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    第八章 机械能守恒定律 4 机械能守恒定律 学案(学生版+教师版)—2024年春高中物理人教版必修二
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    物理必修 第二册4 机械能守恒定律导学案

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    这是一份物理必修 第二册4 机械能守恒定律导学案,共12页。

    1.了解人们追寻守恒量和建立“能量”概念的漫长过程。
    2.知道什么是机械能,知道物体的动能和势能可以相互转化(重点)。
    3.知道机械能守恒的条件,会判断一个过程机械能是否守恒,能运用机械能守恒定律解决有关问题(重难点)。
    一、对机械能守恒定律的理解和判断
    如图所示,质量为m的物体沿光滑曲面滑下的过程中,下落到高度为h1的A处时速度为v1,下落到高度为h2的B处时速度为v2,重力加速度为g,不计空气阻力,选择地面为参考平面。
    (1)从A至B的过程中,物体受到哪些力?它们做功情况如何?
    (2)求物体在A、B处的机械能EA、EB;
    (3)比较物体在A、B处的机械能的大小。
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    1.机械能
    ____________、____________与________都是机械运动中的能量形式,统称为机械能。
    2.动能与势能的相互转化
    通过____________做功,机械能可以从一种形式转化成另一种形式。
    3.机械能守恒定律
    (1)内容:在只有________或________做功的物体系统内,________与________可以互相转化,而________________保持不变。
    (2)表达式:eq \f(1,2)mv22+mgh2=____________或Ek2+Ep2=____________。
    (3)条件:只有系统内的____________做功,其他力不做功或做功的代数和为零。
    4.对机械能守恒条件的理解
    (1)只有重力做功,只发生动能和重力势能的相互转化。
    (2)只有系统内弹力做功,只发生动能和弹性势能的相互转化。
    (3)只有重力和系统内弹力做功,只发生动能、弹性势能、重力势能的相互转化。
    (4)除受重力和弹力外,其他力也做功,但其他力做功的代数和始终为零。
    5.判断机械能守恒的方法
    (1)做功分析法(常用于单个物体)
    (2)能量分析法(常用于多个物体组成的系统)
    (3)机械能的定义法
    机械能等于动能与势能之和,若一个过程中动能不变,势能变化,则机械能不守恒,如匀速上升的物体机械能增加。
    (1)重力做正功的过程中,重力势能一定减少,动能一定增加。( )
    (2)机械能守恒时,物体一定只受重力和弹力作用。( )
    (3)合力做功为零,物体的机械能一定保持不变。( )
    (4)物体的机械能守恒时,则物体一定做匀速直线运动。( )
    (5)物体的速度增大时,其机械能可能减小。( )
    (6)“某物体机械能守恒”为习惯说法,实际上应为“某物体和地球组成的系统机械能守恒”。( )
    例1 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置于光滑水平面上,物体B沿光滑斜面下滑,物体B机械能守恒
    C.丙图中,不计任何阻力和滑轮质量,A加速下落、B加速上升过程中,A、B系统机械能守恒
    D.丁图中,系在橡皮条一端的小球向下摆动时,小球的机械能守恒
    二、机械能守恒定律的应用
    1.机械能守恒定律的不同表达式
    2.应用机械能守恒定律解题的一般步骤
    (1)根据题意选取研究对象;
    (2)明确研究对象的运动过程,分析研究对象在此过程中的受力情况,弄清各力做功的情况,判断机械能是否守恒。
    (3)恰当地选取参考平面,确定研究对象在此过程中的初状态和末状态的机械能。
    (4)根据机械能守恒定律的不同表达式列方程并求解。
    例2 如图所示,质量m=60 kg的运动员以6 m/s的速度从高h=8 m的滑雪场A点沿斜坡自由滑下,以最低点B所在平面为参考平面,g=10 m/s2,一切阻力可忽略不计。求:
    (1)运动员在A点时的机械能;
    (2)运动员到达最低点B时的速度大小;
    (3)运动员继续沿斜坡向上运动能到达的最大高度。
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    例3 如图所示,水平轻弹簧一端与墙相连处于自由伸长状态,质量为4 kg的木块沿光滑的水平面以5 m/s的速度开始运动并挤压弹簧,求:
    (1)弹簧的最大弹性势能;
    (2)木块被弹回速度增大到3 m/s时弹簧的弹性势能。
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    例4 如图所示,一质量为m的小球固定于轻质弹簧的一端,弹簧的另一端固定于O点,将小球拉至A处,弹簧恰好无形变,由静止释放小球,它运动到O点正下方B点时速度为v,A、B之间的竖直高度差为h,重力加速度为g,则( )
    A.小球的机械能守恒
    B.由A到B小球重力势能减少eq \f(1,2)mv2
    C.由A到B小球克服弹力做功为mgh
    D.小球到达位置B时弹簧的弹性势能为mgh-eq \f(1,2)mv2
    4 机械能守恒定律
    [学习目标]
    1.了解人们追寻守恒量和建立“能量”概念的漫长过程。
    2.知道什么是机械能,知道物体的动能和势能可以相互转化(重点)。
    3.知道机械能守恒的条件,会判断一个过程机械能是否守恒,能运用机械能守恒定律解决有关问题(重难点)。
    一、对机械能守恒定律的理解和判断
    如图所示,质量为m的物体沿光滑曲面滑下的过程中,下落到高度为h1的A处时速度为v1,下落到高度为h2的B处时速度为v2,重力加速度为g,不计空气阻力,选择地面为参考平面。
    (1)从A至B的过程中,物体受到哪些力?它们做功情况如何?
