高中物理人教版 (2019)必修 第二册2 重力势能多媒体教学课件ppt

这是一份高中物理人教版 (2019)必修 第二册2 重力势能多媒体教学课件ppt，共60页。PPT课件主要包含了课前自主学习，Epmgh，Ep1-Ep2，水平面，不同的，弹性形变，劲度系数，形变量，弹性势能，课堂互动探究等内容，欢迎下载使用。

一、重力做的功任务驱动　如图所示,甲、乙两名学生的质量都是m,当他们分别以图示的路径登上高h的阶梯顶端A时,甲、乙的重力做的功哪一个多? 提示:甲、乙的重力做的功一样多。
1.特点:物体运动时,重力对它做的功只跟它的_____和_____的位置有关,而跟物体运动的路径_____。2.大小:等于物重跟起点高度的乘积mgh1与物重跟终点高度的乘积mgh2两者之差,即____________
WG=mgh1-mgh2
二、重力势能1.大小:等于物体所受重力与所处_____的乘积,______。2.标矢性:重力势能是__(A.标量　　B.矢量)。3.单位:_____,与___的单位相同。4.重力做功与重力势能变化的关系:(1)表达式:WG=______=-ΔEp。(2)两种情况:
三、重力势能的两性任务驱动　一个物体的重力势能从-8 J变化到-5 J,重力势能增加了还是减小了?提示:重力势能增加了。
1.相对性:(1)参考平面:物体的重力势能总是相对于某一_______来说的,在参考平面上,物体的重力势能取作__。(2)相对性:选择不同的参考平面,物体重力势能的数值是_______。(3)正负的含义:参考平面上方物体的重力势能是_____,参考平面下方物体的重力势能是_____。2.系统性:重力势能是_____与_____所组成的“系统”共有的。
四、弹性势能1.弹性势能:(1)定义:发生_________的物体的各部分之间,由于有_____的相互作用而具有的势能。(2)当弹簧的长度为_____时,它的弹性势能为0;当弹簧被_____或被_____后,就具有了弹性势能。
2.决定弹性势能大小的相关因素:任务驱动　蹦极是一项比较刺激的娱乐项目,开始橡皮绳呈松弛状态,游客从高处跳下,经过一段时间橡皮绳开始拉伸,一直到最低点橡皮绳达到最长,橡皮绳的弹性势能怎样变化?提示:从橡皮绳开始拉伸到最低点,橡皮绳的弹性势能逐渐增大,到最低点时最大。
(1)猜想依据:弹性势能和重力势能同属势能,重力势能大小与物体的重力和高度有关,弹簧弹力与其_________和_______有关。(2)猜想结论:弹性势能与弹簧的_________和_______有关。在弹簧的形变量l相同时,弹簧的劲度系数k越大,弹簧的弹性势能_____;在弹簧的劲度系数k相同时,弹簧的形变量越大,弹簧的弹性势能_____。
3.弹性势能变化大小的探究:(1)弹力特点:随弹簧_______的变化而变化,还因_____的不同而不同。(2)弹力做功与弹性势能的关系:弹力做正功时,弹性势能_____,_____的弹性势能_____弹力做的功;弹力做负功时,弹性势能_____,_____的弹性势能_____克服弹力做的功。(3)“微元法”求弹力做功:W总=F1Δl1+F2Δl2+…+FnΔln。(4)“F-l”图像面积的意义:表示_________的值。
【主题一】重力做的功　【实验情境】如图甲、乙、丙所示物体分别沿不同的路径由A运动到B。
【问题探究】(1)重力做的功分别是多少?提示:图甲中重力做功为WG=mgh=mgh1-mgh2;图乙中重力做功为WG=mglcsθ=mgh1-mgh2;图丙中重力做功的路径是曲线,可把整个路径分成很多的间隔,则物体通过整个路径时重力做的功WG=mgΔh1+mgΔh2+mgΔh3+…=mg(Δh1+Δh2+Δh3+…)=mgh=mgh1-mgh2;(2)结合上面的讨论,分析重力做功有什么特点。提示:比较上面三种情况,重力做的功相等,可知重力做功的特点:重力做的功与路径无关,只与物体的起点和终点的位置有关。
