7.7 机械能守恒定律
精选练习
一 夯实基础
1.如图所示实例中均不考虑空气阻力，系统机械能守恒的是( )
2.(2019·浙江省温州市诸暨中学高一下学期期中)关于以下四幅图，下列说法中正确的是( )
A．图1中“蛟龙号”被吊车吊下水的过程中它的机械能守恒
B．图2中火车在匀速转弯时动能不变，故所受合外力为零
C．图3中握力器在手的压力作用下弹性势能增加了
D．图4中撑杆跳高运动员在上升过程中机械能守恒
3．(2019·山东省济南外国语学校高一下学期月考)如图所示，光滑斜面的顶端固定一弹簧，一物体向右滑行，并冲上固定在地面上的斜面。设物体在斜面最低点A的速度为v，压缩弹簧至C点时弹簧最短，C点距地面高度为h，则物体运动到C点时，弹簧的弹性势能是( )
A．mgh－mv2 B．mv2－mgh
C．mgh D．mgh＋mv2
4.如图，质量为m的苹果，从离地面H高的树上由静止开始落下，树下有一深度为h的坑。若以地面为零势能参考平面，则当苹果落到坑底时的机械能为( )
A．－mgh B．mgH
C．mg(H＋h) D．mg(H－h)
5.(2019·辽宁省庄河市高级中学高一下学期检测)如图所示，小物体A沿高为h，倾角为θ的光滑斜面以初速度v0从顶端滑到底端，而相同的物体B以同样大小的初速度从同等高度处竖直上抛，则( )
A．两物体落地时速度相同
B．从开始至落地，重力对它们做功相同
C．两物体落地时重力的瞬时功率一定相同
D．从开始运动至落地过程中，重力对它们做功的平均功率一定相同
6.如图所示，倾角30°的斜面连接水平面，在水平面上安装半径为R的半圆竖直挡板，质量m的小球从斜面上高为R/2处静止释放，到达水平面恰能贴着挡板内侧运动。不计小球体积，不计摩擦和机械能损失。则小球沿挡板运动时对挡板的作用力是( )
A．0.5mg B．mg
C．1.5mg D．2mg
7.如图所示，一个质量为m，均匀的细链条长为L，置于光滑水平桌面上，用手按住一端，使L/2长部分垂在桌面下，(桌面高度大于链条长度)，现将链条由静止释放，则链条上端刚离开桌面时的动能为( )
A．0 B．mgL
C．mgL D．mgL
8.如图所示，轻绳连接A、B两物体，A物体悬在空中距地面H高处，B物体放在水平面上。若A物体质量是B物体质量的2倍，不计一切摩擦。由静止释放A物体，以地面为零势能参考面。当A的动能与其重力势能相等时，A距地面的高度是( )
A.H B.H C.H D.H
9.质量为25 kg的小孩坐在秋千上，小孩重心离拴绳子的横梁2.5 m，如果秋千摆到最高点时，绳子与竖直方向的夹角是60°，秋千板摆到最低点时，忽略手与绳间的作用力，求小孩对秋千板的压力大小。(不计空气阻力，g取10m/s2)
10.2018年冬季奥林匹克运动会跳台滑雪比赛在韩国平昌举行。图为一跳台的示意图。假设运动员从雪道的最高台A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，取g＝10 m/s2)
二 提升训练
1．下列各种运动过程中，物体机械能守恒的是(忽略空气阻力)( )
A．将箭搭在弦上，拉弓的整个过程
B．过山车在动力作用下从轨道上缓慢上行的过程
C．在一根细线的中央悬挂着一个物体，双手拉着细线慢慢分开的过程
D．手握内有弹簧的圆珠笔，笔帽抵在桌面放手后圆珠笔弹起的过程
