人教版高考物理一轮复习 第5章 机械能 3机械能守恒定律及其应用.ppt
第3讲机械能守恒定律及其应用
命题点一机械能守恒的判断【要点·融会贯通】1.做功判断法:若物体系统内只有重力和弹簧弹力做功,其他力均不做功或其他力做功的代数和为零,则系统的机械能守恒。2.能量转化判断法:若只有系统内物体间动能和重力势能及弹性势能的相互转化,系统跟外界没有发生机械能的传递,机械能也没有转变成其他形式的能(如没有内能增加),则系统的机械能守恒。3.利用机械能的定义判断:若物体在水平面上匀速运动,则其动能、势能均不变,机械能守恒。若一个物体沿斜面匀速下滑,则其动能不变,重力势能减少,机械能减少。
【典例·通法悟道】【典例1】如图所示,固定的倾斜光滑杆上套有一个质量为m的小球,小球与一轻质弹簧一端相连,弹簧的另一端固定在地面上的A点,已知杆与水平面之间的夹角θ45°,当小球位于B点时,弹簧与杆垂直,此时弹簧处于原长。现让小球自C点由静止释放,在小球滑到杆底端的整个过程中,关于小球的动能、重力势能和弹簧的弹性势能,下列说法正确的是 ()A.小球的动能与重力势能之和保持不变B.小球的动能与重力势能之和先增大后减小C.小球的动能与弹簧的弹性势能之和保持不变D.小球的重力势能与弹簧的弹性势能之和保持不变
【技巧点拨】科学思维之科学论证(1)机械能守恒的条件绝不是合外力的功等于零,更不是合外力为零;“只有重力或弹力做功”不等于“只受重力或弹力作用”。(2)对于一些绳子突然绷紧、物体间碰撞等情况,除非题目特别说明,否则机械能必定不守恒。
【解析】选B。小球与弹簧组成的系统在整个过程中,机械能守恒。弹簧原长时弹性势能为零,小球从C到最低点过程中,弹簧的弹性势能先减小后增大,所以小球的动能与重力势能之和先增大后减小,A项错,B项正确;小球的重力势能不断减小,所以小球的动能与弹簧的弹性势能之和不断增大,C项错;小球的初、末动能均为零,所以上述过程中小球的动能先增大后减小,所以小球的重力势能与弹簧的弹性势能之和先减小后增大,D项错。
命题点二单个物体的机械能守恒【要点·融会贯通】1.常见问题:(1)抛体运动、竖直面内的圆周运动,往往涉及机械能守恒定律的应用。(2)平抛运动落地时的速度,竖直圆周运动最高点临界速度、最低点、与圆心等高点的分析是重点。
2.基本思路:(1)选取研究对象——物体。(2)根据研究对象所经历的物理过程,进行受力、做功分析,判断机械能是否守恒。(3)恰当地选取参考平面,确定研究对象在过程的初、末状态时的机械能。(4)根据机械能守恒定律,列出恰当的方程求解。
【典例·通法悟道】【典例2】(多选)(2019·兰州模拟)如图所示,竖直面内光滑的圆形导轨固定在一水平地面上,半径为R。一个质量为m的小球从距水平地面正上方h高处的P点由静止开始自由下落,恰好从N点沿切线方向进入圆轨道。不考虑空气阻力,则下列说法正确的是 ()A.适当调整高度h,可使小球从轨道最高点M飞出后,恰好落在轨道右端口N处B.若h=2R,则小球在轨道最低点对轨道的压力为5mgC.只有h大于或等于2.5R时,小球才能到达圆轨道的最高点MD.若h=R,则小球能上升到圆轨道左侧离地高度为R的位置,该过程重力做功为mgR
【解析】选B、C。小球到达最高点时速度至少应满足mg=,解得v=,小球离开最高点后做平抛运动,下落高度为R时,运动的水平距离为x=vt=故A错误;从P到最低点过程由机械能守恒可得2mgR=mv2,由向心力公式得FN-mg=,解得FN=5mg,由牛顿第三定律可知小球对轨道的压力为5mg,故B正确;由机械能守恒得mg(h-2R)=mv2,代入v=解得h=2.5R,故C正确;若h=R,则小球能上升到圆轨道左侧离地高度为R的位置,该过程重力做功为0,D错误。
【规律方法】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(物体或相互作用的物体系统)。(2)分析研究对象在运动过程中所受各力的做功情况,判断是否符合机械能守恒的条件。(3)若符合定律成立的条件,先要选取合适的零势能的参考平面,确定研究对象在运动过程的初、末状态的机械能值。(4)根据机械能守恒定律列方程,并代入数值求解。
命题点三多个物体的机械能守恒【要点·融会贯通】1.常见的问题:(1)速率相等的连接体,关键在于寻找二者位移关系,确定系统重力势能的变化。如图甲所示,A、B在运动过程中速度大小相等,根据系统减少的重力势能等于系统增加的动能列方程求解。
(2)角速度相等的连接体:如图乙所示,一轻质细杆的两端分别固定着A、B两个小球,O点是一垂直于纸面的光滑水平轴,A、B在运动过程中角速度相等,其线速度的大小与半径成正比,根据系统减少的重力势能等于系统增加的动能列方程求解。