1、第3讲 机械能守恒定律考点 1 重力势能和弹性势能1.重力势能(1)重力做功的特点重力做功与_无关,只与初、末位置的_有关.路径高度差重力势能重力做功引起物体_的变化.(2)重力势能概念:物体由于被_而具有的能.表达式:Ep_.矢标性:重力势能是_,正负表示其_.(3)重力做功与重力势能变化的关系减少量Ep定性关系:重力对物体做正功,重力势能就_;重力对物体做负功,重力势能就_.定量关系:重力对物体做的功等于物体重力势能的_.即 WG(Ep2Ep1)_.举高mgh标量大小减少增加重力势能具有相对性,同一物体位于同一位置时,由于选择不同的水平面作为零势能面,其重力势能的数值(包括正、负)也不同.
2、2.弹性势能:物体由于发生弹性形变而具有的能量.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_,劲度系数_,弹簧的弹性势能越大.考点 2 机械能守恒定律越大越大1.机械能:_和势能统称为机械能.2.机械能守恒定律的内容:在只有_或_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.动能重力弹力Ek2Ep23.机械能守恒定律的表达式:Ek1Ep1_.【基础自测】1.如图 5-3-1 所示,质量为 m 的小球,从离桌面 H 高处由静止下落,桌面离地高度为 h.若以桌面为参考平面,那么小球)落地时的重力势能及整个过程中重力势能的变化分别是(A.mgh,减少 mg(Hh)B.
3、mgh,减少 mg(Hh)C.mgh,减少 mg(Hh)图 5-3-1D.mgh,减少 mg(Hh)答案:D)2.关于机械能是否守恒,下列说法正确的是(A.做匀速直线运动的物体机械能一定守恒B.做匀速圆周运动的物体机械能一定守恒C.做变速运动的物体机械能可能守恒D.合外力对物体做功不为零,机械能一定不守恒答案:C3.质量为 1 kg 的物体从倾角为 30、长 2 m 的光滑斜面顶端由静止开始下滑,若选初始位置为零势能点,那么,当它滑到斜面中点时具有的机械能和重力势能分别是(g 取 10 m/s2)()A.0 J,5 JC.10 J,5 JB.0 J,10 JD.20 J,10 J解析:物体下滑
4、时机械能守恒,故它下滑到斜面中点时的机械能等于在初始位置的机械能,下滑到斜面中点时的重力势答案:A能 EpmgL2sin 3011022sin 30 J5 J.A 正确.4.如图 5-3-2 所示的光滑轻质滑轮,阻力不计,M12 kg,M21 kg,M1 离地高度为 H0.5 m.M1 与 M2 从静止开始释放,)M1 由静止下落 0.3 m 时的速度为(图 5-3-2A.2 m/s B.3 m/s C.2 m/s D.1 m/s答案:A解析:对系统运用机械能守恒定律得,(M1M2)gh12(M1M2)v2,代入数据解得 v 2 m/s,A 正确,B、C、D错误.热点 1 机械能守恒的判断方法
5、热点归纳【典题 1】(多选)如图 5-3-3 所示,下列关于机械能是否守恒的判断正确的是()甲乙丙丁图 5-3-3A.图甲中,物体 A 将弹簧压缩的过程中,A 机械能守恒B.图乙中,A 置于光滑水平面上,物体 B 沿光滑斜面下滑,物体 B 机械能守恒C.图丙中,不计任何阻力和定滑轮质量时 A 加速下落,B加速上升过程中,A、B 系统机械能守恒D.图丁中,小球沿水平面做匀速圆锥摆运动时,小球的机械能守恒解析:图甲中重力和弹力做功,物体 A 和弹簧组成的系统机械能守恒,但物体 A 机械能不守恒,A 错误;图乙中物体 B除受重力外,还受弹力,弹力对 B 做负功,机械能不守恒,但从能量特点看 A、B
6、组成的系统机械能守恒,B 错误;图丙中绳子张力对 A 做负功,对 B 做正功,代数和为零,A、B 系统机械能守恒,C 正确;图丁中小球的动能不变,势能不变,机械能守恒,D 正确.答案:CD易错提醒:(1)机械能守恒的条件绝不是合外力的功等于零,更不是合外力为零;“只有重力做功”不等于“只受重力作用”.(2)对于一些绳子突然绷紧、物体间碰撞等情况,除非题目特别说明,否则机械能必定不守恒.(3)对于系统机械能是否守恒,可以根据能量的转化进行判断.热点 2 机械能守恒定律的应用热点归纳1.表达式2.一般步骤3.选用技巧(1)在处理单个物体机械能守恒问题时通常应用守恒观点和转化观点,转化观点不用选取零
