
知識(shí)框架
一、重力做功與重力勢(shì)能
1.重力做功的特點(diǎn)
(1)重力做功與路徑無(wú)關(guān),只與初末位置的高度差有關(guān).
(2)重力做功不引起物體機(jī)械能的變化.
2.重力勢(shì)能
(1)概念:物體由于被舉高而具有的能.
(2)表達(dá)式:Ep=mgh.
(3)矢標(biāo)性:重力勢(shì)能是標(biāo)量,正負(fù)表示其大小.
3.重力做功與重力勢(shì)能變化的關(guān)系
(1)定性關(guān)系:重力對(duì)物體做正功,重力勢(shì)能就減少;重力對(duì)物體做負(fù)功,重力勢(shì)能就增加.
(2)定量關(guān)系:重力對(duì)物體做的功等于物體重力勢(shì)能的減少量.即WG=-(Ep2-Ep1)=
-ΔEp.
二、彈性勢(shì)能
1.概念:物體由于發(fā)生彈性形變而具有的能.
2.大?。簭椈傻膹椥詣?shì)能的大小與形變量及勁度系數(shù)有關(guān),彈簧的形變量越大,勁度系數(shù)越大,彈簧的彈性勢(shì)能越大.
3.彈力做功與彈性勢(shì)能變化的關(guān)系類似于重力做功與重力勢(shì)能變化的關(guān)系,用公式表示:W=-ΔEp.
三,應(yīng)用機(jī)械能守恒定律解題的一般步驟
1.選取研究對(duì)象eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(單個(gè)物體,多個(gè)物體組成的系統(tǒng)))
2.分析研究對(duì)象在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的受力情況,明確各力的做功情況,判斷機(jī)械能是否守恒.
3.選取零勢(shì)能面,確定研究對(duì)象在初、末狀態(tài)的機(jī)械能.
4.根據(jù)機(jī)械能守恒定律列出方程.
5.解方程求出結(jié)果,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行必要的討論和說(shuō)明.
核心素養(yǎng)
1.x-t圖象的理解
核心素養(yǎng)一 機(jī)械能守恒的判斷
1.機(jī)械能守恒的條件
只有重力或彈力做功,可以從以下四個(gè)方面進(jìn)行理解:
(1)物體只受重力或彈力作用.
(2)存在其他力作用,但其他力不做功,只有重力或彈力做功.
(3)其他力做功,但做功的代數(shù)和為零.
(4)存在相互作用的物體組成的系統(tǒng)只有動(dòng)能和勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化,無(wú)其他形式能量的轉(zhuǎn)化.
2.機(jī)械能守恒的判斷方法
(1)利用機(jī)械能的定義判斷(直接判斷):分析動(dòng)能和勢(shì)能的和是否變化.
(2)用做功判斷:若物體或系統(tǒng)只有重力(或彈簧的彈力)做功,或有其他力做功,但其他力做功的代數(shù)和為零,則機(jī)械能守恒.
(3)用能量轉(zhuǎn)化來(lái)判斷:若物體系統(tǒng)中只有動(dòng)能和勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化而無(wú)機(jī)械能與其他形式的能的轉(zhuǎn)化,則
物體系統(tǒng)機(jī)械能守恒.
核心素養(yǎng)二 機(jī)械能守恒定律的表達(dá)形式及應(yīng)用
1.守恒觀點(diǎn)
(1)表達(dá)式:Ek1+Ep1=Ek2+Ep2或E1=E2.
(2)意義:系統(tǒng)初狀態(tài)的機(jī)械能等于末狀態(tài)的機(jī)械能.
(3)注意問(wèn)題:要先選取零勢(shì)能參考平面,并且在整個(gè)過(guò)程中必須選取同一個(gè)零勢(shì)能參考平面.
2.轉(zhuǎn)化觀點(diǎn)
(1)表達(dá)式:ΔEk=-ΔEp.
(2)意義:系統(tǒng)(或物體)的機(jī)械能守恒時(shí),系統(tǒng)增加(或減少)的動(dòng)能等于系統(tǒng)減少(或增加)的勢(shì)能.