    (2)求物体在A、B处的机械能EA、EB;
    (3)比较物体在A、B处的机械能的大小。
    答案 (1)从A至B的过程中,物体受到重力、支持力作用。重力做正功,支持力不做功。
    (2)EA=mgh1+eq \f(1,2)mv12
    EB=mgh2+eq \f(1,2)mv22
    (3)由动能定理得:WG=eq \f(1,2)mv22-eq \f(1,2)mv12
    又WG=mgh1-mgh2
    联立以上两式可得:eq \f(1,2)mv22+mgh2=eq \f(1,2)mv12+mgh1
    即EB=EA。
    1.机械能
    重力势能、弹性势能与动能都是机械运动中的能量形式,统称为机械能。
    2.动能与势能的相互转化
    通过重力或弹力做功,机械能可以从一种形式转化成另一种形式。
    3.机械能守恒定律
    (1)内容:在只有重力或弹力做功的物体系统内,动能与势能可以互相转化,而总的机械能保持不变。
    (2)表达式:eq \f(1,2)mv22+mgh2=eq \f(1,2)mv12+mgh1或Ek2+Ep2=Ek1+Ep1。
    (3)条件:只有系统内的重力或弹力做功,其他力不做功或做功的代数和为零。
    4.对机械能守恒条件的理解
    (1)只有重力做功,只发生动能和重力势能的相互转化。
    (2)只有系统内弹力做功,只发生动能和弹性势能的相互转化。
    (3)只有重力和系统内弹力做功,只发生动能、弹性势能、重力势能的相互转化。
    (4)除受重力和弹力外,其他力也做功,但其他力做功的代数和始终为零。
    5.判断机械能守恒的方法
    (1)做功分析法(常用于单个物体)
    (2)能量分析法(常用于多个物体组成的系统)
    (3)机械能的定义法
    机械能等于动能与势能之和,若一个过程中动能不变,势能变化,则机械能不守恒,如匀速上升的物体机械能增加。
    (1)重力做正功的过程中,重力势能一定减少,动能一定增加。( × )
    (2)机械能守恒时,物体一定只受重力和弹力作用。( × )
    (3)合力做功为零,物体的机械能一定保持不变。( × )
    (4)物体的机械能守恒时,则物体一定做匀速直线运动。( × )
    (5)物体的速度增大时,其机械能可能减小。( √ )
    (6)“某物体机械能守恒”为习惯说法,实际上应为“某物体和地球组成的系统机械能守恒”。( √ )
    例1 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置于光滑水平面上,物体B沿光滑斜面下滑,物体B机械能守恒
    C.丙图中,不计任何阻力和滑轮质量,A加速下落、B加速上升过程中,A、B系统机械能守恒
    D.丁图中,系在橡皮条一端的小球向下摆动时,小球的机械能守恒
    答案 C
    解析 若不计空气阻力,题图甲中只有重力和弹力做功,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,选项A错误;题图乙中物体B除受重力外,还受弹力,弹力对B做负功,机械能不守恒,但A、B组成的系统机械能守恒,选项B错误;题图丙中绳子张力对A做负功,对B做正功,代数和为零,A、B系统机械能守恒,选项C正确;题图丁中小球的重力势能转化为小球的动能和橡皮条的弹性势能,小球的机械能不守恒,选项D错误。
    二、机械能守恒定律的应用
    1.机械能守恒定律的不同表达式
    2.应用机械能守恒定律解题的一般步骤
    (1)根据题意选取研究对象;
    (2)明确研究对象的运动过程,分析研究对象在此过程中的受力情况,弄清各力做功的情况,判断机械能是否守恒。
    (3)恰当地选取参考平面,确定研究对象在此过程中的初状态和末状态的机械能。
    (4)根据机械能守恒定律的不同表达式列方程并求解。
    例2 如图所示,质量m=60 kg的运动员以6 m/s的速度从高h=8 m的滑雪场A点沿斜坡自由滑下,以最低点B所在平面为参考平面,g=10 m/s2,一切阻力可忽略不计。求:
