物理机械能守恒定律笔记 物理机械能守恒定律其应用
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http:// 高一物理机械能和机械能守恒定律通用版 【本讲主要内容】
机械能和机械能守恒定律
动能、重力势能、弹性势能和机械能守恒定律的应用
【知识掌握】 【知识点精析】 1.重力做功的特点:
重力做功与移动路径无关,只跟物体的起点位置和终点位置有关。wg=mgh。2.重力势能:
(1)重力势能的概念:受重力作用的物体具有与它的高度有关的能称为重力势能。表达式为e有的能量。
②数值ep=mgh与参考面的选择有关,式中的h是物体重心到参考面的高度。
③势能的正、负号用来表示大小。
(2)重力做功与重力势能的关系:
重力做正功,重力势能减少;克服重力做功,重力势能增大。即:wg=-△ep
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pmgh。
注意:①重力势能是物体与地球所组成的系统所共
http:// 3.弹性势能的概念:
物体由于弹性形变而具有的与它的形变量有关的势能称为弹性势能。4.机械能守恒定律:
(1)机械能(e)的概念:动能、弹性势能和重力势能统称机械能。即e=ek+ep。
(2)机械能守恒定律内容:
在只有系统内重力和弹力做功的情形下,物体动能和势能发生相互转化,但机械能总量保持不变。
(3)机械能守恒条件的表达式:
mgh2+1/2mv2= mgh
21mv122,即ep2+ek2= ep1+ek1,表示末状态的机械能等于初状态的机械能。
(4)系统机械能守恒的三种表示方式: ①e1总=e2总(意义:前后状态系统总的机械能守恒)
②△ep减=△ek增(系统减少的重力势能等于系统增加的动能)
③△ea减=△eb增(a物体减少的机械能等于b物体增加的机械能)
注意:解题时究竟选择哪一种表达形式,应灵活选取,需注意的是:选①时,必须规定零势能面,其
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http:// 他两式,没必要选取,但必须分清能量的减少量和增加量
5.判断机械能是否守恒的方法:(1)用做功来判断:
只有重力和系统内的弹力做功,其他力不做功(或合力做功为0),机械能总量保持不变。(2)用能量转换来判断:
只是系统内动能和势能相互转化,无其他形式能量之间(如热能)转化。
(3)对一些绳子突然绷紧,物体间非弹性碰撞等问题,机械能一般都不守恒。6.机械能守恒条件的理解:
① ②从系统的内、外力做功的角度看,只有重力和弹簧弹力做功,具体表现为三种情况:
<1>只受重力和弹簧弹力,如:所有做抛体运动的物体(不计空气阻力)
<2>还受其他力,但其他力不做功。如:物体沿光滑的曲面下滑,尽管受到支持力,但支持力不做功。<3>其他力做功,但做功的代数和为零。如图所示,a、b构成的系统,忽略绳的质量和滑轮间摩擦,在a向下、b向上运动过程中,ta和tb都做功,但wtawtb0,不存在机械能与其他形式能量的转化,则a、b系统机
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http:// 械能守恒。
【解题方法指导】
例1.在高度h=0.8 m的水平光滑桌面上,有一轻弹簧左端固定,质量为m=1kg的小球在外力作用下使弹簧处于压缩状态,当弹簧具有4.5j的弹性势能时,由静止释放小球,将小球水平弹出,如图所示,不计空气阻力,求小球落地时速度大小?