(3)注意問(wèn)題:要明確勢(shì)能的增加量或減少量,即勢(shì)能的變化,可以不選取零勢(shì)能參考平面.
3.轉(zhuǎn)移觀點(diǎn)
(1)表達(dá)式:ΔEA增=ΔEB減.
(2)意義:若系統(tǒng)由A、B兩部分組成,當(dāng)系統(tǒng)的機(jī)械能守恒時(shí),則A部分機(jī)械能的增加量等于B部分機(jī)械能的減少量.
(3)注意問(wèn)題:A部分機(jī)械能的增加量等于A部分末狀態(tài)的機(jī)械能減初狀態(tài)的機(jī)械能,而B(niǎo)部分機(jī)械能的減少量等于B部分初狀態(tài)的機(jī)械能減末狀態(tài)的機(jī)械能.
典例精講
1.蹦極是一項(xiàng)非常刺激的戶外休閑活動(dòng).北京青龍峽蹦極跳塔高度為68米,身系彈性蹦極繩的蹦極運(yùn)動(dòng)員從高臺(tái)跳下,下落高度大約為50米.假定空氣阻力可忽略,運(yùn)動(dòng)員可視為質(zhì)點(diǎn).下列說(shuō)法正確的是( )
A.運(yùn)動(dòng)員到達(dá)最低點(diǎn)前加速度先不變后增大
B.蹦極過(guò)程中,運(yùn)動(dòng)員的機(jī)械能守恒
C.蹦極繩張緊后的下落過(guò)程中,動(dòng)能一直減小
D.蹦極繩張緊后的下落過(guò)程中,彈力一直增大
解析:蹦極繩張緊前,運(yùn)動(dòng)員只受重力,加速度不變,蹦極繩張緊后,運(yùn)動(dòng)員受重力、彈力,開(kāi)始時(shí)重力大于彈力,加速度向下,后來(lái)重力小于彈力,加速度向上,則蹦極繩張緊后,運(yùn)動(dòng)員加速度先減小為零再反向增大,故A錯(cuò)誤;蹦極過(guò)程中,運(yùn)動(dòng)員和彈性繩的機(jī)械能守恒,故B錯(cuò)誤;蹦極繩張緊后的下落過(guò)程中,運(yùn)動(dòng)員加速度先減小為零再反向增大,運(yùn)動(dòng)員速度先增大再減小,運(yùn)動(dòng)員動(dòng)能先增大再減小,故C錯(cuò)誤;蹦極繩張緊后的下落過(guò)程中,彈性繩的伸長(zhǎng)量增大,彈力一直增大,故D正確.
答案:D
2.如圖所示,用長(zhǎng)為L(zhǎng)的輕繩把一個(gè)小鐵球懸掛在高為2L的O點(diǎn)處,小鐵球以O(shè)點(diǎn)為圓心在豎直平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)且恰能到達(dá)最高點(diǎn)B處,不計(jì)空氣阻力.若運(yùn)動(dòng)中輕繩斷開(kāi),則小鐵球落到地面時(shí)的速度大小為( )
A.eq \r(gL) B.eq \r(3gL) C.eq \r(5gL) D.eq \r(7gL)
解析:小鐵球恰能到達(dá)最高點(diǎn)B,則小鐵球在最高點(diǎn)處的速度v=eq \r(gL).以地面為零勢(shì)能面,小鐵球在B點(diǎn)處的總機(jī)械能為mg×3L+eq \f(1,2)mv2=eq \f(7,2)mgL,無(wú)論輕繩是在何處斷的,小鐵球的機(jī)械能總是守恒的,因此到達(dá)地面時(shí)的動(dòng)能eq \f(1,2)mv2=eq \f(7,2)mgL,故小鐵球落到地面的速度v′=eq \r(7gL),
D正確.
