簧竖直放置在地面上，在其顶端将一质量为5m 的物体由静止释放，当弹簧被压缩到最短时，弹簧长度为l .现将该弹簧水平放置，一端固定在A 点，另一端与物块P 接触但不连接．AB 是长度为5l 的水平轨道，B 端与半径为l 的光滑半圆轨道BCD 相切，半圆的直径BD 竖直，如图所示．物块P 与AB 间的动摩擦因数μ＝0.5.用外力推动物块P ，将弹簧压缩至长度l ，然后放开，P 开始沿轨道运动，重力加速度大小为g .(1)若P 的质量为m ，求P 到达B 点时速度的大小，以及它离开圆轨道后落回到AB 上的位置与B 点之间的距离；(2)若P 能滑上圆轨道，且仍能沿圆轨道滑下，求P 的质量的取值范围． 【解析】 (1)竖直的弹簧上物体压缩，由机械能守恒：5mgl ＝E p ① 物体P 从压缩弹簧到B 点，由能量守恒：E p ＝μmg ·4l ＋12m v 2B ②解得：v B ＝6gl滑块由B 点到D 点：－mg ·2l ＝12m v 2D －12m v 2B ③解得：v D ＝2gl滑块由D 点平抛：2l ＝12gt 2④x ＝v D t ⑤解得： x ＝22l ⑥(2)滑块至少过B 点：E p ＞μm P g ·4lP 最多到C 点而不脱轨：12m p v 2B ≤m P gl ⑦ 联立①②⑥⑦式得：53m ≤m P ＜52m .【答案】 (1)6gl 2 2 l (2)53m ≤m P <52m解答本题的突破口：(1)弹簧在地面上竖直放置时，重力势能转化为弹性势能；(2)弹簧水平放置时，压缩量与竖直放置时相同，则两次弹簧储存的弹性势能相同，这是一个重要隐含条件；(3)物块P 离开弹簧至以后的过程中，弹性势能转化为物块的动能，继而再克服摩擦力做功转化为内能或物块的重力势能．因此，搞清楚运动情景，把握好能量的转化与分配是解决本题的关键．9.(2018·山东济南一中上学期期中)如图所示，固定斜面的倾角θ＝30°，物体A 与斜面之间的动摩擦因数μ＝32，轻弹簧下端固定在斜面底端，弹簧处于原长时上端位于C 点．用一根不可伸长的轻绳，通过轻质光滑的定滑轮连接物体A 和B ，滑轮右侧绳子与斜面平行，A 的质量为m A ＝2 kg ，B 的质量为m B ＝1 kg ，物体A 的初始位置到C 点的距离为L ＝0.5 m ．现给A 、B 一初速度v 0＝3 m/s ，使A 沿斜面向下运动，B 向上运动，物体A 将弹簧压缩到最短后又恰好能弹到C 点．已知重力加速度g ＝10 m/s 2，不计空气阻力，整个过程中轻绳始终处于伸直状态，求：(1)物体A 向下运动，刚到C 点时的速度大小； (2)弹簧的最大压缩量； (3)弹簧的最大弹性势能．【解析】 (1)在物体A 向下运动，刚到C 点过程中，对A 和B 整体，由动能定理： m A gl sin θ－m B gl －μm A gl cos θ＝12(m A ＋m B )v 2C －12(m A ＋m B )v 20 故v C ＝2 m/s.(2)设弹簧的最大压缩量为x ，从物体A 刚到C 点至压缩弹簧又返回C 点的过程中，由能量守恒：12(m A ＋m B )v 2C ＝2μm A gx cos θ 得x ＝0.2 m.(3)设弹簧的最大弹性势能为E p ，在物体A 刚到C 点至压缩弹簧到最短的过程中，由功能关系：12(m A ＋m B )v 2C ＝μm A gx cos θ＋E p ，故E p ＝3 J. 【答案】 (1)2 m/s (2)0.2 m (3)3 J物理建模系列(九) 用能量守恒定律处理两种模型1．