分析:由小球的运动过程可知,在弹簧弹开小球的过程中,小球做的是变加速运动,牛顿定律无法解决,但从释放小球到它落地,由于只有重力和弹簧弹力做功,以弹簧和小球(含地球)为研究对象,满足机械能守恒条件,分析清楚过程中初、末状态的机械
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http:// 能情况,便可以很方便的解决。
解答:从释放小球到它落地,由于只有重力和弹簧弹力做功,以弹簧和小球(含地球)为研究对象,机械能守恒,以地面为重力势能参考平面,系统初态机械能e1=ek1+ep1+ep弹=0+mgh+ep弹=12.5j。落地时,即末态机械能 e2=ek2+ep2=1mv22012mv2
因为e1=e2
所以:1mvmgh +ep弹=12.5j 22解得小球落地速度大小 v=5m/s 说明:1.应用机械能守恒定律解题的基本步骤:(1)根据题意选取研究对象是由哪几个物体组成的系统(一般是物体、弹簧和地球);
(2)明确研究对象的运动过程,分析物体所受各力的做功情况或能量转化情况、判断是否符合机械能守恒条件;
(3)恰当地选取参考平面,确定研究对象在过程的起始状态和末了状态的机械能;
(4)用机械能守恒定律建立方程,求解未知量,必要时要进行验证和讨论。
2.注意:机械能守恒的含义并不只是初、末状态机械能相等,如本题中,小球从释放到落地前的整个过程中,机械能始终保持不变;但在系统内部进行着
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http:// 动能和势能的相互转化。“不变”与“变”的统一构成了“守恒”,即守恒是一个动态的过程。分析一下过程中,动能、势能如何变化?
3.本题也可以分步运算,先求出小球刚离开弹簧时的动能,再根据机械能守恒定律或动能定理或平抛的知识求落地速度,请同学们自己解一下。尤其体会一下第二步用动能定理和用机械能守恒定律解题的区别:
(1)研究对象:动能定理研究的一般是一个单个质点,机械能守恒定律研究的是一个系统。
(2)方程的含义:动能定理解决的是动能的变化和外力做功的关系,不存在势能的问题;机械能守恒是过程中任两个状态的机械能相等,不存在功的问题(判断守恒条件时要分析做功情况,但等式中不存在功)。
(3)用机械能守恒定律解题通常需设零势能面(用δek=δep解题除外),用动能定理不存在这个问题。同时动能定理的使用不需特殊条件,机械能守恒是有条件的。
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http:// 例2.如图所示,轻杆ab长2l,a端连在固定轴上,b端固定一个质量为2m的小球,中点c固定一个质量为m的小球。ab杆可以绕a端在竖直平面内自由转动,现将杆置于水平位置,然后由静止释放,不计各处摩擦与空气阻力,试求:
(1)ab杆转到竖直位置时,角速度ω多大?(2)ab杆转到竖直位置的过程中时,b端小球的机械能增量多大?
分析:若分别以两个小球为研究对象,因为它们之间的连杆对它们做了功,所以它们各自的机械能均不守恒。而若以ab杆整体为研究对象,释放后除重力外,其他力不做功,所以系统机械能守恒。注意到运动中c、b处的小球绕a点运动的角速度相同,由机械能守恒定律可以很方便的解决。
考虑一个小球的机械能变化问题,只要以这个小球为研究对象,用初、末状态的机械能做差即可。
解答:(1)运动中c、b处的小球绕a点运动的角
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http:// 速度相同,且有:
vc=ωl vb=2ωl
以ab杆为研究对象,由释放到ab杆转到竖直位置的过程中,根据机械能守恒,以竖直位置轨迹最低点为零势面,有:
2mgl2mg(2l)mgl12m(l)2122m(2l)2
解得 10g9l
即转到ab杆竖直位置时,ab杆运动的角速度10g9l