過(guò)關(guān)訓(xùn)練
一、單選題
1.有兩個(gè)物體a和b,其質(zhì)量分別為ma和mb,且ma>mb,它們的初動(dòng)能相同,若a和b分別受到不變的阻力Fa和Fb的作用,經(jīng)過(guò)相同的時(shí)間停下來(lái),它們的位移分別為sa和sb,則( )
A. SKIPIF 1 < 0 且 SKIPIF 1 < 0 B. SKIPIF 1 < 0 且 SKIPIF 1 < 0
C. SKIPIF 1 < 0 且 SKIPIF 1 < 0 D. SKIPIF 1 < 0 且 SKIPIF 1 < 0
全國(guó)兩會(huì)剛剛傳來(lái)消息,北沿江高鐵定了,泰州到傷害只要55分鐘,這條鐵路自上海引出,跨越崇明島到南通啟東(海門),經(jīng)南通、泰州、揚(yáng)州到南京,線路全長(zhǎng)約385公里,等級(jí)為客運(yùn)專線,設(shè)計(jì)時(shí)速目標(biāo)為350km/h,對(duì)泰州人來(lái)說(shuō),北沿江高鐵開(kāi)通后,泰州人到南京要40分鐘,到上海只55分鐘,到北京也將由原來(lái)的13小時(shí)變?yōu)?小時(shí),到時(shí)候泰州人早晨可以在家吃一碗魚(yú)湯再趕到南京上班.
假設(shè)列車從泰州高鐵站由靜止出發(fā),經(jīng)過(guò)時(shí)間300s,速度最高可以達(dá)到90m/s,列車進(jìn)南京站時(shí)速度從70m/s逐漸減為零
2.根據(jù)材料介紹,高速列車從泰州高鐵站由靜止出發(fā),經(jīng)過(guò)300s達(dá)到最高速度為90m/s,(假設(shè)此過(guò)程為勻加速直線運(yùn)動(dòng)),則列車在此過(guò)程中的加速度大小是
A.0.3m/s2B.0.6 m/s2C.1.0 m/s2D.20 m/s2
3.列車進(jìn)南京站時(shí),假設(shè)速度從從70m/s逐漸減為零的時(shí)間為200s,此過(guò)程為勻減速直線運(yùn)動(dòng),則列車在此階段通過(guò)的路程是
A.2kmB.7kmC.14kmD.28km
4.假設(shè)列車的質(zhì)量是 SKIPIF 1 < 0 kg,列車的速度從70m/s逐漸減為0的時(shí)間為200s,此過(guò)程為勻減速直線運(yùn)動(dòng),則列車在此階段受到的合力是
A. SKIPIF 1 < 0 NB. SKIPIF 1 < 0 NC. SKIPIF 1 < 0 ND. SKIPIF 1 < 0 N
5.如圖所示,小球在豎直放置的光滑圓形管道內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng),內(nèi)側(cè)壁半徑為R,小球半徑為r,則下列說(shuō)法正確的是( )
A.小球通過(guò)最高點(diǎn)時(shí)的最小速度vmin= SKIPIF 1 < 0
B.小球通過(guò)最低點(diǎn)時(shí)的最小速度vmin= SKIPIF 1 < 0
C.小球在水平線ab以下的管道中運(yùn)動(dòng)時(shí),內(nèi)側(cè)管壁對(duì)小球一定無(wú)作用力
D.小球在水平線ab以上的管道中運(yùn)動(dòng)時(shí),外側(cè)管壁對(duì)小球一定有作用力
6.人通過(guò)滑輪將質(zhì)量為m的物體沿粗糙的斜面由靜止開(kāi)始勻加速地由底端拉上斜面,物體上升的高度為h;到達(dá)斜面頂端的速度為v,如圖所示,則此過(guò)程中( )
A.物體所受的合外力做功為 SKIPIF 1 < 0
B.物體受到的合外力做功為 SKIPIF 1 < 0
C.人對(duì)物體做的功為mgh
D.人對(duì)物體做的功為 SKIPIF 1 < 0