    (1)运动员在A点时的机械能;
    (2)运动员到达最低点B时的速度大小;
    (3)运动员继续沿斜坡向上运动能到达的最大高度。
    答案 (1)5 880 J (2)14 m/s (3)9.8 m
    解析 (1)运动员在A点时的机械能
    E=Ek+Ep=eq \f(1,2)mv2+mgh=5 880 J;
    (2)运动员从A运动到B的过程,根据机械能守恒定律得E=eq \f(1,2)mvB2
    解得vB=14 m/s;
    (3)运动员从A运动到斜坡上最高点的过程,由机械能守恒定律得E=mghm
    解得hm=9.8 m。
    例3 如图所示,水平轻弹簧一端与墙相连处于自由伸长状态,质量为4 kg的木块沿光滑的水平面以5 m/s的速度开始运动并挤压弹簧,求:
    (1)弹簧的最大弹性势能;
    (2)木块被弹回速度增大到3 m/s时弹簧的弹性势能。
    答案 (1)50 J (2)32 J
    解析 (1)对弹簧和木块组成的系统由机械能守恒定律有E=eq \f(1,2)mv02=eq \f(1,2)×4×52 J=50 J。
    (2)对弹簧和木块组成的系统由机械能守恒定律有eq \f(1,2)mv02=eq \f(1,2)mv12+Ep1
    则Ep1=eq \f(1,2)mv02-eq \f(1,2)mv12=32 J。
    例4 如图所示,一质量为m的小球固定于轻质弹簧的一端,弹簧的另一端固定于O点,将小球拉至A处,弹簧恰好无形变,由静止释放小球,它运动到O点正下方B点时速度为v,A、B之间的竖直高度差为h,重力加速度为g,则( )
    A.小球的机械能守恒
    B.由A到B小球重力势能减少eq \f(1,2)mv2
    C.由A到B小球克服弹力做功为mgh
    D.小球到达位置B时弹簧的弹性势能为mgh-eq \f(1,2)mv2
    答案 D
    解析 由于有弹力做功,小球的部分机械能转化为了弹簧的弹性势能,从而使小球的机械能减小,故A错误;由A到B小球重力势能减少mgh,小球在下降过程中重力势能转化为动能和弹性势能,所以mgh>eq \f(1,2)mv2,故B错误;根据动能定理得mgh+W弹=eq \f(1,2)mv2,所以由A到B小球克服弹力做功为mgh-eq \f(1,2)mv2,故C错误;小球克服弹力做的功即为弹簧的弹性势能的增加量,小球在A处时弹簧无形变,所以小球到达位置B时弹簧的弹性势能为mgh-eq \f(1,2)mv2,故D正确。
    项目
    表达式
    物理意义
    说明
    从守
    恒的
    角度看
    Ek1+Ep1=Ek2+Ep2或E初=E末
    初状态的机械能等于末状态的机械能
    必须先选参考平面
    从转
    化的
    角度看
    Ek2-Ek1=Ep1-Ep2或ΔEk=-ΔEp
    过程中动能的增加量等于势能的减少量
    不必选参考平面
    从转
    移的
    角度看
    EA2-EA1=EB1-EB2或ΔEA=-ΔEB
    系统只有A、B两物体时,A增加的机械能等于B减少的机械能
    项目
    表达式
    物理意义
    说明
    从守
    恒的
    角度看
    Ek1+Ep1=Ek2+Ep2或E初=E末
    初状态的机械能等于末状态的机械能
    必须先选参考平面
    从转
    化的
    角度看
    Ek2-Ek1=Ep1-Ep2或ΔEk=-ΔEp
    过程中动能的增加量等于势能的减少量
    不必选参考平面
    从转
    移的
    角度看
    EA2-EA1=EB1-EB2或ΔEA=-ΔEB
    系统只有A、B两物体时,A增加的机械能等于B减少的机械能
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