2.(2019·天津二中高一下学期检测)如图所示，在地面上以速度v0抛出质量为m的物体，抛出后物体落到比地面低h的海平面上。若以地面为参考平面，且不计空气阻力，则下列选项错误的是( )
A．物体落到海平面时的势能为mgh B．重力对物体做的功为mgh
C．物体在海平面上的动能为mv＋mgh D．物体在海平面上的机械能为mv
3.一小球以一定的初速度从图示位置进入竖直光滑的轨道，小球先进入圆轨道1，再进入圆轨道2，圆轨道1的半径为R，轨道2的半径是轨道1的1.8倍，小球的质量为m，若小球恰好能通过轨道2的最高点B，则小球在轨道1上经过A处时对轨道的压力为( )
A．2mg B．3mg
C．4mg D．5mg
4．(2019·吉林省松原市油田高中高一下学期期末)如图，固定在地面的斜面体上开有凹槽，槽内紧挨放置六个半径均为r的相同小球，各球编号如图。斜面与水平轨道OA平滑连接，OA长度为6r。现将六个小球由静止同时释放，小球离开A点后均做平抛运动，不计一切摩擦。则在各小球运动过程中，下列说法正确的是( )
A．球1的机械能守恒 B．球6在OA段机械能增大
C．球6的水平射程最大 D．有三个球落地点相同
5．如图甲所示，一个小环套在竖直放置的光滑圆形轨道上做圆周运动。小环从最高点A滑到最低点B的过程中，其线速度大小的平方v2随下落高度h变化的图像可能是图乙所示四个图中的( )
6.如图所示，在高1.5 m的光滑平台上有一个质量为2 kg的小球被一细线拴在墙上，小球与墙之间有一根被压缩的轻质弹簧。当烧断细线时，小球被弹出，小球落地时的速度方向与水平方向成60°角，则弹簧被压缩时具有的弹性势能为(g取10 m/s2)( )
A．10 J B．15 J C．20 J D．25 J
7.以相同大小的初速度v0将物体从同一水平面分别竖直上抛、斜上抛、沿光滑斜面(足够长)上滑，如图所示，三种情况达到的最大高度分别为h1、h2和h3，不计空气阻力(斜上抛物体在最高点的速度方向水平)，则( )
A．h1＝h2>h3 B．h1＝h2
h2
8.(2019·浙江省金华市云富高中高一学业水平段考)如图甲所示为商场内的螺旋滑梯，小孩从顶端A处进入，由静止开始沿滑梯自然下滑(如图乙)，并从底端B处滑出。已知滑梯总长度L＝20 m，A、B 间的高度差 h＝12 m。
(1)假设滑梯光滑，则小孩从B处滑出时的速度v1多大？
(2)若有人建议将该螺旋滑梯改建为倾斜直线滑梯，并保持高度差与总长度不变。已知小孩与滑梯间的动摩擦因数 μ＝0.25，若小孩仍从顶端由静止自然下滑，则从底端滑出时的速度v2多大？
(3)若小孩与滑梯间的动摩擦因数仍为0.25，你认为小孩从螺旋滑梯底端B处滑出的速度v3与(2)问中倾斜直线滑梯滑出的速度v2哪个更大？试简要说明理由。
9.(2019·吉林省实验中学高一下学期期中)如图所示，竖直平面内的圆弧形光滑管道半径略大于小球半径，管道中心到圆心距离为R，A端与圆心O等高，AD为水平面，B端在O的正下方，小球自A点正上方由静止释放，自由下落至A点进入管道，当小球到达B点时，管壁对小球的弹力大小为小球重力的9倍。求：
(1)释放点距A的竖直高度；
(2)落点C与A的水平距离。
10.(2019·陕西省西安中学高一下学期期中)如图所示，弯曲斜面与半径为R的竖直半圆组成光滑轨道，一个质量为m的小球从高度为4R的A点由静止释放，经过半圆的最高点D后做平抛运动落在水平面的E点，忽略空气阻力(重力加速度为g)，求：