模型介绍：根据运动情况可以分成水平面上的滑块—木板模型和在斜面上的滑块—木板模型．2．处理方法：系统往往通过系统内摩擦力的相互作用而改变系统内物体的运动状态，既可由动能定理和牛顿运动定律分析单个物体的运动，又可由能量守恒定律分析动能的变化、能量的变化， 在能量转化方面往往用到ΔE 内＝－ΔE 机＝F f x 相对，并要注意数学知识(如图象、归纳法等)在此类问题中的应用．模型一 滑块——木板模型例1 图甲中，质量为m 1＝1 kg 的物块叠放在质量为m 2＝3 kg 的木板右端．木板足够长，放在光滑的水平面上，木板与物块之间的动摩擦因数为μ1＝0.2.整个系统开始时静止，重力加速度g 取10 m/s 2.(1)在木板右端施加水平向右的拉力F ，为使木板和物块发生相对运动，拉力F 至少应为多大？(2)在0～4 s 内，若拉力F 的变化如图乙所示，2 s 后木板进入μ2＝0.25的粗糙水平面，在图丙中画出0～4 s 内木板和物块的v -t 图象，并求出0～4 s 内物块相对木板的位移大小和整个系统因摩擦而产生的内能．【解析】 (1)把物块和木板看成整体，由牛顿第二定律得F ＝(m 1＋m 2)a 物块与木板将要相对滑动时， μ1m 1g ＝m 1a联立解得F ＝μ1(m 1＋m 2)g ＝8 N.(2)物块在0～2 s 内做匀加速直线运动，木板在0～1 s 内做匀加速直线运动，在1～2 s 内做匀速运动，2 s 后物块和木板均做匀减速直线运动，故二者在整个运动过程中的v -t 图象如图所示．0～2 s内物块相对木板向左运动，2～4 s内物块相对木板向右运动．0～2 s内物块相对木板的位移大小Δx1＝2 m，系统摩擦产生的内能Q1＝μ1m1gΔx1＝4 J.2～4 s内物块相对木板的位移大小Δx2＝1 m，物块与木板因摩擦产生的内能Q2＝μ1m1gΔx2＝2 J；木板对地位移x2＝3 m，木板与地面因摩擦产生的内能Q3＝μ2(m1＋m2)gx2＝30 J.0～4 s内系统因摩擦产生的总内能为Q＝Q1＋Q2＋Q3＝36 J.【答案】(1)8 N(2)见解析滑块—木板模型问题的分析和技巧1．解题关键正确地对各物体进行受力分析(关键是确定物体间的摩擦力方向)，并根据牛顿第二定律确定各物体的加速度，结合加速度和速度的方向关系确定物体的运动情况．2．规律选择既可由动能定理和牛顿运动定律分析单个物体的运动，又可由能量守恒定律分析动能的变化、能量的转化，在能量转化过程往往用到ΔE内＝－ΔE机＝F f x相对，并要注意数学知识(如图象法、归纳法等)在此类问题中的应用.模型二传送带模型例2如图所示，传送带与水平面之间的夹角为θ＝30°，其上A、B两点间的距离为l ＝5 m，传送带在电动机的带动下以v＝1 m/s的速度匀速运动．现将一质量为m＝10 kg的小物体(可视为质点)轻放在传送带上的A点，已知小物体与传送带之间的动摩擦因数μ＝3 2，在传送带将小物体从A点传送到B点的过程中，求：(g取10 m/s2)(1)传送带对小物体做的功；(2)电动机做的功．【解析】(1)小物体刚开始运动时，根据牛顿第二定律有μmg cos θ－mg sin θ＝ma解得小物体上升的加速度为a ＝g4＝2.5 m/s 2当小物体的速度为v ＝1 m/s 时，位移为 x ＝v 22a＝0.2 m 然后小物体以v ＝1 m/s 的速度做匀速运动到达B 点． 由功能关系得W ＝ΔE k ＋ΔE p ＝12m v 2＋mgl sin θ＝255 J.