7、势能面.(2)在处理连接体问题时,通常应用转化观点和转移观点,都不用选取零势能面.考向 1 单个物体的机械能守恒(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.图 5-3-4【典题 2】(2016 年新课标卷)如图 5-3-4 所示,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R2.一小球在A 点正上方与 A 相距R4处由静止开始自由下落,经 A 点沿圆弧轨道运动.解:(1)设小球的质量为 m,小球在 A 点的动能为 EkA,由机械能守恒得EkAmgR4 设小球在
8、B 点的动能为 EkB,同理有EkBmg5R4 由式得EkBEkA51 (2)若小球能沿轨道运动到 C 点,小球在 C 点所受轨道的正压力 FN 应满足FN0 设小球在 C 点的速度大小为 vC,由牛顿第二定律和向心加速度公式有FNmgmv2CR2 由式得 mgm2v2CR vCRg2 对全程应用机械能守恒定律得 mgR412mvC2 由式可知,vCvC,即小球恰好可以沿轨道运动到C 点.考向 2 用机械能守恒定律解决非质点问题【典题 3】如图 5-3-5 所示,露天娱乐场空中列车是由许多节完全相同的车厢组成,列车先沿光滑水平轨道行驶,然后滑上一固定的半径为 R 的空中圆形光滑轨道,若列车全长
9、为 L(L2R),R 远大于一节车厢的长度和高度,那么列车在运行到圆形光滑轨道前的速度至少要多大,才能使整个列车安全通过固定的圆形轨道(车厢间的距离不计).图 5-3-5解:当列车进入轨道后,动能逐渐向势能转化,车速逐渐减小,当车厢占满圆形轨道时的速度最小,设此时的速度为 v,列车的质量为 M,轨道上那部分列车的质量为 MML2R由机械能守恒定律可得12Mv2012Mv2MgR又因圆形轨道顶部车厢应满足 mgmv2R可求得 v0gR14RL.方法技巧:在应用机械能守恒定律处理实际问题时,经常遇到像“链条”“液柱”类的物体,其在运动过程中将会发生形变,其重心位置相对物体也会发生变化,因此这类物体
10、不能再看成质点来处理.物体虽然不能看成质点来处理,但因只有重力做功,物体整体机械能守恒.一般情况下,可将物体分段处理,确定质量分布均匀的规则物体各部分的重心位置,根据初末状态物体重力势能的变化列式求解.热点 3 含弹簧类机械能守恒问题热点归纳1.由于弹簧的形变会具有弹性势能,系统的总动能将发生变化,若系统所受的外力和除弹簧弹力以外的内力不做功,系统机械能守恒.2.在相互作用过程特征方面,弹簧两端物体把弹簧拉伸至最长(或压缩至最短)时,两端的物体具有相同的速度,弹性势能最大.3.如果系统每个物体除弹簧弹力外所受合力为零,当弹簧为自然长度时,系统内弹簧某一端的物体具有最大速度(如绷紧的弹簧由静止释
11、放).【典题 4】(2018 年内蒙古包头模拟)如图5-3-6 所示,在竖直方向上 A、B 两物体通过劲度系数为 k 的轻质弹簧相连,A 放在水平地面上,B、C 两物体通过细线绕过轻质定滑轮相连,C放在固定的光滑斜面上.用手拿住 C,使细线刚刚拉直但无拉力作用,并保证 ab 段的细线竖直、cd 段的细线与斜面平行.已知A、B 的质量均为 m,C 的质量为 4m,重力加速度为 g,细线与滑轮之间的摩擦不计,开始时整个系统处于静止状态,释放 C 后 C 沿斜面下滑,A 刚离开地面时,B 获得最大速度.求:(1)斜面倾角.(2)B 的最大速度 v.图 5-3-6解:(1)当物体 A 刚刚离开地面时,
12、设弹簧的伸长量为xA,对A有kxAmg.此时B受到重力mg、弹簧的弹力kxA、细线拉力FT三个力的作用,设B的加速度为a,根据牛顿第二定律,对B有FTmgkxAma,对C有4mgsin FT4ma,当B获得最大速度时,有a0,由此解得sin 0.5,所以30.(2)开始时弹簧压缩的长度为 xBmgk,显然 xAxB.当物体 A刚离开地面时,B 上升的距离以及 C 沿斜面下滑的距离为 xAxB.由于 xAxB,弹簧处于压缩状态和伸长状态时的弹性势能相等,且物体 A 刚刚离开地面时,B、C 两物体的速度相等,设为v,由机械能守恒定律得 4mg(xAxB)sin mg(xAxB)12(4mm)v2,
