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    2020-2021学年第四章 机械能及其守恒定律第五节 机械能守恒定律课文配套ppt课件

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    这是一份2020-2021学年第四章 机械能及其守恒定律第五节 机械能守恒定律课文配套ppt课件,文件包含粤教版高中物理必修第二册第4章第5节机械能守恒定律课件ppt、粤教版高中物理必修第二册第4章第5节机械能守恒定律学案doc、粤教版高中物理必修第二册课后素养落实16机械能守恒定律含答案doc等3份课件配套教学资源,其中PPT共59页, 欢迎下载使用。

    第五节 机械能守恒定律

    [核心素养·明目标]

    核心素养

    学习目标

    物理观念

    知道什么是机械能,理解机械能守恒定律的内容及条件,初步领会和认识能量转化、功与能量变化的关系。

    科学思维

    会根据机械能守恒的条件判断机械能是否守恒并能运用机械能守恒定律解决有关问题。

    科学探究

    通过实例探究机械能守恒条件及不同的表达式。

    科学态度与责任

    认识机械能守恒定律对日常生活的影响体会守恒思想对物理学的推动作用。

    知识点一 动能与势能的转化

    1机械能

    动能与势能(包括重力势能和弹性势能)统称机械能。

    2重力势能与动能

    物体下落的过程中重力做正功重力势能转化为动能;物体离开地面至上升到最高点的过程中重力做负功动能转化为重力势能。

    3动能、重力势能、弹性势能的相互转化

    物体与地面接触至下落到最低点的过程中重力做正功弹力做负功动能重力势能转化为弹性势能;物体从最低点上升至离开地面的过程中,重力做负功,弹力做正功,弹性势能转化为动能重力势能

    说明: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。

    1思考辨析(正确的打错误的打“×”)

    (1)物体自由下落时重力做正功物体的动能和重力势能都增加。 (×)

    (2)通过重力做功动能和重力势能可以相互转化。 ()

    (3)通过弹力做功动能和弹性势能可以相互转化。 ()

    知识点二 机械能守恒定律的理论验证

    1机械能守恒定律的内容

    在只有重力或弹力做功的系统内动能和势能发生相互转化而系统的机械能总量保持不变这就是机械能守恒定律。

    2机械能守恒定律的表达式

    Ep1Ek1Ep2Ek2mgh1mvmgh2mv

    3守恒条件

    物体系统内只有重力弹力做功。

    说明:守恒是一个动态概念指在动能和势能相互转化的整个过程中的任何时刻、任何位置机械能的总量总保持不变。

    2思考辨析(正确的打错误的打“×”)

    (1)合力为零物体的机械能一定守恒。 (×)

    (2)合力做功为零物体的机械能一定守恒。 (×)

    (3)只有重力做功物体的机械能一定守恒。 ()

    3:填空

    如图所示质量为m的小球以速度v0离开桌面。若以桌面为零势能面则它经过A点时所具有的机械能为(不计空气阻力)mv

    提示:由机械能守恒定律可知小球在A点的机械能与小球在桌面上的机械能相其大小为mv

    考点1 机械能守恒条件及判断

    如图所示过山车由高处在关闭发动机的情况下飞奔而下。(忽略轨道的阻力和其他阻力)

    过山车下滑时过山车受哪些力作用?各做什么功?动能和势能怎么变化?机械能守恒吗?

    提示过山车下滑时如果忽略阻力作用过山车受重力和轨道支持力作用;重力做正功支持力不做功动能增加重力势能减少机械能保持不变。

    1机械能守恒的几种常见情况

    做功情况

    例证

    只有重力做功

    所有做抛体运动的物体(不计空气阻力)机械能守恒;物体沿固定的光滑平面或曲面运动时机械能守恒

    只有弹力做功

    轻质弹簧拉着物块在光滑水平面上做往复运动物块和弹簧组成的系统机械能守恒

    只有重力和系统内的弹力做功

    如图不计空气阻力球在运动过程中只有重力和弹簧与球间的弹力做功球与弹簧组成的系统机械能守恒。但对球(或者弹簧)来说机械能不守恒 

    如图所有摩擦不计AB上自由下滑的过程中只有重力和AB间弹力做功AB组成的系统机械能守恒。但对B来说AB的弹力做正功这个力对B来说是外力B的机械能不守恒同理A的机械能也不守恒