(2)电动机做功使小物体的机械能增加，同时小物体与传送带间因摩擦产生热量Q ，由v ＝at 得t ＝va＝0.4 s 相对位移x ′＝v t －v2t ＝0.2 m摩擦产生的热量Q ＝μmgx ′cos θ＝15 J 故电动机做的功为W 电＝W ＋Q ＝270 J. 【答案】 (1)255 J (2)270 J传送带问题的分析流程和技巧1．分析流程2．相对位移一对相互作用的滑动摩擦力做功所产生的热量Q ＝F f ·x 相对，其中x 相对是物体间相对路径长度．如果两物体同向运动，x 相对为两物体对地位移大小之差；如果两物体反向运动，x 相对为两物体对地位移大小之和．3．功能关系(1)功能关系分析：W F ＝ΔE k ＋ΔE p ＋Q . (2)对W F 和Q 的理解： ①传送带的功：W F ＝Fx 传； ②产生的内能Q ＝F f x 相对.[高考真题]1．(2016·四川卷，1)韩晓鹏是我国首位在冬奥会雪上项目夺冠的运动员．他在一次自由式滑雪空中技巧比赛中沿“助滑区”保持同一姿态下滑了一段距离，重力对他做功 1 900 J ，他克服阻力做功100 J ．韩晓鹏在此过程中( )A ．动能增加了1 900 JB ．动能增加了2 000 JC ．重力势能减小了1 900 JD ．重力势能减小了2 000 J【解析】 由动能定理可知，ΔE k ＝1 900 J －100 J ＝1 800 J ，故A 、B 均错．重力势能的减少量等于重力做的功，故C 正确、D 错．答案 C2．(2014·山东卷，20)2013年我国相继完成“神十”与“天宫”对接、“嫦娥”携“玉兔”落月两大航天工程．某航天爱好者提出“玉兔”回家的设想：如图，将携带“玉兔”的返回系统由月球表面发射到h 高度的轨道上，与在该轨道绕月球做圆周运动的飞船对接，然后由飞船送“玉兔”返回地球．设“玉兔”质量为m ，月球半径为R ，月面的重力加速度为g 月．以月面为零势能面，“玉兔”在h 高度的引力势能可表示为E p ＝GMmhR (R ＋h )，其中G 为引力常量，M 为月球质量．若忽略月球的自转，从开始发射到对接完成需要对“玉兔”做的功为( )A.mg 月R R ＋h (h ＋2R ) B ．mg 月RR ＋h (h ＋2R )C.mg 月R R ＋h(h ＋22R )D ．mg 月R R ＋h(h ＋12R )【解析】 设玉兔在h 高度的速度为v ，则由万有引力定律得，G Mm(R ＋h )2＝m v 2R ＋h ，可知玉兔在该轨道上的动能为E k ＝12GMm (R ＋h )，由功能关系可知对玉兔做的功为：W ＝E k ＋E p ＝12GMm (R ＋h )＋GMmh R (R ＋h )，结合在月球表面：G Mm R 2＝mg 月，整理可知W ＝mg 月R R ＋h (h ＋12R )，故正确选项为D.【答案】 D3.(2014·广东卷，16)如图所示是安装在列车车厢之间的摩擦缓冲器结构图，图中①和②为楔块，③和④为垫板，楔块与弹簧盒、垫板间均有摩擦，在车厢相互撞击使弹簧压缩的过程中()A．缓冲器的机械能守恒B．摩擦力做功消耗机械能C．垫板的动能全部转化为内能D．弹簧的弹性势能全部转化为动能【解析】由于楔块与弹簧盒、垫板间有摩擦力，即摩擦力做负功，则机械能转化为内能，故A错误，B正确；垫板动能转化为内能和弹性势能，故C错误；而弹簧弹性势能也转化为动能和内能，故D错误．【答案】 B[名校模拟]4.(2018·宁夏银川一中模拟)如图所示，水平传送带两端点A、B间的距离为L，传送带开始时处于静止状态．