2020版高考物理大一輪復(fù)習(xí) 第五章 第3講 機(jī)械能守恒定律及應(yīng)用講義（含解析）教科版.docx
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第3講 機(jī)械能守恒定律及應(yīng)用 一、重力做功與重力勢(shì)能的關(guān)系 1．重力做功的特點(diǎn) (1)重力做功與路徑無(wú)關(guān)，只與始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)表達(dá)式：Ep＝mgh. (2)重力勢(shì)能的特點(diǎn) 重力勢(shì)能是物體和地球所共有的，重力勢(shì)能的大小與參考平面的選取有關(guān)，但重力勢(shì)能的變化與參考平面的選取無(wú)關(guān)． 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)能減小；重力對(duì)物體做負(fù)功，重力勢(shì)能增大； (2)定量關(guān)系：重力對(duì)物體做的功等于物體重力勢(shì)能的減小量．即WG＝－(Ep2－Ep1)＝－ΔEp. 自測(cè)1 關(guān)于重力勢(shì)能，下列說(shuō)法中正確的是( ) A．物體的位置一旦確定，它的重力勢(shì)能的大小也隨之確定 B．物體與零勢(shì)能面的距離越大，它的重力勢(shì)能也越大 C．一個(gè)物體的重力勢(shì)能從－5J變化到－3J，重力勢(shì)能減少了 D．重力勢(shì)能的減少量等于重力對(duì)物體做的功 答案 D 二、彈性勢(shì)能 1．定義：發(fā)生彈性形變的物體之間，由于有彈力的相互作用而具有的勢(shì)能． 2．彈力做功與彈性勢(shì)能變化的關(guān)系： 彈力做正功，彈性勢(shì)能減?。粡椓ψ鲐?fù)功，彈性勢(shì)能增加．即W＝－ΔEp. 自測(cè)2 (多選)關(guān)于彈性勢(shì)能，下列說(shuō)法中正確的是( ) A．任何發(fā)生彈性形變的物體，都具有彈性勢(shì)能 B．任何具有彈性勢(shì)能的物體，一定發(fā)生了彈性形變 C．物體只要發(fā)生形變，就一定具有彈性勢(shì)能 D．彈簧的彈性勢(shì)能只跟彈簧被拉伸或壓縮的長(zhǎng)度有關(guān) 答案 AB 三、機(jī)械能守恒定律 1．內(nèi)容：在只有重力或彈力做功的物體系統(tǒng)內(nèi)，動(dòng)能與勢(shì)能可以互相轉(zhuǎn)化，而總的機(jī)械能保持不變． 2．表達(dá)式：mgh1＋mv12＝mgh2＋mv22. 3．機(jī)械能守恒的條件 (1)系統(tǒng)只受重力或彈簧彈力的作用，不受其他外力． (2)系統(tǒng)除受重力或彈簧彈力作用外，還受其他內(nèi)力和外力，但這些力對(duì)系統(tǒng)不做功． (3)系統(tǒng)內(nèi)除重力或彈簧彈力做功外，還有其他內(nèi)力和外力做功，但這些力做功的代數(shù)和為零． (4)系統(tǒng)跟外界沒(méi)有發(fā)生機(jī)械能的傳遞，系統(tǒng)內(nèi)、外也沒(méi)有機(jī)械能與其他形式的能發(fā)生轉(zhuǎn)化． 自測(cè)3 (2018山東省泰安市上學(xué)期期中)下列幾種運(yùn)動(dòng)中，機(jī)械能一定守恒的是( ) A．做勻速直線運(yùn)動(dòng)的物體 B．做勻變速直線運(yùn)動(dòng)的物體 C．做平拋運(yùn)動(dòng)的物體 D．做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體 答案 C 解析 做勻速直線運(yùn)動(dòng)的物體，動(dòng)能不變，重力勢(shì)能可能變化，機(jī)械能不一定守恒，故A錯(cuò)誤；若是在水平面上的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，動(dòng)能增大，重力勢(shì)能不變，則機(jī)械能不守恒，故B錯(cuò)誤；做平拋運(yùn)動(dòng)的物體，只有重力做功，機(jī)械能必定守恒，故C正確；若物體在豎直平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，動(dòng)能不變，重力勢(shì)能在變化，機(jī)械能不守恒，故D錯(cuò)誤． 自測(cè)4 (多選)如圖1所示，在地面上以速度v0拋出質(zhì)量為m的物體，拋出后物體落到比地面低h的海平面上．若以地面為零勢(shì)能面，而且不計(jì)空氣阻力，則下列說(shuō)法中正確的是( ) 圖1 A．重力對(duì)物體做的功為mgh B．物體在海平面上的重力勢(shì)能為mgh C．