【结论生成】　重力做功的特点(1)重力所做的功跟物体的运动路径无关,跟物体初位置和末位置的高度差有关。(2)重力是恒力,大小不变,方向总是竖直向下,根据恒力做功的公式可知,重力做功的大小由重力大小和在重力方向上位移的大小即竖直方向的高度差决定,与其他因素无关,所以只要起点和终点的位置确定,不论沿着什么路径由起点到终点,重力做功都相同。
【拓展延伸】(1)利用微元法可以化“曲”为“直”,借助微元思想,可以把不规则的曲面看成由许多小斜面组成。(2)重力做功的特点可推广到任一恒力做功,即恒力做功的特点是:与物体的运动路径无关,只跟初、末位置有关。
【典例示范】(多选)如图所示,一物体从A点沿粗糙面AB与光滑面AC分别滑到同一水平面上的B点与C点,则下列说法中正确的是(　　)A.沿AB面重力做功多B.沿两个面重力做的功相同C.沿AB面减少的重力势能多D.沿两个面减少的重力势能相同
【解析】选B、D。物体重力做功的多少只与它运动的初、末位置的高度差有关,与其他因素无关,所以沿两个面重力做的功相同,A错误,B正确;由于重力势能的变化总等于重力所做的功,故沿两个面减少的重力势能相同,C错误,D正确。
【素养训练】1.运动员跳伞经历加速下降和减速下降两个过程,将人和伞看作一个系统,在这两个过程中,下列说法正确的是(　　)A.加速下降过程重力做正功,减速下降过程重力做负功B.加速下降过程重力做负功,减速下降过程重力做正功C.两个过程重力都做正功D.任意相等时间内重力做的功相等
【解析】选C。无论加速下降还是减速下降,物体运动位移方向和重力方向相同,重力做正功,A、B错误,C正确;由于系统做变速运动,系统在相等时间内下落的高度不同,所以重力做功不同,D错误。
2.某游客领着孩子游泰山时,孩子不小心将手中质量为m的皮球滑落,球从A点滚到了山脚下的B点,高度标记如图所示,则下列说法正确的是(　　)A.从A到B的曲线轨迹长度不知道,无法求出此过程重力做的功B.从A到B过程中阻力大小不知道,无法求出此过程重力做的功C.从A到B重力做功mg(H+h)D.从A到B重力做功mgH
【解析】选D。重力对物体所做的功只与初、末位置的高度差有关,大小为WG=mgH,故选项D正确。
【主题二】重力做功与重力势能的关系【任务1】重力做功与重力势能的关系　【生活情境】三峡大坝横跨2309 m,坝高185 m,其1820万千瓦的装机容量为世界第一,847亿千瓦时的年发电量居世界第二。
【问题探究】　如图所示,质量为m的物体自高度为h2的A处下落至高度为h1的B处,求此过程中重力做的功和重力势能的变化量,并分析它们之间的关系。提示:重力做的功WG=mg(h2-h1)=mgΔh,选地面为零势能参考平面,物体的重力势能由mgh2变为mgh1,重力势能的变化量ΔEp=mgh1-mgh2=—WG,可见,WG=-ΔEp。所以重力做的功等于重力势能的变化量的负值。
【结论生成】1.重力势能的变化与重力做功的关系:(1)重力做正功时,重力势能减少,减少的重力势能等于重力所做的功。(2)重力做负功即克服重力做功时,重力势能增加,增加的重力势能等于克服重力所做的功,即WG=mgΔh=mgh1-mgh2=-ΔEp。
2.重力做功与重力势能的区别与联系:
【任务2】重力势能的相对性　【生活情境】一个质量为2 kg的花盆,从高为50 m的16楼窗台落地。
【问题探究】　(1)分别以地面、16楼窗台为参考平面分析,怎样表示花盆在窗台上、落地时的重力势能及重力势能的变化?提示:1000　0　0　-1000　-1000　-1000
(2)根据表中数据试分析:①相对于不同的参考平面,重力势能是否相同?这说明重力势能具有什么性质?②重力势能的正负有什么含义?③重力势能的变化量是否与参考平面的选择有关?这说明重力势能具有什么性质?提示:①相对于不同的参考平面,重力势能不同。这说明重力势能具有相对性。②重力势能正负的含义:重力势能是标量,只有大小,没有方向。正号表示物体在参考平面的上方,重力势能比零大;负号表示物体在参考平面的下方,重力势能比零小。即重力势能的正负表示大小。③重力势能的变化量与参考平面的选择无关,说明重力势能的变化量具有绝对性。