    有其他力做功但做功代数和为0

    如图忽略绳的质量与摩擦AB运动过程中只有重力和细绳的拉FAFB做功FA做负功FB做正功WAWB0AB系统机械能守恒。但A(B)的机械能不守恒A的机械能减小B的机械能增加

    2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)

    【典例1 如图所示下列说法正确的是(所有情况均不计摩擦、空气阻力以及滑轮质量)(  )

    甲   乙    丙    丁

    A甲图中火箭升空的过程中若匀速升空则机械能守恒若加速升空则机械能不守恒

    B乙图中物块在外力F的作用下匀速上滑物体的机械能守恒

    C丙图中物块A以一定的初速度将弹簧压缩的过程中物块A的机械能守恒

    D丁图中物块A加速下落、物块B加速上升的过程中AB组成的系统机械能守恒

    D [甲图中不论是匀速还是加速由于推力对火箭做功火箭的机械能不守恒增加的A错误;乙图中物块匀速上滑动能不变重力势能增加则机械能必定增加B错误;丙图中在物块A压缩弹簧的过程中弹簧和物块A组成的系统只有重力和弹力做功系统机械能守恒由于弹性势能增加A的机械能减小C错误;丁图中AB组成的系统不计空气阻力只有重力做功AB组成的系统机械能守恒D正确。]

    (1)守恒是一个动态概念指在动能和势能相互转化的整个过程中的任何时刻、任何位置系统的机械能总量保持不变。

    (2)机械能守恒的条件不是合力做的功等于零也不是合力等于零。

    (3)机械能守恒是根据除重力及系统内弹力以外的力(不是合力)的功判断的除重力及系统内弹力以外的力不做功机械能就守恒。

    1(多选)(2020·山东烟台一中检测)下列关于机械能守恒的说法正确的是(  )

    A物体匀速向上运动时所受合力为零其机械能守恒

    B物体做平抛运动时机械能守恒

    C物体在竖直平面内做匀速圆周运动时机械能守恒

    D物体沿光滑斜面下滑时机械能守恒

    BD [物体匀速向上运动动能不变重力势能增加故机械能增加A错;物体做平抛运动时只有重力做功机械能守恒B对;物体在竖直平面内做匀速圆周运动过程中动能不变势能变化故机械能不守恒C错;物体沿光滑斜面下滑时只有重力做功机械能守恒D对。]

    考点2 机械能守恒定律的应用

    如图所示是运动员投掷铅球的动作如果忽略铅球所受空气的阻力。

    (1)铅球在空中运动过程中机械能是否守恒?

    (2)若铅球被抛出时速度大小一定,铅球落地时的速度大小与运动员将铅球抛出的方向有关吗?

    提示(1)由于阻力可以忽略铅球在空中运动过程中只有重力做功机械能守恒。

    (2)根据机械能守恒定律铅球落地时速度的大小与运动员将铅球抛出的方向无关。

    1机械能守恒定律的不同表达式

     

    表达式

    物理意义

    说明

    从不同状态看

    守恒式:Ek1Ep1Ek2Ep2EE

    初状态的机械能等于末状态的机械能

    必须选零势能面

    从转化角度看

    转化式:Ek2Ek1Ep1Ep2ΔEk=-ΔEp

    过程中动能的增加量等于势能的减少量

    不必选

    零势能面

    从转移角度看

    增量式:EA2EA1EB1EB2ΔEA=-ΔEB

    系统只有AB两物体时A增加的机械能等于B减少的机械能

    2应用机械能守恒定律的解题步骤

    (1)选取研究对象(物体或系统)