7.把一定質(zhì)量的小球放在豎立的彈簧上,并把小球往下按至A位置,如圖甲所示.迅速松手后,彈簧把小球彈起,小球升至最高位置C(圖丙),途中經(jīng)過(guò)位置B時(shí)彈簧正好恢復(fù)原長(zhǎng)(圖乙).彈簧質(zhì)量和空氣阻力均可忽略.下列說(shuō)法正確的是
A.A到C的過(guò)程,小球的機(jī)械能守恒
B.A到B的過(guò)程,小球的動(dòng)能一直變大
C.A到B的過(guò)程,小球動(dòng)能的增加量小于彈簧彈性勢(shì)能的減少量
D.A到C的過(guò)程,小球重力勢(shì)能的增加量小于彈簧彈性勢(shì)能的減少量
8.如圖所示,一輛小車在牽引力作用下沿半徑為R的弧形路面勻速率上行,小車與路面間的阻力大小恒定,則上行過(guò)程中
A.小車處于平衡狀態(tài),所受合外力為零
B.小車受到的牽引力逐漸增大
C.小車受到的牽引力對(duì)小車做的功一定大于小車重力勢(shì)能的增加量
D.小車重力的功率逐漸增大
9.如圖所示,運(yùn)動(dòng)員把質(zhì)量為m的足球從水平地面踢出,足球在空中達(dá)到的最大高度為h,在最高點(diǎn)時(shí)的速度為 v,不計(jì)空氣阻力,重力加速度為g,則運(yùn)動(dòng)員踢球時(shí)對(duì)足球做的功為( )
A. SKIPIF 1 < 0 mv2B.mghC.mgh+ SKIPIF 1 < 0 mv2D.mgh+mv2
10.廣東省某縣城一次洪水后,將一座橋的橋墩沖毀,橋面向下凹陷,成為一座罕見(jiàn)的“倒拱橋”,因?yàn)榻煌ㄎ恢檬种匾瑯蛄荷弦廊辉试S車輛通行。某車在通過(guò)此橋的過(guò)程中,下列說(shuō)法正確的是( )
A.橋面對(duì)車的支持力大于車自身重力
B.該車受到重力、支持力、向心力的作用
C.橋面對(duì)車的支持力小于車對(duì)橋面的壓力
D.為了避免橋面因受到的壓力過(guò)大而發(fā)生危險(xiǎn),該車應(yīng)加快速度盡快通過(guò)
二、多選題
11.關(guān)于摩擦力對(duì)物體做功,以下說(shuō)法中正確的是( )
A.滑動(dòng)摩擦力可能做負(fù)功,也可能做正功B.滑動(dòng)摩擦力總是做負(fù)功
C.靜摩擦力可能做負(fù)功,也可能做正功D.靜摩擦力對(duì)物體一定不會(huì)做功
三、解答題
12.如圖,質(zhì)量為m的小球從光滑曲面上滑下。當(dāng)它到達(dá)高度為 SKIPIF 1 < 0 的位置A時(shí),速度的大小為 SKIPIF 1 < 0 ;當(dāng)它繼續(xù)滑下到高度為 SKIPIF 1 < 0 的位置B時(shí),速度的大小為 SKIPIF 1 < 0 。在由高度 SKIPIF 1 < 0 滑到高度 SKIPIF 1 < 0 的過(guò)程中,重力做的功為W。
(1)根據(jù)動(dòng)能定理列出方程,描述小球在A、B兩點(diǎn)間動(dòng)能的關(guān)系;
(2)根據(jù)重力做功與重力勢(shì)能的關(guān)系,把以上方程變形,以反映出小球運(yùn)動(dòng)過(guò)程中機(jī)械能是守恒的。
13.質(zhì)量為0.5 SKIPIF 1 < 0 的石塊從10m高處以30°角斜向上方拋出(如圖),初速度 SKIPIF 1 < 0 的大小為5 SKIPIF 1 < 0 。不計(jì)空氣阻力,g取10 SKIPIF 1 < 0 。
(1)石塊落地時(shí)的速度是多大?請(qǐng)用機(jī)械能守恒定律和動(dòng)能定理分別討論。
(2)石塊落地時(shí)速度的大小與下列哪些量有關(guān),與哪些量無(wú)關(guān)?說(shuō)明理由。
A.石塊的質(zhì)量
B.石塊的初速度
C.石塊初速度的仰角
D.石塊拋出時(shí)的高度
1.如圖所示,兩個(gè)內(nèi)壁光滑、半徑不同的半圓軌道固定在地面上.一個(gè)小球先后在與球心在同一水平高度的A、B兩點(diǎn)由靜止開(kāi)始下滑,當(dāng)小球通過(guò)兩軌道最低點(diǎn)時(shí)( )