【结论生成】1.重力势能的相对性:(1)重力势能是一个相对量,它的数值与参考平面的选择有关,实际上是由h这个相对量引起的。参考平面的选择不同,重力势能的值也就不同,一般取地面为参考平面。(2)Ep>0,说明物体在参考平面的上方,物体在该位置处的重力势能大于物体在参考平面处的重力势能。(3)Ep<0,说明物体在参考平面的下方,物体在该位置处的重力势能小于物体在参考平面处的重力势能。
2.重力势能变化量的绝对性:重力势能的变化量是绝对的,物体从一个位置移动到另一个位置的过程中,重力势能的变化量与参考平面的选取无关。
【典例示范】　一棵树上有一个质量为0.3 kg的熟透了的苹果P,该苹果从树上A先落到地面C最后滚入沟底D。已知AC、CD的高度差分别为2.2 m和3 m,以地面C为零势能面,g取10 m/s2,A、B、C、D、E面之间竖直距离如图所示。算出该苹果从A落下到D的过程中重力势能的减少量和在D处的重力势能分别是(　　)A.15.6 J和9 J　　　　B.9 J和-9 JC.15.6 J和-9 JD.15.6 J和-15.6 J
【解析】选C。以地面C为零势能面,根据重力势能的计算公式得D处的重力势能Ep=mgh=0.3×10×(-3) J=-9 J,从A落下到D的过程中重力势能的减少量ΔEp=mgΔh=0.3×10×(2.2+3) J=15.6 J,选项C正确。
【规律方法】 重力势能的三种求解方法　(1)根据重力势能的定义求解:选取零势能参考平面,由Ep=mgh可求质量为m的物体在离零势能参考平面h高度处的重力势能。(2)由重力做功与重力势能变化的关系求解:由WG=Ep1-Ep2知Ep2=Ep1-WG或Ep1=WG+Ep2。(3)由等效法求重力势能:重力势能的变化与运动过程无关,只与初、末状态有关。ΔEp=mgΔh=Ep2-Ep1。
【素养训练】1.质量为m的小球,从离桌面H高处由静止下落,桌面离地面高度为h,如图所示,若以桌面为参考平面,那么小球落地时的重力势能及整个下落过程中重力势能的变化分别是(　　)A.mgh,减少mg(H-h)　　　　B.mgh,增加mg(H+h)C.-mgh,增加mg(H-h)D.-mgh,减少mg(H+h)
【解析】选D。以桌面为参考平面,小球落地时的高度为-h,所以小球落地时的重力势能Ep=-mgh,整个下落过程中重力势能的变化等于重力做的功,所以,ΔEp=-mgΔh=-mg(H+h),所以重力势能减少mg(H+h)。
2.一个100 g的球从1.8 m的高处落到一个水平板上又弹回到1.25 m的高度,则整个过程中(g取10 m/s2)(　　)A.重力做功为1.8 JB.重力做了0.55 J的负功C.球的重力势能一定减少0.55 JD.球的重力势能一定增加1.25 J【解析】选C。整个过程中重力做功WG=mgh=0.1×10×0.55 J=0.55 J,故重力势能减少0.55 J,所以选项C正确。
3.质量相等的均质柔软细绳A、B平放于水平地面,绳A较长。分别捏住两绳中点缓慢提起,直至全部离开地面,两绳中点被提升的高度分别为hA、hB,上述过程中克服重力做功分别为WA、WB。若　(　　)A.hA=hB,则一定有WA=WB　　B.hA>hB,则可能有WAhB,则一定有WA>WB
【解析】选B。克服重力做的功等于重力势能的增加量,两绳都离开地面时,若hA=hB或hAhB,则绳A的重心可能比绳B的高,也可能低,也可能等高,所以克服绳A的重力做的功可能比克服绳B的重力做的功大,也可能小,还可能相等,故选项B对、D错。
