高考物理一轮复习第五章机械能及其守恒定律第三节机械能守恒定律学案

这是一份高考物理一轮复习第五章机械能及其守恒定律第三节机械能守恒定律学案，共16页。学案主要包含了重力势能和弹性势能，机械能守恒定律等内容，欢迎下载使用。
第三节　机械能守恒定律

一、重力势能和弹性势能

答案：mgh　地球　参考平面　－ΔEp　弹性形变　形变量　－ΔEp
【基础练1】　将质量为100 kg的物体从地面提升到10 m高处，在这个过程中，下列说法正确的是(g取10 m/s2)(　　)
A．重力做正功，重力势能增加1.0×104 J
B．重力做正功，重力势能减少1.0×104 J
C．重力做负功，重力势能增加1.0×104 J
D．重力做负功，重力势能减少1.0×104 J
解析：选C。WG＝－mgh＝－1.0×104 J，ΔEp＝－WG＝1.0×104 J，C正确。
【基础练2】　如图所示，在光滑水平面上有一物体，它的左端连接着一轻弹簧，弹簧的另一端固定在墙上，在力F作用下物体处于静止状态，当撤去力F后，物体将向右运动，在物体向右运动的过程中，下列说法正确的是(　　)

A．弹簧的弹性势能逐渐减小
B．物体的机械能不变
C．弹簧的弹性势能先增加后减少
D．弹簧的弹性势能先减少后增加
解析：选D。因弹簧左端固定在墙上，右端与物体连接，故撤去F后，弹簧先伸长到原长后，再被物体拉伸，其弹性势能先减少后增加，物体的机械能先增加后减小，故D正确，A、B、C错误。
二、机械能守恒定律

答案：重力或弹力　重力或弹力　Ek′＋Ep′
－ΔEp　ΔEB减
【基础练3】　下列对各图的说法正确的是(　　)

A．图1中汽车匀速下坡的过程中机械能守恒
B．图2中卫星绕地球做匀速圆周运动时所受合外力为零，动能不变
C．图3中弓被拉开过程弹性势能减少了
D．图4中撑竿跳高运动员在上升过程中机械能增大
解析：选D。题图1中汽车匀速下坡的过程中动能不变，重力势能减小，机械能减小，故A错误；题图2中卫星绕地球做匀速圆周运动时所受合外力提供向心力则不为0，匀速圆周运动速度大小不变，则动能不变，故B错误；题图3中弓被拉开过程橡皮筋形变增大，弹性势能增大，故C错误；题图4中撑竿跳高运动员在上升过程中杆对运动员做正功，其机械能增大，故D正确。


考点一　对机械能守恒的理解与判断
1．判断机械能是否守恒的三种方法
定义法
利用机械能的定义直接判断，分析物体或系统的动能和势能的和是否变化，若不变，则机械能守恒
做功法
若物体或系统只有重力或系统内弹力做功，或有其他力做功，但其他力做功的代数和为零，则机械能守恒
转化法
若物体或系统中只有动能和势能的相互转化而无机械能与其他形式能的转化，则机械能守恒
2.对机械能守恒条件的理解及判断
(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；“只有重力或弹力做功”不等于“只受重力或弹力作用”。
(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。严格地讲，机械能守恒定律的条件应该是对一个系统而言，外力对系统不做功(表明系统与外界之间无能量交换)，系统内除了重力和弹力以外，无其他摩擦和介质阻力做功(表明系统内不存在机械能与其他形式能之间的转换)，则系统的机械能守恒。
　在如图所示的物理过程示意图中，甲图为一端固定有小球的轻杆，从右偏上30°角释放后绕光滑支点摆动；乙图为末端固定有小球的轻质直角架，释放后绕通过直角顶点的固定轴O无摩擦转动；丙图为轻绳一端连着一小球，从右偏上30°角处自由释放；丁图为置于光滑水平面上的带有竖直支架的小车，把用细绳悬挂的小球从图示位置释放，小球开始摆动。则关于这几个物理过程(空气阻力忽略不计)，下列判断正确的是(　　)

A．甲图中小球机械能守恒
B．乙图中小球A机械能守恒
C．丙图中小球机械能守恒
D．丁图中小球机械能守恒
[解析]　甲图过程中轻杆对小球不做功，小球的机械能守恒，A正确；乙图过程中轻杆对A的弹力不沿杆的方向，会对小球做功，所以小球A的机械能不守恒，但两个小球组成的系统机械能守恒，B错误；丙图中小球在绳子绷紧的瞬间有动能损失，机械能不守恒，C错误；丁图中小球和小车组成的系统机械能守恒，但小球的机械能不守恒，这是因为摆动过程中小球的轨迹不是圆弧，细绳会对小球做功，D错误。
[答案]　A
【对点练1】　(多选)如图所示，下列关于机械能是否守恒的判断正确的是(　　)