把一个小物体放到右端的A点，某人用恒定的水平力F使小物体以速度v1匀速滑到左端的B点，拉力F所做的功为W1、功率为P1，这一过程物体和传送带之间因摩擦而产生的热量为Q1.随后让传送带以v2的速度逆时针匀速运动，此人仍然用相同的恒定的水平力F拉物体，使它以相对传送带为v1的速度匀速从A滑行到B，这一过程中，拉力F所做的功为W2、功率为P2，物体和传送带之间因摩擦而产生的热量为Q2.下列关系中正确的是()A．W1＝W2，P1<P2，Q1＝Q2B．W1＝W2，P1<P2，Q1>Q2C．W1>W2，P1＝P2，Q1>Q2D．W1>W2，P1＝P2，Q1＝Q2【解析】当传送带不运动时，拉力做功W1＝FL，物体从A运动到B的时间t1＝Lv1，因摩擦而产生的热量Q1＝fL.当传送带运动时，拉力做功W2＝FL，物体从A运动到B的时间t 2＝L v 1＋v 2<t 1，因摩擦而产生的热量Q 2＝f v 1t 2.拉力做功功率P 1＝W 1t 1，P 2＝W 2t 2，比较可知W 1＝W 2，P 1<P 2.又v 1t 2<v 1t 1，v 1t 1＝L ，得Q 1>Q 2，故选B.【答案】 B5.(2018·山东临沂高三上学期期中)如图所示，一质量为m 的小球用两根不可伸长的轻绳a 、b 连接，两轻绳的另一端分别系在竖直杆的A 、B 两点上，当两轻绳伸直时，a 绳与杆的夹角为30°，b 绳水平，已知a 绳长为2L ，当竖直杆以自己为轴转动，角速度ω从零开始缓慢增大过程中，下列说法正确的是( )A ．从开始至b 绳伸直但不提供拉力时，绳a 对小球做功为0B ．b 绳伸直但不提供拉力时，小球的向心加速度大小为33g C ．从开始至b 绳伸直但不提供拉力时，小球的机械能增加了⎝⎛⎭⎫2－536mgLD ．当ω＝g3L时，b 绳未伸直 【解析】 细绳对球的拉力方向与球的位移方向不垂直，故一定对球做正功，使其机械能增大，A 错；ma ＝mg tan 30°，a ＝33g ，B 对；m v 2L ＝mg tan θ，E k ＝12m v 2＝36mgL ，A 球ΔE＝E k ＋E p ＝36mgL ＋mg (2L －3L )＝⎝⎛⎭⎫2－536·mgL ，C 对；令mLω2＝mg tan 30°，得ω＝3g3L，D 对． 【答案】 BCD6．(2018·江苏南通高三模拟)如图所示，将质量为2m 的重物悬挂在轻绳的一端，轻绳的另一端系一质量为m 的环，环套在竖直固定的光滑直杆上，光滑定滑轮与直杆的距离为d .现将环从与定滑轮等高的A 处由静止释放，当环沿直杆下滑距离也为d 时(图中B 处)，下列说法正确的是(重力加速度为g )( )A．环刚释放时轻绳中的张力等于2mgB．环到达B处时，重物上升的高度为(2－1)dC．环在B处的速度与重物上升的速度大小之比为2 2D．环减少的机械能大于重物增加的机械能【解析】环释放后重物加速上升，故绳中张力一定大于2mg，A项错误；环到达B 处时，绳与直杆间的夹角为45°，重物上升的高度h＝(2－1)d，B项正确；如图所示，将B处环速度v进行正交分解，重物上升的速度与其分速度v1大小相等，v1＝v cos 45°＝22 v，所以，环在B处的速度与重物上升的速度大小之比等于2，C项错误；环和重物组成的系统机械能守恒，故D项错误．【答案】 B课时作业(十七)[基础小题练]1．自然现象中蕴藏着许多物理知识，如图所示为一个盛水袋，某人从侧面缓慢推袋壁使它变形，则水的势能()A．变大B．变小C.