(1)小球在D点时的速度vD；
(2)小球落地点E离半圆轨道最低点B的位移x；
(3)小球经过半圆轨道的C点(C点与圆心O在同一水平面)时对轨道的压力。7.8 机械能守恒定律
一 夯实基础
1.如图所示实例中均不考虑空气阻力，系统机械能守恒的是( )
【答案】D
【解析】：人上楼、跳绳过程中机械能不守恒，从能量转化角度看都是消耗人体的化学能；水滴石穿，水滴的机械能减少的部分转变为内能；弓箭射出过程中是弹性势能与动能、重力势能的相互转化，只有重力和弹力做功，机械能守恒。
2.(2019·浙江省温州市诸暨中学高一下学期期中)关于以下四幅图，下列说法中正确的是( )
A．图1中“蛟龙号”被吊车吊下水的过程中它的机械能守恒
B．图2中火车在匀速转弯时动能不变，故所受合外力为零
C．图3中握力器在手的压力作用下弹性势能增加了
D．图4中撑杆跳高运动员在上升过程中机械能守恒
【答案】C
【解析】：图1中“蛟龙号”被吊车吊下水的过程，钢绳对它做负功，所以机械能不守恒，故A错误；图2中火车在匀速转弯时做匀速圆周运动，所受的合外力指向圆心且不为零，故B错误；图3中握力器在手的压力下形变增大，所以弹性势能增大，C正确；图4中撑杆跳高运动员在上升过程中撑杆的弹性势能转化为运动员的机械能，所以运动员的机械能不守恒，故D错误。
3．(2019·山东省济南外国语学校高一下学期月考)如图所示，光滑斜面的顶端固定一弹簧，一物体向右滑行，并冲上固定在地面上的斜面。设物体在斜面最低点A的速度为v，压缩弹簧至C点时弹簧最短，C点距地面高度为h，则物体运动到C点时，弹簧的弹性势能是( )
A．mgh－mv2 B．mv2－mgh
C．mgh D．mgh＋mv2
【答案】B
【解析】：由A到C的过程运用机械能守恒定律得：mgh＋Ep＝mv2所以Ep＝mv2－mgh，故选B。
4.如图，质量为m的苹果，从离地面H高的树上由静止开始落下，树下有一深度为h的坑。若以地面为零势能参考平面，则当苹果落到坑底时的机械能为( )
A．－mgh B．mgH
C．mg(H＋h) D．mg(H－h)
【答案】B
【解析】：苹果下落过程机械能守恒，开始下落时其机械能为E＝mgH，落到坑底时机械能仍为mgH。
5.(2019·辽宁省庄河市高级中学高一下学期检测)如图所示，小物体A沿高为h，倾角为θ的光滑斜面以初速度v0从顶端滑到底端，而相同的物体B以同样大小的初速度从同等高度处竖直上抛，则( )
A．两物体落地时速度相同
B．从开始至落地，重力对它们做功相同
C．两物体落地时重力的瞬时功率一定相同
D．从开始运动至落地过程中，重力对它们做功的平均功率一定相同
【答案】B
【解析】：根据机械能守恒可知两物体落地时速度大小相等，但方向不同，故AC错误；由WG＝mgh知B正确；根据P＝，可判D错误。
6.如图所示，倾角30°的斜面连接水平面，在水平面上安装半径为R的半圆竖直挡板，质量m的小球从斜面上高为R/2处静止释放，到达水平面恰能贴着挡板内侧运动。不计小球体积，不计摩擦和机械能损失。则小球沿挡板运动时对挡板的作用力是( )
A．0.5mg B．mg
C．1.5mg D．2mg
【答案】B
【解析】：由机械能守恒定律知，mg＝mv2，又F＝m得F＝mg，选项B正确。
7.如图所示，一个质量为m，均匀的细链条长为L，置于光滑水平桌面上，用手按住一端，使L/2长部分垂在桌面下，(桌面高度大于链条长度)，现将链条由静止释放，则链条上端刚离开桌面时的动能为( )