A．甲图中，物体A将弹簧压缩的过程中，A机械能守恒
B．乙图中，A置于光滑水平面，物体B沿光滑斜面下滑，物体B机械能守恒
C．丙图中，不计任何阻力时A加速下落、B加速上升过程中，A、B组成的系统机械能守恒
D．丁图中，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：选CD。甲图中重力和弹簧弹力做功，系统机械能守恒，但弹簧的弹性势能增加，A的机械能减少，A错误；乙图中B物体下滑，B对A的弹力做功，A的动能增加，B的机械能减少，B错误；丙图中A、B组成的系统只有重力做功，机械能守恒，C正确；丁图中小球受重力和拉力作用，但都不做功，小球动能不变，机械能守恒，D正确。


考点二　单个物体的机械能守恒问题
1．机械能守恒定律的表达式

2．求解单个物体机械能守恒问题的基本思路

　(多选)(2020·高考全国卷Ⅰ)一物块在高3.0 m、长5.0 m的斜面顶端从静止开始沿斜面下滑，其重力势能和动能随下滑距离s的变化如图中直线Ⅰ、Ⅱ所示，重力加速度取10 m/s2。则(　　)

A．物块下滑过程中机械能不守恒
B．物块与斜面间的动摩擦因数为0.5
C．物块下滑时加速度的大小为6.0 m/s2
D．当物块下滑2.0 m时机械能损失了12 J
[解析]　由题图可得Ep0＝mgh＝30 J，其中h＝3 m，则m＝1 kg，动能和重力势能之和减小，机械能不守恒，故A正确；由题图可知，物块到达底端时动能为10 J，由Ek＝mv2，可得v＝2 m/s，由v2－v＝2as得a＝＝2 m/s2，故C错误；设斜面倾角为θ，有sin θ＝0.6，cos θ＝0.8，由牛顿第二定律有mgsin θ－μmgcos θ＝ma，解得μ＝0.5，故B正确；下滑2.0 m时，动能、重力势能之和为22 J，故机械能损失8 J，故D错误。
[答案]　AB
【对点练2】　(多选)(2019·高考全国卷Ⅱ)从地面竖直向上抛出一物体，其机械能E总等于动能Ek与重力势能Ep之和。取地面为重力势能零点，该物体的E总和Ep随它离开地面的高度h的变化如图所示。重力加速度取10 m/s2。由图中数据可得(　　)

A．物体的质量为2 kg
B．h＝0时，物体的速率为20 m/s
C．h＝2 m时，物体的动能Ek＝40 J
D．从地面至h＝4 m，物体的动能减少100 J
解析：选AD。根据题给图象可知h＝4 m时物体的重力势能mgh＝80 J，解得物体质量m＝2 kg，抛出时物体的动能Ek＝100 J，由动能公式Ek＝mv2，可知h＝0时物体的速率v＝10 m/s，A正确，B错误；由功能关系可知fh＝|ΔE|＝20 J，解得物体上升过程中所受空气阻力f＝5 N，从物体开始抛出至上升到h＝2 m的过程中，由动能定理有－mgh－fh＝Ek－100 J，解得 Ek＝50 J，C错误；由题给图象可知，物体上升到 h＝4 m时，机械能为80 J，重力势能为80 J，动能为零，即物体从地面上升到h＝4 m，物体动能减少100 J，D正确。
　(2020·昌平区二模练习)如图所示，半径R＝0.5 m的光滑半圆环轨道固定在竖直平面内，半圆环与光滑水平地面相切于圆环最低端点A。质量m＝1 kg的小球以初速度v0＝5 m/s从A点冲上竖直圆环，沿轨道运动到B点飞出，最后落在水平地面上的C点，g取10 m/s2，不计空气阻力。

(1)求小球运动到轨道末端B点时的速度vB。
(2)求A、C两点间的距离x。
(3)若小球以不同的初速度冲上竖直圆环，并沿轨道运动到B点飞出，落在水平地面上。求小球落点与A点间的最小距离xmin。
[解析]　(1)对小球从A到B过程由机械能守恒定律得mv＝mv＋mg·2R
解得vB＝ m/s；
(2)对小球由平抛规律得2R＝gt2
x＝vBt
解得x＝1 m；
(3)设小球运动到B点时半圆环轨道对小球的压力为FN
小球做圆周运动有FN＋mg＝
得当FN＝0时，小球运动到轨道末端B点时的速度最小vBmin＝ m/s
由(2)的计算公式可知，最小距离xmin＝x＝1 m。
[答案]　(1) m/s　(2)1 m　(3)1 m
【对点练3】　(2020·汕头市第一次模拟)2022年将在我国举办第二十四届冬奥会，跳台滑雪是其中最具观赏性的项目之一。某滑道示意图如图所示，长直助滑道AB与弯曲滑道BC平滑衔接，AB段的长度L＝100 m，与水平方向的夹角θ ＝30°。滑道BC高h＝10 m，C是半径R＝60 m圆弧的最低点。质量m＝60 kg的运动员从A处由静止开始匀加速下滑，到达B点时速度vB＝30 m/s。重力加速度g取10 m/s2。