物體在海平面上的動(dòng)能為mv02－mgh D．物體在海平面上的機(jī)械能為mv02 答案 AD 命題點(diǎn)一 機(jī)械能守恒的判斷 1．只有重力做功時(shí)，只發(fā)生動(dòng)能和重力勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化．如自由落體運(yùn)動(dòng)、拋體運(yùn)動(dòng)等． 2．只有系統(tǒng)內(nèi)彈力做功，只發(fā)生動(dòng)能和彈性勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化．如在光滑水平面上運(yùn)動(dòng)的物體碰到一個(gè)彈簧，和彈簧相互作用的過(guò)程中，對(duì)物體和彈簧組成的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，機(jī)械能守恒． 3．只有重力和系統(tǒng)內(nèi)彈力做功，只發(fā)生動(dòng)能、彈性勢(shì)能、重力勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化．如自由下落的物體落到豎直的彈簧上，和彈簧相互作用的過(guò)程中，對(duì)物體和彈簧組成的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，機(jī)械能守恒． 4．除受重力(或系統(tǒng)內(nèi)彈力)外，還受其他力，但其他力不做功，或其他力做功的代數(shù)和為零．如物體在沿斜面向下的拉力F的作用下沿斜面向下運(yùn)動(dòng)，其拉力的大小與摩擦力的大小相等，在此運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，其機(jī)械能守恒． 例1 如圖2所示，將一個(gè)內(nèi)外側(cè)均光滑的半圓形槽置于光滑的水平面上，槽的左側(cè)有一豎直墻壁．現(xiàn)讓一小球自左端槽口A點(diǎn)的正上方由靜止開(kāi)始下落，小球從A點(diǎn)與半圓形槽相切進(jìn)入槽內(nèi)，則下列說(shuō)法正確的是( ) 圖2 A．小球在半圓形槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)的全過(guò)程中，只有重力對(duì)它做功 B．小球從A點(diǎn)向半圓形槽的最低點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，小球處于失重狀態(tài) C．小球從A點(diǎn)經(jīng)最低點(diǎn)向右側(cè)最高點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，小球與槽組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒 D．小球從下落到從右側(cè)離開(kāi)槽的過(guò)程中機(jī)械能守恒 答案 C 解析 小球從A點(diǎn)向半圓形槽的最低點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，半圓形槽有向左運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，但實(shí)際上沒(méi)有動(dòng)，整個(gè)系統(tǒng)中只有重力做功，所以小球與槽組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒；小球過(guò)了半圓形槽的最低點(diǎn)以后，半圓形槽向右運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)沒(méi)有其他形式的能量產(chǎn)生，滿足機(jī)械能守恒的條件，所以系統(tǒng)的機(jī)械能守恒；小球從A點(diǎn)至到達(dá)槽最低點(diǎn)過(guò)程中，小球先失重，后超重；小球由最低點(diǎn)向右側(cè)最高點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，半圓形槽也向右移動(dòng)，半圓形槽對(duì)小球做負(fù)功，小球的機(jī)械能不守恒，故選項(xiàng)C正確． 變式1 如圖3所示，用一輕繩系一小球懸于O點(diǎn)．現(xiàn)將小球拉至水平位置，然后釋放，不計(jì)阻力，小球下落到最低點(diǎn)的過(guò)程中，下列表述正確的是( ) 圖3 A．小球的機(jī)械能守恒 B．小球所受的合力不變 C．小球的動(dòng)能不斷減小 D．