    (2)明确研究对象的运动过程分析研究对象在运动过程中的受力情况弄清各力的做功情况判断机械能是否守恒。

    (3)选取恰当的参考平面确定研究对象在初、末状态的机械能。

    (4)选取机械能守恒的某种表达式列方程求解。

    角度1:单个物体的机械能守恒

    【典例2 假设运动员从雪道的最高点A(如图所示)由静止开始滑下不借助其他器械沿光滑雪道到达跳台的B点时速度有多大?当他落到离B点竖直高度为10 m的雪地C点时速度又是多大?(设这一过程中运动员没有做其他动作忽略摩擦和空气阻力g10 m/s2)

    [解析] 方法一 由Ek1Ep1Ek2Ep2(必须选择参考平面)滑雪过程中只有重力做功运动员的机械能守恒。取B点所在水平面为参考平面AB的过程中由机械能守恒定律得:mvmgh1

    h15 m1 m4 m

    vB4 m/s8.9 m/s

    B点到C点的过程由机械能守恒定律得

    mv=-mgh2mv

    其中h210 mvC2 m/s

    167 m/s

    方法二 ΔEk=-ΔEp(不需要选择参考平面)

    滑雪过程中只有重力做功运动员的机械能守恒

    AB过程中由机械能守恒定律得:

    mghABmv

    hAB5 m1 m4 m

    vB8.9 m/s

    BC过程中由机械能守恒定律得:

    mghBCmvmv

    hBC10 m

    vC16.7 m/s

    [答案] 8.9 m/s 16.7 m/s

    角度2:多个物体的机械能守恒

    【典例3 如图所示质量分别为3 kg5 kg的物体AB用轻绳连接跨在一个定滑轮两侧,轻绳正好拉直,且A物体底面与地面接触B物体距地面0.8 m求:(g10 m/s2)

    (1)放开B物体B物体着地时A物体的速度大小;

    (2)B物体着地后A物体还能上升多高?

    思路点拨:(1)B下落过程中AB的速率时刻相等。

    (2)B下落过程中AB组成的系统机械能守恒。

    (3)B落地后A的机械能是守恒的。

    [解析] (1)方法一 由E1E2

    对于AB组成的系统B下落时系统机械能守恒以地面为重力势能参考平面mBghmAgh(mAmB)v2

    解得v m/s2 m/s

    方法二 ΔEk=-ΔEp

    对于AB组成的系统(mAmB)v2=-(mAghmBgh)

    解得v2 m/s

    方法三 ΔEA=-ΔEB

    AB组成的系统mAghmAv2=-

    解得v2 m/s

    (2)B落地后A2 m/s的速度竖直上抛A上升的高度由机械能守恒定律可得mAghmAv2

    解得h m0.2 m

    [答案] (1)2 m/s (2)0.2 m

    应用机械能守恒定律解题的几点技巧

    (1)用机械能守恒定律求解多过程问题要根据题目条件灵活选取研究过程注意该过程一定要满足机械能守恒的条件。

    (2)不论分阶段列式还是整个过程列式只需考虑该过程的初、末状态而不需要分析中间过程的复杂变化。

    (3)分析多个物体组成系统的机械能是否守恒时要注意准确处理用绳或杆相连的物体间的速度关系和高度变化的关系。

    (4)灵活选择机械能守恒定律的表达式优先选用ΔEpΔEkΔEAΔEB以使问题简化。

    2(角度1)如图所示半圆形光滑轨道固定在水平地面上半圆的直径与地面垂直一小物块以速度v从轨道下端滑入轨道并从轨道上端水平飞出小物块落地点到轨道下端的距离与轨道半径有关此距离最大时对应的轨道半径为(重力加速度为g)(  )

    A B  

    C    D

    B [根据机械能守恒定律有mv2mvmg·2R根据平抛运动的规律有xv0t2Rgt2联立整理可得x结合数学知识R水平距离最大选项B正确。]

    3(角度2)(2020·黄冈中学模块验收测试)如图所示有一轻质杆可绕O点在竖直平面内自由转动在杆的另一端和中点各固定一个质量均为m的小球AB杆长为L。开始时杆静止在水平位置则无初速度释放后杆转到竖直位置时AB两小球的速度。

