专题12 机械能守恒定律的理解与应用、功能关系与能量守恒（原卷版）

专题12 机械能守恒定律的理解与应用、功能关系与能量守恒目录TOC \o "1-3" \h \u  HYPERLINK \l "_Toc13387" 题型一 机械能守恒的判断  PAGEREF _Toc13387 \h 1 HYPERLINK \l "_Toc12069" 题型二 单物体的机械能守恒问题  PAGEREF _Toc12069 \h 3 HYPERLINK \l "_Toc6984" 题型三 连接体的机械能守恒问题  PAGEREF _Toc6984 \h 5 HYPERLINK \l "_Toc29686" 类型1 轻绳连接的物体系统  PAGEREF _Toc29686 \h 6 HYPERLINK \l "_Toc14618" 类型2 轻杆连接的物体系统  PAGEREF _Toc14618 \h 8 HYPERLINK \l "_Toc18651" 类型3 含“弹簧类”系统的机械能守恒  PAGEREF _Toc18651 \h 9 HYPERLINK \l "_Toc22014" 题型四 功能关系的理解和应用  PAGEREF _Toc22014 \h 12 HYPERLINK \l "_Toc11154" 类型1　功能关系的理解  PAGEREF _Toc11154 \h 12 HYPERLINK \l "_Toc23890" 类型2 功能关系与图像的结合  PAGEREF _Toc23890 \h 14 HYPERLINK \l "_Toc29770" 类型3 功能关系的综合应用  PAGEREF _Toc29770 \h 15 HYPERLINK \l "_Toc8106" 题型五 能量守恒定律的理解和应用  PAGEREF _Toc8106 \h 17题型一 机械能守恒的判断【解题指导】机械能是否守恒的三种判断方法(1)利用机械能的定义判断：若物体动能、势能之和不变，则机械能守恒．(2)利用做功判断：若物体或系统只有重力(或弹簧的弹力)做功，虽受其他力，但其他力不做功(或做功代数和为0)，则机械能守恒．(3)利用能量转化判断：若物体或系统与外界没有能量交换，物体或系统也没有机械能与其他形式能的转化，则机械能守恒．【例1】(2022·广东惠州一中月考)(多选)如图所示，将一个内外侧均光滑的半圆形槽置于光滑的水平面上，槽的左侧有一固定的竖直墙壁(不与槽粘连)．现让一小球自左端槽口A点的正上方由静止开始下落，从A点与半圆形槽相切进入槽内，则下列说法正确的是(　　)A．小球在半圆形槽内运动的全过程中，只有重力对它做功B．小球从A点向半圆形槽的最低点运动的过程中，小球的机械能守恒C．小球从A点经最低点向右侧最高点运动的过程中，小球与半圆形槽组成的系统机械能守恒D．小球从下落到从右侧离开半圆形槽的过程中，机械能守恒【例2】如图所示，小球从高处下落到竖直放置的轻弹簧上，弹簧一直保持竖直，空气阻力不计，那么小球从接触弹簧开始到将弹簧压缩到最短的过程中，下列说法中正确的是(　　)A．小球的动能一直减小B．小球的机械能守恒C．克服弹力做功大于重力做功D．最大弹性势能等于小球减少的动能【例3】(2022·湖南永州市模拟)伽利略在研究力和运动的关系的时候，采用两个平滑对接的斜面，一个斜面固定，让小球从斜面上滚下，小球又滚上另一个倾角可以改变的斜面，斜面倾角逐渐减小直至为零，如图1所示。关于这个理想斜面实验，下列说法正确的是(　　)A．如果没有摩擦，小球运动过程中机械能守恒B．如果没有摩擦，小球将在另一斜面上运动相同的路程C．如果没有摩擦，小球运动到另一斜面上最高点的高度与释放时的高度不同D．