教科版（2019） 必修 第二册 4.5 机械能及其守恒定律 课时跟踪检测（十五） 机械能守恒定律（含答案）

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课时跟踪检测（十五） 机械能守恒定律
基础层级——基稳才能楼高
1．关于机械能守恒，以下说法中正确的是(　　)
A．机械能守恒的物体一定只受重力和弹力的作用
B．物体处于平衡状态时，机械能一定守恒
C．物体所受合外力不等于零时，机械能可能守恒
D．合外力做功时，物体的机械能一定不守恒
2．(2018·浙江11月学考)奥运会比赛项目撑杆跳高如图1所示。下列说法不正确的是(　　)
图1
A．加速助跑过程中，运动员的动能增加
B．起跳上升过程中，杆的弹性势能一直增加
C．起跳上升过程中，运动员的重力势能增加
D．越过横杆后下落过程中，运动员的重力势能减少动能增加
3.如图2所示，距离地面h高处以初速度v0沿水平方向抛出一个物体，不计空气阻力，物体在下落过程中，下列说法正确的是(　　)
图2
A．物体在c点比在a点具有的重力势能大
B．物体在c点比在a点具有的动能大
C．物体在a点比在b点具有的动能大
D．物体在a、b、c三点具有的动能一样大
4.如图3所示，一固定在地面上的光滑斜面的顶端固定有一轻弹簧，地面上质量为m的物块(可视为质点)向右滑行并冲上斜面。设物块在斜面最低点A的速率为v，压缩弹簧至C点时弹簧最短，C点距地面高度为h，则物块运动到C点时弹簧的弹性势能为(　　)
图3
A．mgh　　　　　　　　 B．mgh＋mv2
C．mgh－mv2 D.mv2－mgh
5.如图4所示，一个小球套在竖直放置的光滑圆环上，小球从最高点向下滑动过程中，其线速度大小的平方v2随下落高度h的变化图像可能是(　　)
图4
6.两个质量不同的物块A和B分别从高度相同的、固定的、光滑的斜面和弧形曲面的顶点滑向底部，如图5所示，它们的初速度为零，下列说法中正确的是(　　)
图5
A．下滑过程中重力所做的功相等
B．它们到达底部时速率相等
C．它们到达底部时动能相等
D．物块A在最高点时的机械能大于它到达最低点时的机械能
7.一根全长为l、粗细均匀的铁链，对称地挂在轻小光滑的定滑轮上，如图6所示，当受到轻微的扰动，铁链开始滑动，当铁链脱离滑轮瞬间，铁链速度大小为(　　)
图6
A. B.
C. D.
8.有一竖直放置的“T”形架，表面光滑，滑块A、B分别套在水平杆与竖直杆上，A、B用一不可伸长的轻细绳相连，A、B质量相等，且可看做质点，如图7所示，开始时细绳水平伸直，A、B静止。由静止释放B后，已知当细绳与竖直方向的夹角为60°时，滑块B沿着竖直杆下滑的速度为v，则连接A、B的绳长为(　　)
图7
A. B.
C. D.
能力层级——跳跳摘到桃子
9．(多选)如图8为两个半径不同而内壁光滑的固定半圆轨道，质量相等的两个小球分别从与球心在同一水平高度的A、B两点由静止开始自由滑下，它们通过轨道最低点时，下列说法正确的是(　　)
图8
A．向心加速度相同 B．对轨道的压力相等
C．机械能相等 D．速度相同
10．(多选)(2017·江苏高考)如图9所示，三个小球A、B、C的质量均为m，A与B、C间通过铰链用轻杆连接，杆长为L。B、C置于水平地面上，用一轻质弹簧连接，弹簧处于原长。现A由静止释放下降到最低点，两轻杆间夹角α由60°变为120°。A、B、C在同一竖直平面内运动，弹簧在弹性限度内，忽略一切摩擦，重力加速度为g。则此下降过程中(　　)
图9
A．A的动能达到最大前，B受到地面的支持力小于mg
B．A的动能最大时，B受到地面的支持力等于mg
C．弹簧的弹性势能最大时，A的加速度方向竖直向下
D．弹簧的弹性势能最大值为mgL
11.如图10所示，用长为L的细线，一端系于悬点A，另一端拴住一质量为m的小球，先将小球拉至水平位置并使细线绷直，在悬点A的正下方O点钉有一小钉子，今将小球由静止释放，要使小球能在竖直平面内做完整圆周运动，OA的最小距离是多少？
图10
12．(2018·江苏高考)如图11所示，钉子A、B相距5l，处于同一高度。细线的一端系有质量为M的小物块，另一端绕过A固定于B。质量为m的小球固定在细线上C点，B、C间的线长为3l。用手竖直向下拉住小球，使小球和物块都静止，此时BC与水平方向的夹角为53°。松手后，小球运动到与A、B相同高度时的速度恰好为零，然后向下运动。忽略一切摩擦，重力加速度为g，取sin 53°＝0.8，cos 53°＝0.6。求：