不变D．不能确定【解析】人缓慢推水袋，对水袋做正功，由功能关系可知，水的重力势能一定增加，A正确．【答案】 A2．如图所示，A物体用板托着，细绳跨过轻质光滑定滑轮与A、B相连，绳处于绷直状态，已知A、B的质量分别为2m和m.现将板抽走，则A下落一段距离的过程中()A．A物体减少的机械能大于B物体增加的机械能B ．A 物体减少的机械能等于B 物体增加的机械能C ．悬挂滑轮的绳子对天花板的拉力大于3mgD ．悬挂滑轮的绳子对天花板的拉力小于3mg【解析】 对A 、B 组成的系统，没有机械能与其他形式能的转化，因此系统的机械能守恒，A 物体减少的机械能等于B 物体增加的机械能，A 错误，B 正确；对滑轮受力分析，根据平衡条件得F ＝2F T ，对A 、B 整体受力分析，根据牛顿第二定律得2mg －mg ＝3ma ，对B 物体受力分析得F T －mg ＝ma ，联立得F ＝83mg ，C 错误，D 正确． 【答案】 BD3．小车静止在光滑的水平导轨上，一个小球用细绳悬挂在车上由图中位置无初速度释放，在小球下摆到最低点的过程中，下列说法正确的是( )A ．绳对球的拉力不做功B ．球克服绳拉力做的功等于球减少的机械能C ．绳对车做的功等于球减少的重力势能D ．球减少的重力势能等于球增加的动能【解析】 小球下摆的过程中，小车的机械能增加，小球的机械能减少，球克服绳拉力做的功等于减少的机械能，选项A 错误，选项B 正确；绳对车做的功等于球减少的机械能，选项C 错误；球减少的重力势能等于球增加的动能和小车增加的机械能之和，选项D 错误．【答案】 B4．悬崖跳水是一项极具挑战性的极限运动，需要运动员具有非凡的胆量和过硬的技术．跳水运动员进入水中后受到水的阻力而做减速运动，设质量为m 的运动员刚入水时的速度为v ，水对他的阻力大小恒为F ，那么在他减速下降深度为h 的过程中，下列说法正确的是(g 为当地的重力加速度)( )A ．他的动能减少了(F －mg )hB ．他的重力势能减少了mgh －12m v 2 C ．他的机械能减少了FhD ．他的机械能减少了mgh【解析】 合力做的功等于动能的变化，合力做的功为(F －mg )h ，A 正确；重力做的功等于重力势能的减少量，故重力势能减小了mgh ，B 错误；重力以外的力做的功等于机械能的变化，故机械能减少了Fh ，C 正确，D 错误．【答案】 AC5．如图所示，在光滑斜面上的A 点先后水平抛出和静止释放两个质量相等的小球1和2，不计空气阻力，最终两小球在斜面上的B 点相遇，在这个过程中( )A ．小球1重力做的功大于小球2重力做的功B ．小球1机械能的变化大于小球2机械能的变化C ．小球1到达B 点的动能大于小球2的动能D ．两小球到达B 点时，在竖直方向的分速度相等【解析】 重力做功只与初、末位置的高度差有关，与物体经过的路径无关，所以重力对1、2两小球所做的功相等，A 错误；1、2两小球从A 点运动到B 点的过程中，只有重力对其做功，所以它们的机械能均守恒，B 错误；由动能定理可得，对小球1有：mgh ＝E k1－E k0，对小球2有：mgh ＝E k2－0，显然E k1＞E k2，C 正确；由上面的分析可知，两小球到达B 点时，小球1的速度大于小球2的速度，且小球1的速度方向与竖直方向的夹角小于小球2速度方向与竖直方向的夹角，因此，小球1在竖直方向上的速度大于小球2在竖直方向上的速度，D 错误．【答案】 C6．