    [解析] AB两小球和杆看成一个系统杆对AB两小球的弹力为系统的内力对系统而言只有重力做功系统的机械能守恒。以A球在最低点的位置为零势能位置则初状态:系统的动能为Ek10重力势能为Ep12mgL

    末状态(即到竖直位置)

    系统的动能为Ek2mvmv

    重力势能为Ep2mg

    由机械能守恒定律得2mgLmgLmvmv

    又因为在自由转动过程中AB两球的角速度相同vA2vB

    联立解得vAvB

    [答案]  

    1(2020·天津二十五中月考)一蹦极运动员身系弹性蹦极绳从水面上方的高台下落到最低点时距水面还有数米距离。假定空气阻力可忽略运动员可视为质点下列说法错误的是(  )

    A运动员到达最低点前重力势能始终减小  

    B蹦极绳张紧后的下落过程中弹力做负功弹性势能增加

    C蹦极过程中运动员、地球和蹦极绳所组成的系统机械能守恒

    D蹦极过程中重力势能的改变量与重力势能参考平面的选取有关

    D [运动员到达最低点前重力始终做正功重力势能始终减小A对;蹦极绳张紧后的下落过程中弹力方向与位移方向始终相反弹力做负功弹性势能增加B对;在运动员、地球和蹦极绳所组成的系统中只有重力和弹力做功则系统的机械能守恒C对;重力势能的改变量与重力做功有关取决于初末位置的高度差与重力势能参考平面的选取无关D错。]

    2(2020·甘肃定西一中检测)一款名叫跳一跳的小游戏引起了好多人的兴趣。游戏要求操作者通过控制棋子(质量为m)脱离平台时的速度使其能从一个平台跳到旁边的平台上。如图所示的抛物线为棋子在某次跳跃过程中的运动轨迹不计空气阻力。则(重力加速度为g)(  )

    A棋子从起跳至运动到最高点的过程中机械能增加mgh

    B棋子离开平台时的动能为mgh

    C棋子从离开平台至运动到最高点的过程中重力势能增加mgh

    D棋子落到平台上的速度大小为

    C [棋子起跳后只受重力作用机械能守恒A错;棋子在最高点具有水平方向的速度所以离开平台时的动能大于mgh落到平台上的速度要大于BD错;棋子从离开平台至运动到最高点过程中重力做功为WG=-mgh所以重力势能增加mghC对。]

    3如图所示可视为质点的小球AB用不可伸长的细软轻绳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(  )

    A2R  B  

    C D

    C [AB的质量分别记为2mmA落到地面上时B恰好运动到与圆柱轴心等高处AB整体为研究对象AB组成的系统机械能守故有2mgRmgR(2mm)v2A落到地面上以后B以速度v竖直上抛上升的高度为h解得hR此时绳子未绷直B上升的最大高度为RhR选项C正确。]

    4(新情境题以体育运动为背景考查机械能守恒定律的应用)滑板运动是一种陆地上的冲浪运动滑板运动员可在不同的滑坡上滑行。如图所示,abcde为同一竖直平面内依次平滑连接的滑行轨道其中bcd是一段半径R2.5 m的圆弧轨道O点为圆心c点为圆弧轨道的最低点。运动员脚踩滑板从高H3 m处由静止出发沿轨道自由滑下。运动员连同滑板可视为质点其总质量m60 kg。忽略摩擦阻力和空气阻力g10 m/s2求运动员滑经c点时轨道对滑板的支持力的大小。

    [解析] 运动员从开始滑下至c

    由机械能守恒定律得mgHmv2 

    运动员滑至最低点时由牛顿运动定律和向心力公式得Nmgm  

    ①②Nmg2 040 N

    [答案] 2 040 N

    回归本节知识自我完成以下问题:

    1机械能守恒的条件是什么?

    提示只有重力或弹簧弹力做功。

    2机械能守恒的内容是什么?

    提示在只有重力或弹力做功的物体系统内动能与势能相互转化而总的机械能保持不变。

    3机械能守恒的表达式?

    提示mvmgh1mvmgh2

     

     

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