如果没有摩擦，小球运动到水平面时的机械能小于释放时的机械能【例4】如图所示，P、Q两球质量相等，开始两球静止，将P上方的细绳烧断，在Q落地之前，下列说法正确的是(不计空气阻力)(　　)A．在任一时刻，两球动能相等B．在任一时刻，两球加速度相等C．在任一时刻，两球和弹簧组成的系统动能与重力势能之和保持不变D．在任一时刻，两球和弹簧组成的系统机械能是不变的题型二 单物体的机械能守恒问题【解题指导】1．表达式2．选用技巧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势能面。3．一般步骤【例1】 (2022·山东日照市校际联考)一般的曲线运动可以分成很多小段，每小段都可以看成圆周运动的一部分，即把整条曲线用一系列不同半径的小圆弧来代替，如图3甲所示，曲线上A点的曲率圆定义为：通过A点和曲线上紧邻A点两侧的两点作一个圆，在极限情况下，这个圆叫作A点的曲率圆，其半径叫作A点的曲率半径。现将一物体沿着与水平面成α角的方向以某一速度从地面抛出，如图乙所示，其轨迹最高点P离地面的高度为h，曲率半径为eq \f(h,2)，忽略空气阻力，则tan α的值为(　　)A.eq \f(\r(2),2) B.eq \r(2) C．2 D．4【例2】(多选)(2022·湖南株洲市检测)如图甲所示，轻绳的一端固定在O点，另一端系一小球。小球在竖直平面内做完整的圆周运动的过程中，绳子的拉力F的大小与小球离最低点的高度h的关系如图乙所示。忽略空气阻力，重力加速度g取10 m/s2，则(　　)A．圆周半径为1.0 mB．小球质量为0.5 kgC．轻绳转至水平时拉力为30 ND．小球通过最高点的速度为4 m/s题型三 连接体的机械能守恒问题1．解决多物体系统机械能守恒的注意点(1)要注意判断物体运动过程中系统的机械能是否守恒。(2)注意寻找用绳或杆相连接的物体间的速度关系和位移关系。(3)列机械能守恒方程时，一般选用ΔEk＝－ΔEp或ΔEA＝－ΔEB的形式。2．常见的三种模型(1)轻绳连接的物体系统模型(2)轻杆连接的物体系统模型(3)轻弹簧连接的物体系统模型类型1 轻绳连接的物体系统【例1】(2022·广东新高考模拟)如图所示，物体A、B质量相同，在倾角为30°的光滑斜面上，滑轮及绳子质量均不计，现将系统由静止释放，不计空气阻力，则物体A在下降h距离时的速度大小为(　　)A.eq \r(2gh) B．2eq \r(\f(3gh,5)) C.eq \f(\r(2gh),2) D.eq \r(\f(8gh,5))【例2】如图所示，物体A的质量为M，圆环B的质量为m，由绳子通过定滑轮连接在一起，圆环套在光滑的竖直杆上．开始时连接圆环的绳子水平，长度l＝4 m．现从静止释放圆环，不计定滑轮和空气的阻力，g取10 m/s2.若圆环下降h＝3 m时的速度v＝5 m/s，则A和B的质量关系为(　　)A.eq \f(M,m)＝eq \f(35,29) B.eq \f(M,m)＝eq \f(7,9)C.eq \f(M,m)＝eq \f(39,25) D.eq \f(M,m)＝eq \f(15,19)【例3】(多选)如图所示，质量均为m的物块A和B用不可伸长的轻绳连接，A放在倾角为θ的固定光滑斜面上，而B能沿光滑竖直杆上下滑动，杆和滑轮中心间的距离为L，物块B从与滑轮等高处由静止开始下落，斜面与杆足够长，重力加速度为g.在物块B下落到轻绳与水平方向的夹角为θ的过程中，下列说法正确的是(　　)A．开始下落时，物块B的加速度大于gB．物块B的重力势能减小量为mgLtan θC．物块A的速度小于物块B的速度D．物块B的末速度为eq \r(\f(2gLcos θ,1＋sin2 θ))类型2 轻杆连接的物体系统【例1】如图所示，固定在竖直面内的光滑圆环半径为R，圆环上套有质量分别为m和2m的小球A、B(均可看作质点)，小球A、B用一长为2R的轻质细杆相连。