A．0 B．mgL
C．mgL D．mgL
【答案】D
【解析】：取桌面下为零势能面，根据机械能守恒定律得Ek＝·＋·＝mgL，故选D。
8.如图所示，轻绳连接A、B两物体，A物体悬在空中距地面H高处，B物体放在水平面上。若A物体质量是B物体质量的2倍，不计一切摩擦。由静止释放A物体，以地面为零势能参考面。当A的动能与其重力势能相等时，A距地面的高度是( )
A.H B.H C.H D.H
【答案】 B
【解析】 设A的动能与重力势能相等时，A距地面高度为h，对A、B组成的系统，由机械能守恒定律得：
mAg(H－h)＝mAv2＋mBv2①
又由题意得：mAgh＝mAv2②
且mA＝2mB③
由①②③式联立解得：h＝H，故B正确。
9.质量为25 kg的小孩坐在秋千上，小孩重心离拴绳子的横梁2.5 m，如果秋千摆到最高点时，绳子与竖直方向的夹角是60°，秋千板摆到最低点时，忽略手与绳间的作用力，求小孩对秋千板的压力大小。(不计空气阻力，g取10m/s2)
【答案】：500 N
【解析】：秋千摆到最低点过程中，只有重力做功，机械能守恒，则：
mgl(1－cos60°)＝mv2①
在最低点时，设秋千对小孩的支持力为FN，由牛顿第二定律得：
FN－mg＝m②
解得：FN＝2mg＝2×25×10 N＝500 N，
由牛顿第三定律得小孩对秋千板的压力为500 N。
10.2018年冬季奥林匹克运动会跳台滑雪比赛在韩国平昌举行。图为一跳台的示意图。假设运动员从雪道的最高台A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，取g＝10 m/s2)
【答案】：8.9 m/s 16.7 m/s
【解析】：运动员在滑雪过程中只有重力做功，故运动员在滑雪过程中机械能守恒。取B点所在水平面为参考平面。由题意知A点到B点的高度差h1＝4 m，B点到C点的高度差h2＝10 m，从A点到B点的过程由机械能守恒定律得mv＝mgh1，
故vB＝＝4m/s≈8.9 m/s；
从B点到C点的过程由机械能守恒定律得
mv＝－mgh2＋mv，
故vC＝＝2 m/s≈16.7 m/s。
二 提升训练
1．下列各种运动过程中，物体机械能守恒的是(忽略空气阻力)( )
A．将箭搭在弦上，拉弓的整个过程
B．过山车在动力作用下从轨道上缓慢上行的过程
C．在一根细线的中央悬挂着一个物体，双手拉着细线慢慢分开的过程
D．手握内有弹簧的圆珠笔，笔帽抵在桌面放手后圆珠笔弹起的过程
【答案】D
【解析】：将箭搭在弦上，拉弓的整个过程中，拉力对箭做功，故机械能不守恒，故A错误；过山车在动力作用下从轨道上缓慢上行的过程，动能不变，重力势能变大，故机械能不守恒，故B错误；在一根细线的中央悬挂着一物体，双手拉着细线慢慢分开的过程，动能不变，重力势能增大，故机械能不守恒，故C错误；笔帽抵在桌面放手后圆珠笔弹起的过程中，只有重力和弹簧弹力做功，故机械能守恒，故D正确；故选D。
2.(2019·天津二中高一下学期检测)如图所示，在地面上以速度v0抛出质量为m的物体，抛出后物体落到比地面低h的海平面上。若以地面为参考平面，且不计空气阻力，则下列选项错误的是( )
A．物体落到海平面时的势能为mgh B．重力对物体做的功为mgh
C．物体在海平面上的动能为mv＋mgh D．物体在海平面上的机械能为mv
【答案】A