13、代入数值解得 v2gm5k.方法技巧:一般来说,我们说一个物体的机械能就是这个物体的重力势能和动能,物体和弹簧组成的系统的机械能包括重力势能、弹性势能和动能.【迁移拓展】(2018 届四川乐山第二次调研)如图5-3-7 所示,在固定倾斜光滑杆上套有一个质量为 m 的圆环,杆与水平方向的夹角30,圆环与竖直放置的轻质弹簧上端相连,弹簧的另一固定在地面上的 A 点,弹簧处于原长 h,让圆环沿杆由静止滑下,当圆环下滑到杆的底端时速度恰为零,则在圆环下滑过程中()图 5-3-7A.圆环和地球组成的系统机械能守恒B.当弹簧垂直于光滑杆时圆环的动能最大C.圆环在底端时,弹簧的弹性势能达最大为 mghD.弹
14、簧转过 60角时,圆环的动能为12mgh解析:在圆环下滑过程中,弹簧的拉力对圆环做功,所以圆环和地球组成的系统的机械能不守恒,A 错误;当圆环沿杆的加速度为零时,其速度最大,动能最大,此时弹簧处于伸长状态,给圆环一个斜向左下方的拉力,B 错误;圆环和地球以及弹簧组成的系统机械能守恒,根据系统的机械能守恒,圆环的机械能减少了 mgh,那么圆环的机械能的减小量等于弹性势能增大量,为 mgh,C 正确;弹簧转过 60角时,此时弹簧仍为答案:CD原长,以圆环为研究对象,利用动能定理得 mgh212mv2,即圆环的动能等于mgh2,D 正确.机械能守恒定律在绳(杆)连接体模型中的应用1.常见情景(1)轻
15、杆连接的物体系统甲乙丙丁图5-3-8(2)轻绳连接的物体系统甲乙丙丁图5-3-92.四点提醒(1)通过杆相连的同轴转动的两物体角速度相等,如图 5-3-8甲、乙、丙.(2)通过绳直拉的两物体速度大小相等,如图 5-3-9 甲、乙、丙.(3)通过绳、杆斜拉的两个物体,两物体沿绳、杆方向的分速度相等,分别如图 5-3-9 丁、5-3-8 丁.(4)对于绳(杆)和球组成的系统,忽略空气阻力和各种摩擦且没有其他力对系统做功,则系统机械能守恒.【典题 5】(2017 年广东肇庆二模)如图 5-3-10 所示,一个长直轻杆两端分别固定一个小球 A 和 B,两球质量均为 m,两球半径忽略不计,杆的长度为 l
16、.先将杆 AB 竖直靠放在竖直墙上,轻轻振动小球 B,使小球 B 在水平面上由静止开始向右滑动,摩擦)()图 5-3-10当小球 A 沿墙下滑距离为12l 时,下列说法正确的是(不计一切A.小球 A 和 B 的速度都为12 glB.小球 A 和 B 的速度都为12 3glC.小球 A 的速度为12 3gl,小球 B 的速度为12 glD.小球 A 的速度为12 gl,小球 B 的速度为12 3gl 答案:C解析:当小球 A 沿墙下滑距离为12l 时,设此时 A 球的速度为 vA,B 球的速度为 vB.根据系统机械能守恒,得 mgl212mv2A12mv2B两球沿杆子方向上的速度相等,则有 vA
17、cos 60vBcos 30.联立两式解得 vA12 3gl,vB12 gl.C 正确,A、B、D 错误.【触类旁通】一半径为 R 的半圆形竖直圆柱面,用轻质不可伸长的细绳连接的 A、B 两球悬挂在圆柱面边缘两侧,A 球质量为 B 球质量的 2 倍,现将 A 球从圆柱边缘处由静止释放,如图 5-3-11 所示.已知 A 球始终不离开圆柱内表面,且细绳足够长,若不计一切摩擦,求:(1)A 球沿圆柱内表面滑至最低点时速度的大小.(2)A 球沿圆柱内表面运动的最大位移.图 5-3-11解:(1)设 A 球沿圆柱内表面滑至最低点时速度的大小为 v,B 球的质量为 m,则根据机械能守恒定律有甲乙图 D332mgR 2mgR122mv212mv2B由图 D33 甲可知,A 球速度 v 与 B 球速度 vB 的关系为vBv1vcos 45联立解得 v2 2 25gR.(2)当 A 球的速度为零时,A 球沿圆柱内表面运动的位移最大,设圆柱体内细绳长为 x,如图乙所示,由几何关系可知 A球下降的高度 h根据机械能守恒定律有 2mghmgx0解得 xx2R 4R2x23R.