如图所示，水平传送带AB 长为21 m ，以6 m/s 的速度顺时针匀速转动，台面与传送带平滑连接于B 点，半圆形光滑轨道半径R ＝1.25 m ，与水平台面相切于C 点，BC 长x ＝5.5 m ，P 点是圆弧轨道上与圆心O 等高的一点．一质量为m ＝1 kg 的物块(可视为质点)，从A 点无初速度释放，物块与传送带及台面间的动摩擦因数均为0.1，则关于物块的运动情况，下列说法正确的是( )A ．物块不能到达P 点B ．物块能越过P 点做斜抛运动C ．物块能越过P 点做平抛运动D ．物块能到达P 点，但不会出现选项B 、C 所描述的运动情况【解析】 物块从A 点释放后在传送带上做加速运动，假设到达台面之前能够达到传送带的速度v ，则由动能定理得，μmgx 1＝12m v 2，得x 1＝18 m ＜21 m ，假设成立．物块以6 m/s 冲上台面，假设物块能到达P 点，则到达P 点时的动能E k P 可由动能定理求得，－μmgx －mgR ＝E k P －12m v 2，得E k P ＝0，可见，物块能到达P 点，速度恰为零，之后从P 点沿圆弧轨道滑回，不会出现选项B 、C 所描述的运动情况，D 正确．【答案】 D[创新导向练]7．生活娱乐——蹦床娱乐中的能量转化问题在儿童乐园的蹦床项目中，小孩在两根弹性绳和蹦床的协助下实现上下弹跳．如图所示，某次蹦床活动中小孩静止时处于O点，当其弹跳到最高点A后下落可将蹦床压到最低点B，小孩可看成质点，不计空气阻力．下列说法正确的是()A．从A运动到O，小孩重力势能减少量大于动能增加量B．从O运动到B，小孩动能减少量等于蹦床弹性势能增加量C．从A运动到B，小孩机械能减少量小于蹦床弹性势能增加量D．若从B返回到A，小孩机械能增加量等于蹦床弹性势能减少量【解析】从A运动到O点，小孩重力势能减少量等于动能增加量与弹性绳的弹性势能的增加量之和，选项A正确；从O运动到B，小孩动能和重力势能的减少量等于弹性绳和蹦床的弹性势能的增加量，选项B错误；从A运动到B，小孩机械能减少量大于蹦床弹性势能增加量，选项C错误；若从B返回到A，小孩机械能增加量等于蹦床和弹性绳弹性势能减少量之和，选项D错误．【答案】 A8．物理与生物——以“跳蚤”弹跳为背景考查能量问题在日常生活中，人们习惯于用几何相似性放大(或缩小)的倍数去得出推论，例如一个人身体高了50%，做衣服用的布料也要多50%，但实际上这种计算方法是错误的．若物体的几何线度为L，当L改变时，其他因素按怎样的规律变化？这类规律可称之为标度律，它们是由量纲关系决定的．在上例中，物体的表面积S＝kL2，所以身高变为1.5倍，所用的布料变为1.52＝2.25倍．以跳蚤为例：如果一只跳蚤的身长为2 mm，质量为0.2 g，往上跳的高度可达0.3 m．可假设其体内能用来跳高的能量E∝L3(L为几何线度)，在其平均密度不变的情况下，身长变为2 m，则这只跳蚤往上跳的最大高度最接近()A．0.3 m B．3 mC．30 m D．300 m【解析】根据能量关系可知E＝mgh，由题意可知E＝kL3，则mgh＝kL3；因跳蚤的平均密度不变，则m＝ρL3，则ρgh＝k，因ρ、g、k均为定值，故h不变，则这只跳蚤往上跳的最大高度最接近0.3 m，故选A.【答案】 A9．就地取材——利用“弹弓”考查功能关系问题弹弓是80后童年生活最喜爱的打击类玩具之一，其工作原理如图所示，橡皮筋两端点A、B固定在把手上，橡皮筋ABC恰好处于原长状态，在C处(AB连线的中垂线上)放一固体弹丸，一手执把，另一手将弹丸拉至D点放手，弹丸就会在橡皮筋的作用下迅速发射出去，打击目标，现将弹丸竖直向上发射，已知E是CD的中点，则()A．