【解析】：若以地面为参考平面，物体落到海平面时的势能为－mgh，所以A选项错误；此过程重力做正功，做功的数值为mgh，因而B正确；不计空气阻力，只有重力做功，所以机械能守恒，有mv＝－mgh＋Ek，在海平面上的动能为Ek＝mv＋mgh ，C选项正确；在地面处的机械能为mv，因此在海平面上的机械能也为mv，D选项正确。
3.一小球以一定的初速度从图示位置进入竖直光滑的轨道，小球先进入圆轨道1，再进入圆轨道2，圆轨道1的半径为R，轨道2的半径是轨道1的1.8倍，小球的质量为m，若小球恰好能通过轨道2的最高点B，则小球在轨道1上经过A处时对轨道的压力为( )
A．2mg B．3mg
C．4mg D．5mg
【答案】C
【解析】：小球恰好能通过轨道2的最高点B时，有mg＝，小球在轨道1上经过A处时，有F＋mg＝，根据机械能守恒定律，有1.6mgR＝mv－mv，解得F＝4mg，C项正确。
4．(2019·吉林省松原市油田高中高一下学期期末)如图，固定在地面的斜面体上开有凹槽，槽内紧挨放置六个半径均为r的相同小球，各球编号如图。斜面与水平轨道OA平滑连接，OA长度为6r。现将六个小球由静止同时释放，小球离开A点后均做平抛运动，不计一切摩擦。则在各小球运动过程中，下列说法正确的是( )
A．球1的机械能守恒 B．球6在OA段机械能增大
C．球6的水平射程最大 D．有三个球落地点相同
【答案】BD
【解析】：6个小球都在斜面上运动时，只有重力做功，整个系统的机械能守恒，当有部分小球在水平轨道上运动时，斜面上的小球仍在加速，球2对1的作用力做功，故球1的机械能不守恒，故A错误；球6在OA段运动时，斜面上的小球在加速，球5对球6的作用力做正功，动能增加，机械能增大，故B正确；由于有部分小球在水平轨道上运动时，斜面上的小球仍在加速，所以可知离开A点时球6的速度最小，水平射程最小，故C错误；最后三个球在水平面上运动时不再加速，3、2、1的速度相等，水平射程相同，落地点位置相同，故D正确，故选B、D。
5．如图甲所示，一个小环套在竖直放置的光滑圆形轨道上做圆周运动。小环从最高点A滑到最低点B的过程中，其线速度大小的平方v2随下落高度h变化的图像可能是图乙所示四个图中的( )
【答案】AB
【解析】：设小环在A点的速度为v0，选A点为零势面，由机械能守恒定律得－mgh＋mv2＝mv得v2＝v＋2gh，可见v2与h是线性关系，若v0＝0，B正确；v0≠0，A正确，故正确选项是AB。
6.如图所示，在高1.5 m的光滑平台上有一个质量为2 kg的小球被一细线拴在墙上，小球与墙之间有一根被压缩的轻质弹簧。当烧断细线时，小球被弹出，小球落地时的速度方向与水平方向成60°角，则弹簧被压缩时具有的弹性势能为(g取10 m/s2)( )
A．10 J B．15 J C．20 J D．25 J
【答案】 A
【解析】 由2gh＝v－0得：vy＝，即vy＝ m/s，落地时，tan 60°＝，可得：v0＝＝ m/s，弹簧与小球组成的系统机械能守恒，在小球被弹出的过程中，由机械能守恒定律得Ep＝mv，可求得：Ep＝10 J，故A正确。
7.以相同大小的初速度v0将物体从同一水平面分别竖直上抛、斜上抛、沿光滑斜面(足够长)上滑，如图所示，三种情况达到的最大高度分别为h1、h2和h3，不计空气阻力(斜上抛物体在最高点的速度方向水平)，则( )
A．h1＝h2>h3 B．h1＝h2h2