图11
(1)小球受到手的拉力大小F；
(2)物块和小球的质量之比M∶m；
(3)小球向下运动到最低点时，物块M所受的拉力大小T。
课时跟踪检测（十五） 机械能守恒定律
基础层级——基稳才能楼高
1．关于机械能守恒，以下说法中正确的是(　　)
A．机械能守恒的物体一定只受重力和弹力的作用
B．物体处于平衡状态时，机械能一定守恒
C．物体所受合外力不等于零时，机械能可能守恒
D．合外力做功时，物体的机械能一定不守恒
解析：选C　物体机械能守恒时还有可能受其他力的作用，但是其他力做功为零，故A错误。物体处于平衡状态时，机械能不一定守恒，例如物体匀速上升，动能不变，重力势能增大，B错误。物体所受合外力不等于零时，机械能可能守恒，例如自由下落的物体，C正确。自由落体运动中，合外力做正功，机械能守恒，D错。
2．(2018·浙江11月学考)奥运会比赛项目撑杆跳高如图1所示。下列说法不正确的是(　　)
图1
A．加速助跑过程中，运动员的动能增加
B．起跳上升过程中，杆的弹性势能一直增加
C．起跳上升过程中，运动员的重力势能增加
D．越过横杆后下落过程中，运动员的重力势能减少动能增加
解析：选B　加速助跑过程中，运动员的速度增大，动能增加，A正确；起跳上升过程中，杆先被压得更弯，后又复原，所以杆的弹性势能先增加后减少，运动员的重力势能一直增加，B错误、C正确；越过横杆后运动员加速下落，重力势能减少，动能增加，D正确。
3.如图2所示，距离地面h高处以初速度v0沿水平方向抛出一个物体，不计空气阻力，物体在下落过程中，下列说法正确的是(　　)
图2
A．物体在c点比在a点具有的重力势能大
B．物体在c点比在a点具有的动能大
C．物体在a点比在b点具有的动能大
D．物体在a、b、c三点具有的动能一样大
解析：选B　物体在下落过程中，重力势能减小，动能增大，所以物体在a点的重力势能大于在c点的重力势能，在b、c点的动能大于在a点的动能，B正确。
4.如图3所示，一固定在地面上的光滑斜面的顶端固定有一轻弹簧，地面上质量为m的物块(可视为质点)向右滑行并冲上斜面。设物块在斜面最低点A的速率为v，压缩弹簧至C点时弹簧最短，C点距地面高度为h，则物块运动到C点时弹簧的弹性势能为(　　)
图3
A．mgh　　　　　　　　 B．mgh＋mv2
C．mgh－mv2 D.mv2－mgh
解析：选D　由机械能守恒定律可得物块的动能转化为重力势能和弹簧的弹性势能，有mv2＝mgh＋Ep，故Ep＝mv2－mgh，故选D。
5.如图4所示，一个小球套在竖直放置的光滑圆环上，小球从最高点向下滑动过程中，其线速度大小的平方v2随下落高度h的变化图像可能是(　　)
图4
解析：选A　小球在下落的过程中，只有重力做功，机械能守恒，有：
mv2＝mv02＋mgh
则v2＝v02＋2gh
若v0＝0，则v2与h成正比关系，若v0≠0，则v2与h成一次函数关系，故A正确，B、C、D错误。
6.两个质量不同的物块A和B分别从高度相同的、固定的、光滑的斜面和弧形曲面的顶点滑向底部，如图5所示，它们的初速度为零，下列说法中正确的是(　　)
图5
A．下滑过程中重力所做的功相等
B．它们到达底部时速率相等
C．它们到达底部时动能相等
D．物块A在最高点时的机械能大于它到达最低点时的机械能
解析：选B　由重力做功W＝mgh知，由于h相等而m不同，则重力做功不同，故A错误；物块下滑过程中，只有重力做功，机械能守恒，由机械能守恒定律得：mgh＝mv2＝Ek，物块到达底部时的速率v＝，h相同，故速率大小相等，但由于质量不等，故下滑到底部时的动能不相等，故B正确，C错误；由于只有重力做功，所以物体的机械能守恒，则物块A在最高点时的机械能和它到达最低点的机械能相等，故D错误。
7.一根全长为l、粗细均匀的铁链，对称地挂在轻小光滑的定滑轮上，如图6所示，当受到轻微的扰动，铁链开始滑动，当铁链脱离滑轮瞬间，铁链速度大小为(　　)
图6
A. B.
C. D.
解析：选A　设铁链脱离滑轮瞬间链条的速度为v，则下落过程只有重力做功，机械能守恒。以铁链脱离瞬间在竖直方向时铁链的重心为参考面，则有×2＝mv2，
解得v＝，选项A正确。
8.有一竖直放置的“T”形架，表面光滑，滑块A、B分别套在水平杆与竖直杆上，A、B用一不可伸长的轻细绳相连，A、B质量相等，且可看做质点，如图7所示，开始时细绳水平伸直，A、B静止。由静止释放B后，已知当细绳与竖直方向的夹角为60°时，滑块B沿着竖直杆下滑的速度为v，则连接A、B的绳长为(　　)