从D到C，弹丸的动能一直在增大B．从D到C的过程中，弹丸在E点的动能一定最大C．从D到C，弹丸的机械能先增大后减少D．从D到E弹丸增加的机械能大于从E到C弹丸增加的机械能【解析】在CD连线中的某一处，弹丸受力平衡，但是此点不一定是E点，所以从D 到C，弹丸的速度先增大后减小，弹丸的动能先增大后减小，故A、B错误；从D到C，橡皮筋对弹丸做正功，弹丸机械能一直在增加，故C错误；从D到E橡皮筋作用在弹丸上的合力大于从E到C橡皮筋作用在弹丸上的合力，两段长度相等，所以DE段橡皮筋对弹丸做功较多，即机械能增加的较多，故D正确，故选D.【答案】 D10．综合应用——能量转化与守恒定律的实际应用如图所示，倾角θ＝37°的光滑斜面上粘贴有一厚度不计、宽度为d＝0.2 m的橡胶带，橡胶带的上表面与斜面位于同一平面内，其上、下边缘与斜面的上、下边缘平行，橡胶带的上边缘到斜面的顶端距离为L＝0.4 m，现将质量为m＝1 kg、宽度为d的薄矩形板上边缘与斜面顶端平齐且从斜面顶端静止释放．已知矩形板与橡胶带之间的动摩擦因数为0.5，重力加速度大小为g＝10 m/s2，不计空气阻力，矩形板由斜面顶端静止释放到完全离开橡胶带的过程中(此过程矩形板始终在斜面上)，sin 37°＝0.6，cos 37°＝0.8，下列说法正确的是() A．矩形板受到的摩擦力大小为4 NB．矩形板的重力做功为3.6 JC ．产生的热量为0.8 JD ．矩形板的上边缘穿过橡胶带下边缘时其速度大小为2355m/s 【解析】 当矩形板全部在橡胶带上时摩擦力为F f ＝μmg cos 37°＝4 N ，此时摩擦力最大，其他情形摩擦力均小于4 N ，故A 错误；重力对矩形板做功W G ＝mgh ＝mg (L ＋d )sin 37°＝3.6 J ，B 正确；从滑上橡胶带到完全离开橡胶带，因矩形板受到的摩擦力与位移的变化为线性关系，则产生的热量Q ＝0＋μmg cos 37°2×2d ＝0.8 J ，C 正确；从释放到完全离开橡胶带，对矩形板由动能定理有mg (L ＋d )sin 37°－0＋μmg cos 37°2×2d ＝12m v 2，代入可得v ＝2355m/s ，D 正确．【答案】 BCD[综合提升练]11．如图所示，A 、B 间是一个风洞，水平地板AB 延伸至C 点，通过半径r ＝0.5 m 、圆心角为θ的光滑圆弧CD 与足够长的光滑斜面DE 连接，斜面倾角为θ.可以看成质点、质量m ＝2 kg 的滑块在风洞中受到水平向右的恒定风力F ＝20 N ，滑块与地板AC 间的动摩擦因数μ＝0.2.已知x AB ＝5 m ，x BC ＝2 m ，如果将滑块在风洞中A 点由静止释放，已知sin θ＝0.6，cos θ＝0.8，重力加速度g 取10 m/s 2.求(计算结果要求保留3位有效数字)：(1)滑块经过圆弧轨道的C 点时对地板的压力大小及在斜面上上升的最大高度；(2)滑块第一次返回风洞速率为零时的位置；(3)滑块在A 、C 间运动的总路程．【解析】 (1)滑块在风洞中A 点由静止释放后，设经过C 点时速度为v 1，由动能定理得Fx AB －μmgx AC ＝12m v 21 在C 点由牛顿第二定律有F N C －mg ＝m v 21r代入数据解得F N C ＝308 N ，由牛顿第三定律知滑块经过C 点时对地板的压力为308 N 滑块由C 点上滑过程中，机械能守恒12m v 21＝mgr (1－cos θ)＋mgh。