【答案】 D
【解析】 竖直上抛物体和沿斜面运动的物体，上升到最高点时，速度均为0，由机械能守恒得mgh＝mv，所以h1＝h3＝h＝，斜上抛物体在最高点速度不为零，设为v1，则mgh2＝mv－mv，所以h2＜h1＝h3，故D正确。
8.(2019·浙江省金华市云富高中高一学业水平段考)如图甲所示为商场内的螺旋滑梯，小孩从顶端A处进入，由静止开始沿滑梯自然下滑(如图乙)，并从底端B处滑出。已知滑梯总长度L＝20 m，A、B 间的高度差 h＝12 m。
(1)假设滑梯光滑，则小孩从B处滑出时的速度v1多大？
(2)若有人建议将该螺旋滑梯改建为倾斜直线滑梯，并保持高度差与总长度不变。已知小孩与滑梯间的动摩擦因数 μ＝0.25，若小孩仍从顶端由静止自然下滑，则从底端滑出时的速度v2多大？
(3)若小孩与滑梯间的动摩擦因数仍为0.25，你认为小孩从螺旋滑梯底端B处滑出的速度v3与(2)问中倾斜直线滑梯滑出的速度v2哪个更大？试简要说明理由。
【答案】：(1)4 m/s (2)4 m/s (3)v2更大
【解析】：(1)由机械能守恒可得：mgh＝mv
解得：v1＝＝4 m/s
(2)由动能定理可得：WG＋Wf＝mv
mgh－μmg·L＝mv
解得：v2＝4m/s
(3)v2更大，根据WG＋Wf＝mv，
WG＋Wf－mv
与直线下滑相比，重力做功相等，沿螺旋滑梯下滑时，小孩受到的弹力更大(或需要向心力)，受到的滑动摩擦力更大，滑动摩擦力做的负功更多，v3更小。
9.(2019·吉林省实验中学高一下学期期中)如图所示，竖直平面内的圆弧形光滑管道半径略大于小球半径，管道中心到圆心距离为R，A端与圆心O等高，AD为水平面，B端在O的正下方，小球自A点正上方由静止释放，自由下落至A点进入管道，当小球到达B点时，管壁对小球的弹力大小为小球重力的9倍。求：
(1)释放点距A的竖直高度；
(2)落点C与A的水平距离。
【答案】：(1)3R (2)(2－1)R
【解析】：(1)设小球到达B点的速度为v1，因为到达B点时管壁对小球的弹力大小为小球重力大小的9倍，所以有9mg－mg＝m
又由机械能守恒定律得
mg(h＋R)＝mv
所以h＝3R
(2)设小球到达最高点的速度为v2，落点C与A的水平距离为s
由机械能守恒定律得
mv＝mv＋mg2R
由平抛运动规律得R＝gt2
R＋s＝v2t
由此可解得s＝(2－1)R
10.(2019·陕西省西安中学高一下学期期中)如图所示，弯曲斜面与半径为R的竖直半圆组成光滑轨道，一个质量为m的小球从高度为4R的A点由静止释放，经过半圆的最高点D后做平抛运动落在水平面的E点，忽略空气阻力(重力加速度为g)，求：
(1)小球在D点时的速度vD；
(2)小球落地点E离半圆轨道最低点B的位移x；
(3)小球经过半圆轨道的C点(C点与圆心O在同一水平面)时对轨道的压力。
【答案】：(1)2 (2)4R (3)6mg
【解析】：(1)小球从A到D，根据机械能守恒定律可得：
mg(4R－2R)＝mv整理可以得到：vD＝2。
(2)小球离开D点后做平抛运动，根据平抛运动规律可以得到：
水平方向有：x＝vDt
竖直方向有：2R＝gt2
整理可以得到：x＝4R。
(3)从A到C，根据机械能守恒定律得：
mg(4R－R)＝mv。
在C点，根据牛顿第二定律：
N＝m
整理可以得到：N＝6mg。
由牛顿第三定律可知，小球经过半圆轨道的C点时对轨道的压力为6mg。