A.小球的速度相同 B.小球的加速度相同
C.小球的機(jī)械能相同 D.兩軌道所受壓力相同
2.如圖所示,有一光滑軌道ABC,AB部分為半徑為R的eq \f(1,4)圓弧,BC部分水平,質(zhì)量均為m的小球a、b固定在豎直輕桿的兩端,輕桿長(zhǎng)為R,不計(jì)小球大?。_(kāi)始時(shí)a球處在圓弧上端A點(diǎn),由靜止釋放小球和輕桿,使其沿光滑軌道下滑,則下列說(shuō)法正確的是( )
A.a(chǎn)球下滑過(guò)程中機(jī)械能保持不變
B.b球下滑過(guò)程中機(jī)械能保持不變
C.a(chǎn)、b球滑到水平軌道上時(shí)速度大小為eq \r(2gR)
D.從釋放a、b球到a、b球滑到水平軌道上,整個(gè)過(guò)程中輕桿對(duì)a球做的功為eq \f(mgR,2)
3.如圖甲所示,將質(zhì)量為m的小球以速度v0豎直向上拋出,小球上升的最大高度為h.若將質(zhì)量分別為2m、3m、4m、5m的小球,分別以同樣大小的速度v0從半徑均為R=eq \f(1,2)h的豎直圓形光滑軌道的最低點(diǎn)水平向右射入軌道,軌道形狀如圖乙、丙、丁、戊所示.則質(zhì)量分別為2m、3m、4m、5m的小球中,能到達(dá)的最大高度仍為h的是(小球大小和空氣阻力均不計(jì))( )
A.質(zhì)量為2m的小球 B.質(zhì)量為3m的小球
C.質(zhì)量為4m的小球 D.質(zhì)量為5m的小球
考題預(yù)測(cè) 參考答案
1解析:設(shè)半圓軌道的半徑為r,小球在最低點(diǎn)的速度為v,由機(jī)械能守恒定律得mgr=eq \f(1,2)mv2,所以v=eq \r(2gr).由于它們的半徑不同,所以線速度不等,故A錯(cuò)誤;小球的向心加速度an=eq \f(v2,r),與上式聯(lián)立可以解得an=2g,與半徑無(wú)關(guān),因此,此時(shí)小球的向心加速度相等,故B正確;在最低點(diǎn),由牛頓第二定律得FN-mg=meq \f(v2,r),聯(lián)立解得FN=3mg,由牛頓第三定律知軌道所受壓力為3mg,由于球的質(zhì)量相等,所以對(duì)軌道的壓力相同,故D正確;在A、B兩點(diǎn)由靜止開(kāi)始自由下滑過(guò)程中,受到重力和支持力作用,但只有重力做功,機(jī)械能守恒,小球初位置的機(jī)械能相等,所以末位置的機(jī)械能也相等,故C正確.
答案:BCD
2解析:a、b球和輕桿組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒,A、B錯(cuò)誤;由系統(tǒng)機(jī)械能守恒有mgR+2mgR=eq \f(1,2)×2mv2,解得a、b球滑到水平軌道上時(shí)速度大小為v=eq \r(3gR),C錯(cuò)誤;從釋放a、b球到a、b球滑到水平軌道上,對(duì)a球,由動(dòng)能定理有W+mgR=eq \f(1,2)mv2,解得輕桿對(duì)a球做的功為W=eq \f(mgR,2),D正確.
答案:D
3解析:由題意可知,質(zhì)量為m的小球,豎直向上拋出時(shí)只有重力做功,故機(jī)械能守恒,則有mgh=eq \f(1,2)mv02,題圖乙將質(zhì)量為2m的小球以速度v0射入軌道,小球若能到達(dá)最大高度h,則此時(shí)速度不為零,此時(shí)的動(dòng)能與重力勢(shì)能之和,大于初位置時(shí)的動(dòng)能與重力勢(shì)能,故不可能,即h2
這是一份高考物理一輪復(fù)習(xí)第5章實(shí)驗(yàn)7驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律課時(shí)學(xué)案,共10頁(yè)。
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