【补偿训练】　　(多选)有关重力势能的变化,下列说法中正确的是(　　)A.物体受拉力和重力作用向上运动,拉力做功是1 J,但物体重力势能的增加量有可能不是1 JB.从同一高度将某一物体以相同的速率平抛或斜抛,落到地面上时,物体重力势能的变化是相同的C.从同一高度落下的物体到达地面,考虑空气阻力和不考虑空气阻力的情况下重力势能的减少量是相同的D.物体运动中重力做功是-1 J,但物体重力势能的增加量不是1 J
【解析】选A、B、C。重力做功与经过的路径无关,与是否受其他力无关,只取决于始末位置的高度差,再根据重力做功等于重力势能的减少量可知B、C正确,D错误。对于A选项,当物体加速运动时克服重力做功少于1 J,重力势能增加量少于1 J;物体减速运动时,克服重力做功即重力势能增加量大于1 J;只有物体匀速向上运动时,克服重力做功即重力势能增加量才是1 J,A正确。
【主题三】弹性势能　【实验情境】实验装置如图所示,将一木块靠在弹簧一端,弹簧另一端固定在墙上,压缩后松手,弹簧将木块弹出。
【问题探究】　(1)探究弹簧将木块弹岀的距离大小与弹簧的压缩程度有什么关系,与弹簧的软硬程度有什么关系。(2)试分析木块被弹出的过程中能量是怎样转化的。提示:被压缩的弹簧对木块做功,把自身的弹性势能转化为木块的动能。
【结论生成】1.弹性势能的产生条件:(1)物体发生弹性形变。(2)物体各部分之间有弹力作用。2.弹力做功与弹性势能变化的关系:当弹簧的弹力做正功时,弹簧的弹性势能减小,弹性势能转化成其他形式的能;当弹簧的弹力做负功时,弹簧的弹性势能增大,其他形式的能转化为弹簧的弹性势能。这一点与重力做功跟重力势能变化的关系相似。
3.弹性势能的三点说明:(1)弹性势能是对系统而言的。(2)弹性势能也是相对的,其大小在选定零势能面后才有意义。对弹簧,一般选弹簧自由长度时弹性势能为零。(3)用力拉弹簧或压弹簧,弹簧克服弹力做功,弹性势能增加。
【典例示范】 如图所示,一劲度系数为100 N/m的轻弹簧,位置O为其原长位置,OA=OB,在外力作用下使其压缩至位置A,然后拉伸至位置B,则弹簧由位置A至位置B的过程中,其弹性势能的变化量为(　　)A.0　　　　　B.1 JC.2 JD.3 J【解析】选A。弹簧的弹性势能与弹簧的形变量有关;在A、B两个位置时,弹簧的形变量相同,故弹性势能相同,故弹簧由位置A至位置B的过程中,其弹性势能的变化量为零,故选A。
【规律方法】判断弹性势能大小的方法(1)弹性势能大小与弹力做功有关,弹力做正功,弹性势能减小,弹力做负功,弹性势能增大。(2)弹性势能大小与弹簧形变量大小有关,形变量越大,弹性势能越大。
【素养训练】1.在水平面上竖直放置一轻质弹簧,有一物体在它的正上方自由落下,在物体压缩弹簧到速度减为零时(　　)A.物体的重力势能最大　　　　B.物体的动能最大C.弹簧的弹性势能最大D.弹簧的弹性势能最小【解析】选C。物体压缩弹簧到速度减为零时,物体质量不变,高度最小,重力势能最小,故A、B错误;弹簧的压缩量最大,弹性势能最大,故C正确,D错误。所以C正确,A、B、D错误。
2.(多选)有一劲度系数为k的弹簧,当弹簧从原长伸长Δl时弹力做功为W0。若规定弹簧处于原长时弹性势能为零,则下列叙述正确的是(　　)A.使弹簧从原长伸长Δl时,弹力做正功,弹性势能Ep<0B.使弹簧从原长压缩Δl时,弹力做负功,弹性势能Ep>0C.使弹簧从伸长Δl变化到缩短Δl的过程中,弹力做2W0的正功D.使弹簧从伸长Δl变化到缩短Δl的过程中,弹力做功为零
【解析】选B、D。弹簧从原长不论伸长还是压缩,弹力均做负功,弹性势能增大,即Ep>0,故A错误,B正确;弹簧伸长Δl与压缩Δl时,具有相同弹性势能,由弹力做功与弹性势能变化关系可知弹簧从伸长Δl到压缩Δl的过程中,弹性势能的变化为零,所以弹力做的总功为零,故选项C错误,D正确。