小球的重力勢(shì)能增加 答案 A 解析 小球在下落的過(guò)程中，受到重力和繩的拉力的作用，繩的拉力與小球的運(yùn)動(dòng)方向垂直，對(duì)小球不做功，只有重力做功，故在整個(gè)過(guò)程中小球的機(jī)械能守恒，選項(xiàng)A正確；由于小球的速度變大，動(dòng)能增加，所需的向心力變大，故小球所受的合力變大，選項(xiàng)B、C錯(cuò)誤；小球的高度下降，重力勢(shì)能減小，選項(xiàng)D錯(cuò)誤． 命題點(diǎn)二 單物體的機(jī)械能守恒問(wèn)題 1．表達(dá)式 2．一般步驟 3．選用技巧 在處理單個(gè)物體機(jī)械能守恒問(wèn)題時(shí)通常應(yīng)用守恒觀點(diǎn)和轉(zhuǎn)化觀點(diǎn)，轉(zhuǎn)化觀點(diǎn)不用選取零勢(shì)能面． 例2 (2016全國(guó)卷Ⅲ24)如圖4所示，在豎直平面內(nèi)有由圓弧AB和圓弧BC組成的光滑固定軌道，兩者在最低點(diǎn)B平滑連接．AB弧的半徑為R，BC弧的半徑為.一小球在A點(diǎn)正上方與A相距處由靜止開(kāi)始自由下落，經(jīng)A點(diǎn)沿圓弧軌道運(yùn)動(dòng)． 圖4 (1)求小球在B、A兩點(diǎn)的動(dòng)能之比； (2)通過(guò)計(jì)算判斷小球能否沿軌道運(yùn)動(dòng)到C點(diǎn)． 答案 (1)5∶1 (2)能，理由見(jiàn)解析 解析 (1)設(shè)小球的質(zhì)量為m，小球在A點(diǎn)的動(dòng)能為EkA，由機(jī)械能守恒得 EkA＝mg① 設(shè)小球在B點(diǎn)的動(dòng)能為EkB，同理有 EkB＝mg② 由①②式得＝5③ (2)若小球能沿軌道運(yùn)動(dòng)到C點(diǎn)，小球在C點(diǎn)所受軌道的正壓力FN應(yīng)滿足FN≥0④ 設(shè)小球在C點(diǎn)的速度大小為vC，由牛頓第二定律和向心加速度公式有 FN＋mg＝m⑤ 由④⑤式得mg≤m⑥ vC≥⑦ 對(duì)全程由機(jī)械能守恒定律得mg＝mvC′2⑧ 由⑦⑧式可知，vC＝vC′，即小球恰好可以沿軌道運(yùn)動(dòng)到C點(diǎn)． 變式2 (2018湖南省株洲市上學(xué)期質(zhì)檢一)如圖5所示，半徑為R的光滑圓周軌道AB固定在豎直平面內(nèi)，O為圓心，OA與水平方向的夾角為30，OB在豎直方向．一個(gè)可視為質(zhì)點(diǎn)的小球從O點(diǎn)正上方某處以某一水平初速度向右拋出，小球恰好能無(wú)碰撞地從A點(diǎn)進(jìn)入圓軌道內(nèi)側(cè)，此后沿圓軌道運(yùn)動(dòng)到達(dá)B點(diǎn)．已知重力加速度為g，求：(不計(jì)空氣阻力) 圖5 (1)小球初速度的大小； (2)小球運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)時(shí)對(duì)圓軌道壓力的大小． 答案 (1) (2)6mg 解析 (1)設(shè)小球的初速度為v0，飛行時(shí)間為t，則在水平方向有Rcos30＝v0t 在豎直方向有h1＝gt2，vy＝gt 小球運(yùn)動(dòng)到A點(diǎn)時(shí)與軌道無(wú)碰撞，故tan30＝ 聯(lián)立解得v0＝，h1＝R. (2)拋出點(diǎn)距軌道最低點(diǎn)的高度h＝R＋Rsin30＋h1 設(shè)小球運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)B時(shí)速度為v，圓軌道對(duì)小球的彈力為N， 根據(jù)機(jī)械能守恒有mgh＋mv02＝mv2 根據(jù)牛頓第二定律有N－mg＝m 聯(lián)立解得N＝6mg 由牛頓第三定律得在B點(diǎn)時(shí)小球?qū)A軌道的壓力大小為N′＝N＝6mg. 命題點(diǎn)三 連接體的機(jī)械能守恒問(wèn)題 1．對(duì)多個(gè)物體組成的系統(tǒng)要注意判斷物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，系統(tǒng)的機(jī)械能是否守恒． 2．注意尋找用繩或桿相連接的物體間的速度關(guān)系和位移關(guān)系． 3．列機(jī)械能守恒方程時(shí)，一般選用ΔEk＝－ΔEp或ΔEA＝－ΔEB的形式． 例3 如圖6所示，左側(cè)豎直墻面上固定半徑為R＝0.3m的光滑半圓環(huán)，右側(cè)豎直墻面上與圓環(huán)的圓心O等高處固定一光滑直桿．質(zhì)量為ma＝100g的小球a套在半圓環(huán)上，質(zhì)量為mb＝36g的滑塊b套在直桿上，二者之間用長(zhǎng)為l＝0.4m的輕桿通過(guò)兩鉸鏈連接．