图7
A. B.
C. D.
解析：选D　由运动的合成与分解可知滑块A和B在绳长方向的速度大小相等，有vAsin 60°＝vBcos 60°，解得vA＝v，将滑块A、B看成一系统，系统的机械能守恒，设滑块B下滑的高度为h，有mgh＝mvA2＋mvB2，解得h＝，由几何关系可知绳子的长度为L＝2h＝，故选项D正确。
能力层级——跳跳摘到桃子
9．(多选)如图8为两个半径不同而内壁光滑的固定半圆轨道，质量相等的两个小球分别从与球心在同一水平高度的A、B两点由静止开始自由滑下，它们通过轨道最低点时，下列说法正确的是(　　)
图8
A．向心加速度相同 B．对轨道的压力相等
C．机械能相等 D．速度相同
解析：选ABC　设小球的质量为m，通过最低点时的速度大小为v，碗的半径为R，则根据机械能守恒定律mgR＝mv2，得v＝，由于两碗的半径不同，两球过最低点时的速度不同，D错。a＝＝2g，两球过最低点时的加速度相等，A对。由牛顿第二定律知N－mg＝m，N＝mg＋m＝3mg，两球过最低点时对碗的压力大小相等，B对。两球的机械能都守恒，均等于它们在最高点的机械能，若取最高点所在水平面为参考平面，则两球的机械能都等于零，C对。
10．(多选)(2017·江苏高考)如图9所示，三个小球A、B、C的质量均为m，A与B、C间通过铰链用轻杆连接，杆长为L。B、C置于水平地面上，用一轻质弹簧连接，弹簧处于原长。现A由静止释放下降到最低点，两轻杆间夹角α由60°变为120°。A、B、C在同一竖直平面内运动，弹簧在弹性限度内，忽略一切摩擦，重力加速度为g。则此下降过程中(　　)
图9
A．A的动能达到最大前，B受到地面的支持力小于mg
B．A的动能最大时，B受到地面的支持力等于mg
C．弹簧的弹性势能最大时，A的加速度方向竖直向下
D．弹簧的弹性势能最大值为mgL
解析：选AB　在A的动能达到最大前，A向下加速运动，此时A处于失重状态，则整个系统对地面的压力小于3mg，即地面对B的支持力小于mg，A项正确；当A的动能最大时，A的加速度为零，这时系统既不失重，也不超重，系统对地面的压力等于3mg，即B受到地面的支持力等于mg，B项正确；当弹簧的弹性势能最大时，A减速运动到最低点，此时A的加速度方向竖直向上，C项错误；由机械能守恒定律可知，弹簧的弹性势能最大值等于A的重力势能的减少量，即为mg(Lcos 30°－Lcos 60°)＝mgL，D项错误。
11.如图10所示，用长为L的细线，一端系于悬点A，另一端拴住一质量为m的小球，先将小球拉至水平位置并使细线绷直，在悬点A的正下方O点钉有一小钉子，今将小球由静止释放，要使小球能在竖直平面内做完整圆周运动，OA的最小距离是多少？
图10
解析：设小球做完整圆周运动时其轨道半径为R，小球刚好过最高点的条件为mg＝
解得v0＝
小球由静止释放到运动至圆周的最高点过程中，只有重力做功，因而机械能守恒，取初位置所在平面为参考平面，如题图所示，由机械能守恒定律得0＝mv02－mg(L－2R)
解得R＝L
所以OA的最小距离为L－R＝L。
答案：L
12．(2018·江苏高考)如图11所示，钉子A、B相距5l，处于同一高度。细线的一端系有质量为M的小物块，另一端绕过A固定于B。质量为m的小球固定在细线上C点，B、C间的线长为3l。用手竖直向下拉住小球，使小球和物块都静止，此时BC与水平方向的夹角为53°。松手后，小球运动到与A、B相同高度时的速度恰好为零，然后向下运动。忽略一切摩擦，重力加速度为g，取sin 53°＝0.8，cos 53°＝0.6。求：
图11
(1)小球受到手的拉力大小F；
(2)物块和小球的质量之比M∶m；
(3)小球向下运动到最低点时，物块M所受的拉力大小T。
解析：(1)由几何知识可知AC⊥BC，根据平衡
(F＋mg)cos 53°＝Mg
解得F＝Mg－mg。
(2)与A、B相同高度时
小球上升h1＝3lsin 53°，
物块下降h2＝2l，
物块和小球组成的系统机械能守恒mgh1＝Mgh2
解得＝。
(3)根据机械能守恒定律，小球向下运动到最低点时，恰好回到起始点，设此时物块受到的拉力为T，加速度大小为a，由牛顿第二定律得
Mg－T＝Ma
对小球，沿AC方向由牛顿第二定律得
T－mgcos 53°＝ma
解得T＝
结合(2)可得T＝或mg或Mg。
答案：(1)Mg－mg　(2)6∶5
(3)