【补偿训练】　　(多选)如图1所示,小物体从竖直弹簧上方离地面高h1处由静止释放,其速度与离地高度h的关系如图2所示。其中高度从h1下降到h2,图像为直线,其余部分为曲线,h3对应图像的最高点,轻弹簧劲度系数为k,轻弹簧的重力不计,小物体质量为m,重力加速度为g,下列说法正确的是(　　)A.小物体下降至高度h2时,弹簧的弹性势能为0B.小物体下降至高度h3时,弹簧的弹性势能最大C.小物体下降至高度h3时,弹簧的弹性势能最小D.小物体下降至高度h5时,弹簧的弹性势能最大
　【解析】选A、D。小物体由高度h1下降到h2时,图线为直线,该过程中小物体做自由落体运动,小物体下降到h2时才开始接触弹簧,所以小物体下降至高度h2时,弹簧的弹性势能为0,A正确;由图知,小物体下降至h3时,速度最大,此时重力和弹力平衡,小物体继续向下运动,弹簧的弹性势能继续增大,所以小物体下降至高度h3时,弹簧的弹性势能不是最大,也不是最小,B、C错误;小物体下降至高度h5时,速度为0,小物体下降至最低点,弹簧的弹性势能最大,D正确。
重力做功：与具体路径无关，只与初末位置有关公式：Ep=mgh重力势能：由于位于高处而具有的能量重力做功与重力势能的关系：W=﹣△Ep特点：标量，相对性。
定义：由于发生弹性形变所具有的能量 特点：系统性，相对性弹力做功与弹性势能的关系：W=﹣△Ep
1.(多选)下列说法正确的有(　　)A.外力对弹簧做正功,弹簧的弹性势能增加B.弹簧的弹力做负功,弹簧的弹性势能增加C.重力做负功,物体的重力势能减少D.重物下落过程中,重力做正功,物体的重力势能增加【解析】选A、B。外力对弹簧做正功,实际上就是弹簧弹力做负功的过程,弹性势能增加,A、B正确;重力做负功,物体的重力势能增加,C错误;重物下落时重力做正功,物体的重力势能减少,D错误。
2.如图,质量为20 kg的小孩沿高5 m的滑梯由静止滑下,g取10 m/s2,在此过程中 (　　)A.重力做功为100 J,重力势能减少了100 JB.重力做功为-100 J,重力势能增加了100 JC.重力做功为1 000 J,重力势能减少了1 000 JD.重力做功为-1 000 J,重力势能增加了1 000 J【解析】选C。质量为20 kg的小孩沿高5 m的滑梯由静止滑下,重力做功为WG=mgh=20×10×5 J=1 000 J;重力做正功,重力势能减少,重力做了1 000 J的正功,则重力势能减少了1 000 J,选项C正确,A、B、D错误。
3.(多选)物体在运动过程中,克服重力做功50 J,则(　　)A.重力做功为50 JB.物体的重力势能一定增加50 JC.物体的重力势能一定减小50 JD.重力做功为-50 J【解析】选B、D。物体在运动过程中,克服重力做功50 J,也就是说重力对物体做负功,表示为-50 J,功的大小是50 J;重力对物体做负功时,物体的重力势能就一定会增加,增加的大小是50 J。选项A、C错误,B、D正确。
4.如图所示,将弹簧拉力器用力拉开的过程中,弹簧的弹力和弹性势能的变化情况是(　　)A.弹力变大,弹性势能变小B.弹力变小,弹性势能变大C.弹力和弹性势能都变小D.弹力和弹性势能都变大【解析】选D。将弹簧拉力器用力拉开的过程中,弹簧的伸长量变大,弹簧的弹力变大,弹性势能变大,故A、B、C错误,D正确。
5.有一质量不计的水桶,用它从10 m深的井下装满10 kg水后,用轻绳匀速提到井口,由于桶底有一小孔,在桶上升的过程中,平均每上升1 m就有1 kg水漏掉。(1)将这桶水从井底提升到井口的过程中,绳子的拉力做多少功?(2)如果用于提水的绳子的质量为m0=2 kg不能忽略,且绳子长度L恰为10 m,则本题答案又如何?(g取10 m/s2)
【解析】(1)由于桶中的水不断漏出,本题属于变力做功。在提水的过程中,水桶中水的质量的变化情况是:Δm=m-kh=10-h其中m为桶中原有水的质量,k为每米漏掉的水,h为桶上升的高度。可知桶中剩下水的质量是线性变化的,故可用求平均值的方法来求平均重力。又匀速提桶,则拉力就等于重力当h=10 m时, =50 N,WF=Fh= h=50×10 J=500 J。