已知重力加速度为g，小球B受微小扰动从最高点由静止开始沿圆环下滑至最低点的过程中，不计空气阻力，下列说法正确的是(　　)A．A球增加的机械能大于B球减少的机械能B．A球增加的重力势能等于B球减少的重力势能C．A球的最大速度为eq \r(\f(2gR,3))D．细杆对A球做的功为eq \f(8,3)mgR【例2】(多选)如图所示，用轻杆通过铰链相连的小球A、B、C处于竖直平面内，质量均为m，两段轻杆等长．现将C球置于距地面高h处，由静止释放，假设三个小球只在同一竖直面内运动，不计一切摩擦，重力加速度为g，则在小球C下落过程中(　　)A．小球A、B、C组成的系统机械能守恒B．小球C的机械能一直减小C．小球C落地前瞬间的速度大小为eq \r(2gh)D．当小球C的机械能最小时，地面对小球B的支持力大于mg【例3】(2022·福建南平市质检)质量分别为m和2m的两个小球P和Q，中间用轻质杆固定连接，杆长为L，在离P球eq \f(1,3)处有一个光滑固定转轴O，如图所示．现在把杆置于水平位置后自由释放，Q球顺时针摆动到最低位置，则(重力加速度为g)(　　)A．小球P在最高位置的速度大小为eq \f(\r(gl),3)B．小球Q在最低位置的速度大小为eq \r(\f(2gl,3))C．小球P在此过程中机械能增加量为eq \f(4,9)mgLD．小球Q在此过程中机械能减少eq \f(2,3)mgl类型3 含“弹簧类”系统的机械能守恒1．通过其他能量求弹性势能根据机械能守恒，列出方程，代入其他能量的数值求解．2．对同一弹簧，弹性势能的大小由弹簧的形变量决定，弹簧伸长量和压缩量相等时，弹簧弹性势能相等．3．物体运动的位移与弹簧的形变量或形变量的变化量有关．【例1】(2022·重庆市高考模拟)如图所示，小滑块P、Q的质量分别为3m、m，P、Q间通过轻质铰链用长为L的刚性轻杆连接，Q套在固定的水平横杆上，P和竖直放置的轻弹簧上端相连，轻弹簧下端固定在水平横杆上。当杆与竖直方向的夹角α＝30°时，弹簧处于原长，此时，将P由静止释放，下降到最低点时α＝60°。整个运动过程中，P、Q始终在同一竖直平面内，滑块P始终没有离开竖直墙壁，弹簧始终在弹性限度内，忽略一切摩擦，重力加速度为g。则在P下降过程中(　　)A．P、Q组成的系统机械能守恒B．轻杆始终对Q做正功C．弹簧弹性势能最大值为2(eq \r(3)－1)mgLD．P和弹簧组成的系统机械能最小时，Q受到水平横杆的支持力大小等于mg【例2】(多选)如图所示，A、B两物块由绕过轻质定滑轮的细线相连，A放在固定的光滑斜面上，B和物块C在竖直方向上通过劲度系数为k的轻质弹簧相连，C放在水平地面上．现用手控制住A，并使细线刚刚拉直但无拉力作用，并保证滑轮左侧细线竖直、右侧细线与斜面平行．已知A的质量为5m，B、C的质量均为m，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A后，A沿斜面下滑至速度最大时C恰好离开地面．下列说法正确的是(　　)A．C刚离开地面时，B的加速度为零B．从释放A到C刚离开地面的过程中，A、B组成的系统机械能先增加后减小C．弹簧恢复原长瞬间，细线中的拉力大小为eq \f(4mg,3)D．A的最大速度为geq \r(\f(2m,3k))【例3】如图所示，轻质弹簧一端固定在O处，另一端与质量为m的物块相连，物块套在光滑竖直固定杆上．开始时物块处于A处且弹簧处于原长．现将物块从A处由静止释放，物块经过B处时弹簧与杆垂直，经过C处时弹簧再次处于原长，到达D处时速度为零．已知OB之间的距离为L，∠AOB＝30°，∠BOD＝60°.