(2)此过程中b端小球机械能增量为:
14eee(2m)(2l)2mg(2l)mgl
292bb末b初说明:1.系统机械能守恒的表示方式主要有以下三种
(1)系统初态的总机械能 e1等于末态的总机械能e2,即 e1= e2;
(2)系统减少的总势能δep减等于系统增加的总动能δek增,即δep减=δek增;
(3)若系统只有a、b两物体,则a减少的机械能δea减等于b物体增加的机械能δeb增,即δea减=δeb
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2.注意体会本题中“不计摩擦及阻力”、“轻杆”的含义。
【考点突破】 【考点指要】
近几年的高考试题对机械能守恒定理的考查,多集中在综合题中,它成为综合题不可分割的一部分。考查通常分为三个层次:
层次一:考查机械能守恒定律的条件,可和其他定律守恒的条件结合
层次二:简单考察单个物体和地球的机械能守恒,体现和综合题结合
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下图是简化后的跳台滑雪的雪道示意图。整个雪道由倾斜的助滑雪道ab和着陆雪道de,以及水平的起跳平台cd组成,ab与cd圆滑连接。运动员从助滑雪道ab上由静止开始,在重力作用下,滑到d点水平飞出,不计飞行中的空气阻力,经2s在水平方向飞行了60m,落在着陆雪道de上,已知从b点到d点运动员的速度大小不变。(g取10m/s)求
(1)运动员在ab段下滑到b点的速度大小;(2)若不计阻力,运动员在ab段下滑过程中下降的高度。
解答:(1)运动员从d点飞出时的速度
v=st30m/s
x30m/s
依题意,下滑到助滑雪道末端b点的速度大小是(2)在下滑过程中机械守恒,有
mgh12mv2
下降的高度h2g45m
v2亿库教育网
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http://(3)根据能量关系,有
mghwf12mv2
运动员克服阻力做功
wfmgh12mv23000j
层次三:机械能与其他知识的综合 机械能守恒和自由落体结合。
机械能守恒和直线运动结合(光滑斜面)。机械能守恒和圆周运动结合(见典型例题分析)。机械能守恒和平抛运动的结合。层次四:系统的机械能(见例题2)
【典型例题分析】
例3.如图所示,一对杂技演员(都视为质点)乘秋千(秋千绳处于水平位置)从a点由静止出发绕o点下摆,当摆到最低点b时,女演员在极短时间内将男演员沿水平方向推出,然后自己刚好能回到高处a。
求男演员落地点c与o点的水平距离s。已知男
m演员质量m1和女演员质量m2之比m122,秋千的质量不计,秋千的摆长为r,c点比o点低5r。
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分析和解答:设分离前男女演员在秋千最低点b的速度为v0,由机械能守恒定律,(m1m2)gr12(m1m2)v02
设刚分离时男演员速度的大小为v1,方向与v0相同;女演员速度的大小为v2,方向与v0相反,由动量守恒,(m1m2)v0m1v1m2v2分离后,男演员做平抛运动,设男演员从被推出到落在c点所需的时间为t,根据题给条件,由运动学规律,4r1gt,22xv1t,根据题给条件,女演员刚好回到a点,由机械
gr212m2v22能守恒定律,m得x=8r。,已知m1=2m2,由以上各式可评述:该题把机械能守恒、圆周运动、平抛运动、动量守恒和简单的运动学规律结合起来。
例4.如图所示,一固定在竖直平面内的光滑的半圆形轨道abc,其半径r=5.0m,轨道在c处与水平地面相切。在c处放一小物块,给它一水平向左的初速度v0=5m/s,结果它沿cba运动,通过a点,最后
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http:// 落在水平面上的d点,求c、d间的距离s。取重力加速度g=10m/s。