(1)求运动员在助滑道AB段下滑过程受到的滑动摩擦力的大小。
(2)若不计BC段的阻力，求运动员经过C点时受到的支持力的大小。
解析：(1)运动员在AB段匀加速下滑，有v＝2aL
由牛顿第二定律可得mgsin θ－f＝ma
代入数据解得滑动摩擦力的大小f＝30 N；
(2)运动员从B点运动到C点过程，由机械能守恒定律可得 mv＋mgh＝mv
经过C点时，有NC－mg＝m
代入数据解得运动员经过C点时受到的支持力的大小NC＝1 700 N。
答案：(1)30 N　(2)1 700 N

考点三　多个物体的机械能守恒问题
1．解题思路

2．三种模型
(1)轻绳模型

①分清两物体是速度大小相等，还是沿绳方向的分速度大小相等。
②用好两物体的位移大小关系或竖直方向高度变化的关系。
③对于单个物体，一般绳上的力要做功，机械能不守恒；但对于绳连接的系统，机械能则可能守恒。
(2)轻杆模型

①平动时两物体线速度相等，转动时两物体角速度相等。
②杆对物体的作用力并不总是沿杆的方向，杆能对物体做功，单个物体机械能不守恒。
③对于杆和球组成的系统，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。
(3)轻弹簧模型
①含弹簧的物体系统在只有弹簧弹力和重力做功时，物体的动能、重力势能和弹簧的弹性势能之间相互转化，物体和弹簧组成的系统机械能守恒，而单个物体和弹簧机械能都不守恒。
②含弹簧的物体系统机械能守恒问题，符合一般的运动学解题规律，同时还要注意弹簧弹力和弹性势能的特点。
③弹簧弹力做的功等于弹簧弹性势能的减少量，而弹簧弹力做功与路径无关，只取决于初、末状态弹簧形变量的大小。
④由两个或两个以上的物体与弹簧组成的系统，当弹簧形变量最大时，弹簧两端连接的物体具有相同的速度；弹簧处于自然长度时，弹簧弹性势能最小(为零)。
　如图，可视为质点的小球A、B用不可伸长的细软轻线连接，跨过固定在地面上半径为R的光滑圆柱，A的质量为B的两倍。当B位于地面时，A恰与圆柱轴心等高。将A由静止释放，B上升的最大高度是(　　)

A．2R　　　　　　　　　　 B.
C. D.
[解析]　运用机械能守恒定律：当A下落到地面前，对A、B整体有：2mgR－mgR＝×2mv2＋mv2，A落地后，对B球有mv2＝mgh，联立以上两式解得h＝，即A落地后B还能再升高，上升的最大高度为R，故C正确，A、B、D错误。
[答案]　C
【对点练4】　(多选)(2020·江苏海门中学第二次质调)如图所示，轻质动滑轮下方悬挂重物A、轻质定滑轮下方悬挂重物B，悬挂滑轮的轻质细绳竖直。开始时，重物A、B处于静止状态，释放后A、B开始运动。已知A、B的质量相等，重力加速度为g。摩擦阻力和空气阻力均忽略不计，滑轮间竖直距离足够长。则下列说法正确的是(　　)

A．相同时间内，A、B位移大小之比为1∶2
B．同一时刻，A、B加速度大小之比为1∶1
C．同一时刻，A、B速度大小之比为1∶1
D．当B下降高度为h时，B的速度大小为
解析：选AD。由题可知，B下降位移是A上升位移的两倍，由公式x＝at2可知，B的加速度是A加速度的两倍，故A正确，B错误；由速度公式v＝at可知，由于B的加速度是A加速度的两倍，所以同一时刻，A的速度是B
的一半，故C错误；当B下降高度为h时，A上升，由机械能守恒定律得mgh－mg＝mv＋mv，又2vA＝vB，联立解得vB＝ ，故D正确。
【对点练5】　(多选) (2020·河南洛阳二模)如图所示，有质量为2m、m的小滑块P、Q，P套在固定竖直杆上，Q放在水平地面上。P、Q间通过铰链用长为L的刚性轻杆连接，一轻弹簧左端与Q相连，右端固定在竖直杆上，弹簧水平，α＝30°时，弹簧处于原长。当α＝30°时，P由静止释放，下降到最低点时α变为60°，整个运动过程中，P、Q始终在同一竖直平面内，弹簧在弹性限度内，忽略一切摩擦，重力加速度为g。则P下降过程中(　　)

A．P、Q组成的系统机械能守恒
B．当α＝45°时，P、Q的速度相同
C．弹簧弹性势能最大值为(－1)mgL
D．P下降过程中动能达到最大前，Q受到地面的支持力小于3mg
解析：选CD。对于P、Q组成的系统，由于弹簧对Q要做功，所以系统的机械能不守恒；但对P、Q、弹簧组成的系统，只有重力或弹簧弹力做功，系统的机械能守恒，故A错误；当α＝45°时，根据P、Q沿轻杆方向的分速度相等得vQcos 45°＝vPcos 45°，可得vP＝vQ，但速度方向不同，所以P、Q的速度不同，故B错误；根据系统机械能守恒可得Ep＝2mgL(cos 30°－cos 60°)，弹性势能的最大值为Ep＝(－1)mgL，故C正确；P下降过程中动能达到最大前，P加速下降，对P、Q整体，在竖直方向上根据牛顿第二定律有3mg－N＝2ma，则有N