弹簧始终在弹性限度之内，重力加速度为g.在物块下滑的整个过程中，下列说法正确的是(　　)A．物块在由A处下滑至C处的过程中机械能守恒B．物块在B处的速度为eq \r(\f(2\r(3),3)gL)C．物块在B处时弹簧的弹性势能最大D．物块在D处时弹簧的弹性势能为eq \f(4\r(3),3)mgL题型四 功能关系的理解和应用做功的过程就是能量转化的过程．功是能量转化的量度.功与能量的变化是“一一对应”的，如重力做功对应重力势能的变化，合外力做功对应动能的变化等.分析机械能的变化，既可以用定义法也可以根据除重力(弹簧弹力)以外的其他力做功来分析．类型1　功能关系的理解常见的功能关系【例1】(多选) (2022·广东省选择考模拟)蹦床是少年儿童喜欢的一种体育运动，如图所示，蹦床的中心由弹性网组成，若少年儿童从最高点落下至最低点的过程中，空气阻力大小恒定，则少年儿童(　　)A．机械能一直减小B．刚接触网面时，动能最大C．重力势能的减少量大于克服空气阻力做的功D．重力势能的减少量等于弹性势能的增加量【例2】 (多选)(2022·东北三省四市教研联合体模拟)第22届哈尔滨冰雪大世界开门迎客了，近400 m长的极速大滑梯是大人、孩子最喜欢的王牌娱乐项目。一名游客坐在雪橇上下滑了一段路程，重力对他做功3 000 J，他克服阻力做功500 J，则在此过程中这名游客(　　)A．重力势能增加了3 000 JB．动能增加了3 000 JC．动能增加了2 500 JD．机械能减少了500 J【例3】自动扶梯是商场里的高耗能设备之一，为了节约用电、减少机械磨损、延长使用寿命，某商场的自动扶梯设有“无人停梯”模式，即没有乘客时扶梯停止运行，进入待机状态．当有乘客登上扶梯时，扶梯由静止开始加速启动，达到设定速度后匀速运行．如图所示，一位顾客在一楼登上处于“无人停梯”模式的扶梯后就在扶梯上站立不动，随着扶梯到达二楼．关于此运动过程，下列说法正确的是(　　)A．顾客始终受到重力、支持力和摩擦力B．扶梯只在加速启动过程中对顾客做功C．扶梯对顾客做的功等于顾客动能的增加量D．扶梯对顾客做的功等于顾客机械能的增加量类型2 功能关系与图像的结合【例1】(多选)(2020·全国卷Ⅰ·20)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0.5C．物块下滑时加速度的大小为6.0 m/s2D．当物块下滑2.0 m时机械能损失了12 J【例2】(多选)(2019·全国卷Ⅱ·18)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 kgB．h＝0时，物体的速率为20 m/sC．h＝2 m时，物体的动能Ek＝40 JD．从地面至h＝4 m，物体的动能减少100 J【例1】一质量为m＝2 kg的物块在长l＝9 m的斜面顶端从静止开始沿斜面下滑，经过t＝3 s到达斜面底端，以水平地面为零势能面，其重力势能随下滑距离s的变化如图5所示，斜面始终静止在水平地面上，重力加速度g取10 m/s2。则(　　)A．物块下滑过程中机械能守恒B．物块与斜面间的动摩擦因数为0.3C．物块下滑时加速度的大小为4 m/s2D．物块下滑过程中机械能一共损失了72 J类型3 功能关系的综合应用【例1】(多选)(2020·山东卷)如图所示，质量为M的物块A放置在光滑水平桌面上，右侧连接一固定于墙面的水平轻绳，左侧通过一倾斜轻绳跨过光滑定滑轮与一竖直轻弹簧相连。现将质量为m的钩码B挂于弹簧下端，当弹簧处于原长时，将B由静止释放，当B下降到最低点时(未着地)，A对水平桌面的压力刚好为零。轻绳不可伸长，弹簧始终在弹性限度内，物块A始终处于静止状态。以下判断正确的是(　　)A．M