2分析和解答:设小物体的质量为m,经a处时的速度为v,由a到d经历的时间为t,有
12mv012gt2122mv22mgr,①
2r, ②
svt。
③
由①②③式并代入数据得
s1m ④
评述:该题把机械能守恒、圆周运动、平抛运动,和简单的运动学规律结合起来。
可见机械能守恒定律和圆周运动结合成为近几年高考的热点;而且常和实际结合紧密。
【达标测试】
1.关于机械能守恒定律适用条件的下列说法中正
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http:// 确的是()
a.只有重力和弹性力作用时,机械能守恒 b.当有其他外力作用时,只要合外力为零,机械能守恒
c.当有其他外力作用时,只要合外力的功为零,机械能守恒
d.炮弹在空中飞行不计阻力时,仅受重力作用,所以爆炸前后机械能守恒
2.质量相同的两小球,分别用长l和2l的细绳挂在天花板上(如图),分别拉起小球使绳伸直呈水平状态,然后轻轻释放。当小球到达最低位置时()
a.两球运动的线速度相等
b.两球运动的角速度相等
c.两球的向心加速度相等
d.细绳对两球的拉力相等
3.如图所示,物体b的质量是物体a的1,在不2计摩擦阻力的情况下,a物自高h处由静止开始下落,且b始终在同一水平面上,若以地面为零势能面,当
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http:// a的动能与势能相等时,a距地面的高度是()
4.两质量相等的小球a和b,a球挂在一根长为l的细绳oa上,b球挂在橡皮绳ob上,将两球都拉到如图所示的水平位置上,两绳均拉直(此时橡皮绳为原长),然后无初速释放,当两球通过最低点c时,橡皮绳长与细绳长相等,小球a和b此时的速度分别为,那么()
5.一根全长为l,粗细均匀的铁链,对称地挂在轻小光滑定滑轮上,如图所示,当受到轻微的扰动,铁链开始滑动,当铁链脱离滑轮的瞬间铁链速度大小为_______。
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是竖直平面内的四分之一圆弧轨道,在下端b与水平直轨道相切,如图所示。一小球自a点起由静止开始沿轨道下滑。已知圆轨道半径为r,小球的质量为m,不计各处摩擦。求
(1)小球运动到b点时的动能;
(2)小球下滑到距水平轨道的高度为1r时速度
2的大小和方向;
(3)小球经过圆弧轨道的b点和水平轨道的c点时,所受轨道支持力nb、nc各是多大?
7.如图,光滑圆管形轨道ab部分平直,bc部分是处于竖直平面内半径为r的半圆,圆管截面半径r< http:// http:// (1)若要小球能从c端出来,初速度v0多大?(2)在小球从c端出来的瞬间,对管壁的压力有哪几种典型情况,初速v0各应满足什么条件? 【综合测试】 1.下列说法是否正确?说明理由: a.物体做匀速运动,它的机械能一定守恒 b.物体所受合力的功为零,它的机械能一定守恒 c.物体所受的合力不等于零,它的机械能可能守恒 d.物体所受的合力等于零,它的机械能一定守恒 2.如图所示,长度相同的三根轻杆构成一个正三角形支架,在a处固定质量为2m的小球,b处固定质量为m的小球。支架悬挂在o点,可绕过o点并与支架所在平面相垂直的固定轴转动。开始时ob与地面相垂直,放手后开始运动。在不计任何阻力的情况下,下列说法正确的是() http:// http:// a.a球到达最低点时速度为零 b.a球机械能减少量等于b球机械能增加量 c.b球向左摆动所能达到的最高位置应高于a球开始运动时的高度 d.当支架从左向右回摆时,a球一定能回到起始高度 3.一根均匀铁链全长为l,其中58l平放在光滑水平桌面上,其余38l悬垂于桌边,如图所示,如果由图示位置无初速度释放铁链,则当铁链刚呈竖直状态时速度多大? 4、如图所示,半径r=0.4m的光滑半圆环轨道处于竖直平面内,半圆环与粗糙的水平地面相切于圆环的端点a。