一.必备知识精讲1．弹簧类问题的突破要点(1)弹簧的弹力大小由形变大小决定，解题时一般应从弹簧的形变分析入手，确定原长位置、现长位置、平衡位置等，再结合其他力的情况分析物体的运动状态。

(2)因软质弹簧的形变发生改变过程需要一段时间，在瞬间内形变量可以认为不变。

因此，在分析瞬间变化时可以认为弹力大小不变，即弹簧的弹力不突变。

(3)在求弹簧的弹力做功或弹簧的弹性势能时，通常可以根据系统的机械能守恒或功能关系进行分析。

2．弹簧类问题的注意事项(1)弹簧处于相同状态时弹性势能相等；(2)在不同的物理过程中，弹簧形变量相等，则弹性势能的变化量相等。

(3)弹簧的弹性势能增加或减少时，弹簧与其它物体发生了能量的转移或转化。

二.典型例题精讲题型一：弹簧与一物体相连例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点无初速度地释放，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，下列说法中正确的是 ( )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．小球与弹簧组成的系统机械能守恒答案:BD[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。

题型二：弹簧与多物体相连例2：(多选)如图所示，带有挡板的光滑斜面固定在水平地面上，斜面的倾角为θ＝30°。

质量均为1kg的A、B两物体用轻弹簧拴接在一起，弹簧的劲度系数为5N/cm，质量为2kg的物体C用细线通过光滑的轻质定滑轮与物体B连接。

开始时A、B均静止在斜面上，A紧靠在挡板处，用手托住C，使细线刚好被拉直，现把手拿开，让C由静止开始运动，从C开始运动到A刚要离开挡板的过程中，下列说法正确的是(g取10m/s2) ( )A．初状态弹簧的压缩量为1cmB．末状态弹簧的压缩量为1cmC．物体B、C与地球组成的系统机械能守恒D．物体C克服绳的拉力所做的功为0.2J答案：AD[解析] 初状态时，细线拉力为零，对B受力分析，弹簧处于压缩状态，弹簧弹力F＝mg sinθ＝kx，解得x＝1cm，A正确；末状态时，对A进行受力分析，弹簧处于伸长状态，弹簧弹力F＝mg sinθ＝kx，解得x＝1cm，B错误；B、C与地球组成的系统，在运动过程中弹簧对系统做功，机械能不守恒，C错误；对A、B、C、弹簧和地球组成的系统由机械能守恒定律得2Mgx－2mgx sinθ＝12(M＋m)v2，对C由动能定理得2Mgx－W＝12Mv2，解得W＝0.2J，D正确。

高中物理中机械能守恒问题的研究与应用案例分析机械能守恒是高中物理中的重要概念之一，它指的是在没有外力做功的情况下，物体的机械能（动能和势能）总量保持不变。

在研究与应用机械能守恒问题时，我们可以通过分析案例来更好地理解和应用这一概念。

一、案例分析：弹簧振子的机械能守恒弹簧振子是一个常见的物理实验，它可以用来研究机械能守恒的问题。

考虑一个弹簧挂在天花板上，并且在挂有一个质点。

当质点受到外力拉伸或压缩弹簧后，我们可以观察到弹簧振子的运动。

在弹簧振子的运动过程中，当质点从最大位移位置释放，并开始向下运动时，势能逐渐转化为动能。

当质点运动至最低位移位置时，动能最大，而势能几乎为零。

在质点运动的过程中，无论是质点向上运动还是向下运动，总的机械能保持不变，即机械能守恒。

通过实验观察和数据记录，我们可以验证机械能守恒定律。

将质点的动能和势能随时间的变化绘制成图像，我们可以清晰地看到它们的变化规律。

这种分析方法可以帮助我们理解机械能守恒的本质，并且为问题的解答提供依据。

二、案例分析：自由落体中的机械能守恒自由落体是另一个常见的物理现象，也可以用来研究机械能守恒。

在没有空气阻力的情况下，物体在重力作用下自由下落。

在自由落体运动中，物体的机械能守恒。

假设有一个物体从高处自由落下。

当物体开始下落时，具有较高的势能。

随着物体的下落，势能逐渐减小，而动能逐渐增加。

当物体下落至最低点时，势能为零，而动能最大。

在物体上升过程中，动能逐渐减少，而势能逐渐增加。

无论是上升过程还是下降过程，物体的机械能总和保持不变。

通过研究自由落体运动，我们可以应用机械能守恒原理解释不同高度下物体的速度和势能之间的关系。

同时，我们还可以通过比较物体在不同高度下的动能和势能大小，来分析物体所受的力和加速度。

三、案例分析：滑块 + 杠杆的机械能守恒滑块与杠杆系统是应用机械能守恒的典型案例之一。

考虑一个滑块放置在水平支架上，通过一根杠杆与支架相连。

在滑块的运动过程中，我们可以研究机械能的转化和守恒问题。