現(xiàn)將a從圓環(huán)的最高處由靜止釋放，使a沿圓環(huán)自由下滑，不計(jì)一切摩擦，a、b均視為質(zhì)點(diǎn)，重力加速度g＝10m/s2.求： 圖6 (1)小球a滑到與圓心O等高的P點(diǎn)時(shí)的向心力大??； (2)小球a從P點(diǎn)下滑至桿與圓環(huán)相切的Q點(diǎn)的過(guò)程中，桿對(duì)滑塊b做的功． 答案 (1)2N (2)0.1944J 解析 (1)當(dāng)a滑到與圓心O等高的P點(diǎn)時(shí)，a的速度v沿圓環(huán)切線豎直向下，b的速度為零， 由機(jī)械能守恒可得：magR＝mav2 解得v＝ 在P點(diǎn)對(duì)小球a，由牛頓第二定律可得： F＝＝2mag＝2N (2)桿與圓環(huán)相切時(shí)，如圖所示，此時(shí)a的速度沿桿方向，設(shè)此時(shí)b的速度為vb，則知va＝vbcosθ由幾何關(guān)系可得： cosθ＝＝0.8 球a下降的高度h＝Rcosθ a、b及桿組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒：magh＝mav＋mbv－mav2 對(duì)滑塊b，由動(dòng)能定理得：W＝mbv＝0.1944J 變式3 (多選)(2018貴州省貴陽(yáng)市5月適應(yīng)性二)如圖7所示，不可伸長(zhǎng)的輕繩通過(guò)定滑輪將物塊甲、乙(均可視為質(zhì)點(diǎn))連接，物塊甲套在固定的豎直光滑桿上，用外力使兩物塊靜止，輕繩與豎直方向夾角θ＝37，然后撤去外力，甲、乙兩物塊從靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，物塊甲恰能上升到最高點(diǎn)P，P點(diǎn)與滑輪上緣O在同一水平線上，甲、乙兩物塊質(zhì)量分別為m、M，sin37＝0.6，cos37＝0.8，重力加速度為g，不計(jì)空氣阻力，不計(jì)滑輪的大小和摩擦．設(shè)物塊甲上升到最高點(diǎn)P時(shí)加速度為a，則下列說(shuō)法正確的是( ) 圖7 A．M＝2mB．M＝3mC．a(chǎn)＝gD．a(chǎn)＝0 答案 AC 解析 設(shè)QP間的距離為h，OQ間的繩長(zhǎng)L＝＝，則乙下降的高度為h′＝L－h(huán)tan37＝，則根據(jù)機(jī)械能守恒定律可知mgh＝Mgh′，解得M＝2m，故A正確，B錯(cuò)誤．甲上升到最高點(diǎn)P時(shí)，由于不受摩擦力，所以在豎直方向上只受重力，水平方向上彈力與繩子的拉力平衡，因此甲的加速度為g，故C正確，D錯(cuò)誤． 命題點(diǎn)四 含彈簧類(lèi)機(jī)械能守恒問(wèn)題 1．由于彈簧的形變會(huì)具有彈性勢(shì)能，系統(tǒng)的總動(dòng)能將發(fā)生變化，若系統(tǒng)所受的外力(除重力外)和除彈簧彈力以外的內(nèi)力不做功，系統(tǒng)機(jī)械能守恒． 2．在相互作用過(guò)程特征方面，彈簧兩端物體把彈簧拉伸至最長(zhǎng)(或壓縮至最短)時(shí)，兩端的物體具有相同的速度，彈性勢(shì)能最大． 3．如果系統(tǒng)每個(gè)物體除彈簧彈力外所受合力為零，當(dāng)彈簧為自然長(zhǎng)度時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)彈簧某一端的物體具有最大速度(如繃緊的彈簧由靜止釋放)． 例4 (2016全國(guó)卷Ⅱ25)輕質(zhì)彈簧原長(zhǎng)為2l，將彈簧豎直放置在地面上，在其頂端將一質(zhì)量為5m的物體由靜止釋放，當(dāng)彈簧被壓縮到最短時(shí)，彈簧長(zhǎng)度為l.現(xiàn)將該彈簧水平放置，一端固定在A點(diǎn)，另一端與物塊P接觸但不連接．AB是長(zhǎng)度為5l的水平軌道，B端與半徑為l的光滑半圓軌道BCD相切，半圓的直徑BD豎直，如圖8所示．物塊P與AB間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ＝0.5.用外力推動(dòng)物塊P，將彈簧壓縮至長(zhǎng)度l，然后放開(kāi)，P開(kāi)始沿軌道運(yùn)動(dòng)，重力加速度大小為g. 圖8 (1)若P的質(zhì)量為m，求P到達(dá)B點(diǎn)時(shí)速度的大小，以及它離開(kāi)圓軌道后落回到AB上的位置與B點(diǎn)之間的距離； (2)若P能滑上圓軌道，且仍能沿圓軌道滑下，求P的質(zhì)量的取值范圍． 答案 (1) 2l (2)m≤M下載提示(請(qǐng)認(rèn)真閱讀)
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