一质量m=0.1kg的小球,以初速度v0=0.7m/s在水平地面上向左做加速度a=0.3m/s2的匀减速直线运动,运动4.0m后,冲上竖直半圆环,最后小球落在亿库教育网 http:// http:// c点。求a、c之间的距离(取重力加速度g=10m/s2) 5.物体的质量为m,沿光滑的弯曲轨道滑下,轨道的形状如图所示,与弯曲轨道相接的圆轨道的半径为r,要使物体沿光滑圆轨道恰能通过最高点,物体应从离轨道最低处多高的地方由静止开始滑下? http:// http:// 【达标测试答案】 1.分析和答案: 机械能守恒定律的条件是“只有重力和弹力做功”,不是“只有重力和弹性力作用”,做功和作用是两个不同概念,有力作用不一定做功,a错。物体受其他外力作用且合外力为零时,机械能可以不守恒,如图中加上一对等值反向的外力时,合外力为零,但由于外力对物体做功,机械能增加,b错,c对。炮弹爆炸时由于有化学能与机械能的转换,机械能不守恒,d错。 2.分析和答案: 由于机械能守恒使两球摆至最低点的速度(即线速度) 因而角速度、向心加速度、绳的拉力分别为 可见,线速度乙与角速度ω与绳长l有关,两小绳 http:// http:// 在最低点时它们分别不相等。答案:c、d 3.分析和答案:b 提示:物体a、b组成的系统机械能守恒。 4.分析和答案:a 提示:b球的机械能有一部分转化为弹性绳的弹性势能。5.分析和答案: gl2。 提示:将链条分作两段对称挂在定滑轮上,分别考虑两段铁链的重心从开始运动到脱离滑轮时的变化,对两段铁链,由机械能守恒:1mgl1mv。 22226.分析和答案:(1)根据机械能守恒 e(2)根据机械能守恒emv 122kmgr kep12mgr gr 小球速度大小v成30° 速度方向沿圆弧的切线向下,与竖直方向(3)根据牛顿运动定律及机械能守恒,在b点 nncmgbmgmvbr2,mgr12mvb2n 解得: b3mg 在c点: 7.分析和答案: http:// http://(1)小球刚好到达管顶的条件是v=0,由机械能守 c恒,(2)小球从c端出来的瞬间,可以有三种典型情况: ①刚好对管壁无压力,此时需满足条件 ②对下管壁有压力,相应的入射速度为 ③对上管壁有压力,相应的入射速度为 【综合测试答案】 1.提示和解答:a不正确。物体做匀速运动时动能不变,但势能未必不变,如物体匀速上升时。所以机械能不一定守恒。 b不正确。合力所做的功为零,表明可能有重力之外的力做功,所以机械能不一定守恒,或由动能定理知,合力的功为零,即动能不变,重力势能未必不 http:// http:// 变。如物体匀速下降。 c正确。合力不等于0,并不排除只有重力做功,如物体做自由落体运动,所以机械能可能守恒。d不正确。合力为0,合力的功必为0,所以机械能不一定守恒,如b项。 2.提示和解答:因a处小球质量大,a处的位置高,图示中三角形框架处于不稳定状态,释放后支架就会向左摆动。摆动过程中只有小球受的重力做功,故系统bd正的确机。械 若l,a设球能 支到守 架达恒,12选 l)的为点重时项 力,势系能统边最有mg长·低(转化为动能,因而此时a球的速度不为零,选项a错。当a球到达最低点时有向左运动的速度,还要继续向左摆,b球仍要继续上升,因此b能达到的最高位置比a球的最高位置要高,选项c正确。 答案:bcd 3.提示和解答:以地球和铁链为系统,铁链仅受两个力:重力g和光滑水平桌面的支持力n,在铁链运动过程中,n与运动速度v垂直,n不做功,只有重力g做功,因此系统机械能守恒。 铁链释放前只有重力势能,但由于平放在桌面上与悬吊着两部分位置不同,计算重力势能时要分段计算。选铁链挂直时的下端点为重力势能的零势能参考 http:// http://平面,应用机械能守恒定律即可求解。 初始状态:平放在桌面上的部分铁链具有的重力势能: e ep158mgl 1238386.58 悬吊在桌边部分的重力势能为: 'p138mg(ll)mgl 末状:当整条铁链挂直(即最后一环刚离桌边)时 既有动能ek212mv,又有重力势能ep2mg2l2 根据机械能守恒有e1=e2 所以ee'ee p1p1k1p2536.5l1mglmglmgmv 故888222519.511glglglv 故864222 所以v5564gl55gl8 2t4、提示和解答:匀减速直线运动过程中:v(1) v02as2 恰好做圆周运动时物体在最高点b满足:mgmvvb1r2vb12m/s(2) 假设物体能到达圆环的最高点b,由机械能守恒:11mv2mgrmv(3)222a2b联立(1)(3)得:vb3m/s http:// http:// vbvb1,所以小球能通过最高点b。 2小球从b点做平抛运动,有:2r1gt(4) 2sacvbt(5) ac由(4)、(5)得:s1.2m 5.提示和解答:物体在沿光滑轨道滑动的整个过程中,只有重力做功,故机械能守恒。设物体应从离最低点高为h的地方开始滑下,轨道的最低点处的水平面为零势能参考面,物体在运动到圆轨道最高点时的速度为v,则开始运动时,物体的机械能为mgh,运动到圆轨道的最高点时机械能为mg2r+mv2/2。 由机械能守恒定律得: mgh2mgrmv mgmv2/2 要物体刚好沿轨道通过最高点,应有: 2/r,v22gr h2rv /2g2rgr/2g5r/2亿库教育网 http:// §7.8机械能守恒定律 一、预习指导: 1、知道机械能的各种形式,能够分析动能与势能(包括弹性势能)之间的相互转化问题 2、能够根据动能定理和重力做功与重力势能变化间的关系,推导出机械能守恒定律 3、会根据机械能守恒的条件判断机械能是否守恒,能运用机械能守恒定律解决有关问题 4、能从能量转化的角度理解机械能守恒条件,领会运用机械能守恒定律解决问题的优越性 5、阅读课本p69—p71 二、问题思考: 1、我们说功是能量转化的量度,这句话的物理意义是什么? 2、机械能守恒定律的研究对象是什么? 3、物体系机械能守恒的条件是什么? 三、新课教学: 【例l】关于机械能守恒定律的适用条件,下列说法中正确的是 ()a.只有重力和弹力作用时,机械能守恒 b.内力只有重力和弹力作用,同时还有其他外力作用,但只要合外力为零.机械能守恒 c.内力只有重力和弹力作用,同时还有其他外力作用,但只要其他外力的功为零,机械能守恒 d.炮弹在空中飞行不计阻力时,仅受重力作用,所以爆炸前后机械能守恒 【例2】如图所示.用轻绳跨过定滑轮悬挂质量为m1、m2的两个物体,已知m1>m2.若滑轮质量及一切摩擦都不计,系统由静止开始运动的过程中 ()a.m1、m2各自的机械能守恒 b.m2减少的机械能等于m1增加的重力势能 c.m2减少的重力势能等于m1增加的重力势能 d.m1、m2的机械能之和保持不变 【例3】质量分别为2m和m的可看作质点的小球a、b,用不计质量不可伸长的细绳相连,跨在半径为r的固定的光滑圆柱的两侧,如图所示.开始时a球和b球与圆柱轴心同高,然后释放,则b球到达最高点时的速度为多少? 四、课后练习: 1.(单选)下列四个选项的图中,木块均在固定的斜面上运动,其中图a、b、c中的斜面是光滑的,图d中的斜面是粗糙的,图a、b中的f为木块所受的外力,方向如图中箭头所示.图a、b、d中的木块向下运动,图c中的木块向上运动,在这四个图所示的运动过程中机械能守恒的是 ()2.(单选)在下列实例中,不计空气阻力,机械能不守恒的是 ()a.做斜抛运动的手榴弹 b.沿竖直方向自由下落的物体 c.起重机将重物体匀速吊起 d.沿光滑竖直圆轨道运动的小球 3.(单选)如图所示,从h高处以v平抛一小球,不计空气阻力,当小球距地面高度为h时,其动能恰好等于其势能,则 ()a.h=h/2 b.h高一物理机械能守恒定律笔记 高一物理机械能守恒定律及其应用篇二
高一物理机械能守恒定律笔记 高一物理机械能守恒定律及其应用(五篇)
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