4.机械能守恒定律
要点一 机械能守恒的判断
1.(2024·江苏苏州期中)关于机械能守恒,下列说法正确的是( )
A.物体必须在只受重力作用的情况下,机械能才守恒
B.物体做平抛运动时,机械能一定守恒
C.合外力对物体做功为零时,机械能一定守恒
D.人乘电梯减速上升的过程,人的机械能一定守恒
2.(多选)神舟号载人飞船从发射至返回的过程中,以下哪些阶段返回舱的机械能是守恒的( )
A.飞船升空的阶段
B.只在地球引力作用下,返回舱沿椭圆轨道绕地球运行的阶段
C.在大气层外,只在地球引力作用下,返回舱飞向地球的阶段
D.临近地面时返回舱减速下降的阶段
3.(多选)双锥体向“上”滚的迷你实验如图。在书脊上架两根筷子作为轨道,把双锥体放在较低一端的轨道上,你会发现双锥体会向“上”滚动。关于这一现象的分析正确的是( )
A.双锥体滚动过程中,重心逐渐上升
B.双锥体滚动过程中,重心逐渐下降
C.调整使两根筷子平行,实验也可能成功
D.将双锥体换成圆柱体,实验不可能成功
要点二 机械能守恒定律的应用
4.如图所示,倾角为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
5.(多选)(2024·陕西西安期中)如图所示,半圆竖直轨道与水平面平滑连接于B点,半圆轨道的圆心为O,半径为R,C为其最高点。BD段为双轨道,D点以上只有内轨道,D点与圆心的连线与水平方向夹角为θ,一小球从水平面上的A点以一定的初速度向右运动,能沿圆弧轨道恰好到达C点。不计一切摩擦,则( )
A.小球到达C点时速度为0
B.小球到达C点后做平抛运动落在地面上
C.小球在A点的初速度为
D.小球在C点受轻微扰动后从左侧落下,落地时动能为2mgR
6.如图,在地面上以初速度v0抛出质量为m的物体,抛出后物体落在比地面低h的海平面上,重力加速度为g,若以地面为参考平面,且不计空气阻力,则( )
A.物体在海平面上的重力势能为mgh
B.重力对物体做的功为-mgh
C.物体在海平面上的动能为m+mgh
D.物体在海平面上的机械能为m+mgh
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,则( )
A.h1=h2>h3 B.h1=h2<h3
C.h1=h3<h2 D.h1=h3>h2
8.如图是为了检验某种防护罩承受冲击力的装置的一部分,M是半径为R=1.0 m、固定于竖直平面内的四分之一光滑圆弧轨道,轨道上端切线水平,M的下端相切处放置竖直向上的弹簧枪,可发射速度不同的质量m=0.01 kg的小钢球(可视为质点),假设某次发射的小钢球沿轨道内侧恰好能经过M的上端点水平飞出,g取10 m/s2,弹簧枪的长度不计,则发射该小钢球前,弹簧的弹性势能为( )
A.0.10 J B.0.15 J
C.0.20 J D.0.25 J
9.如图所示,光滑的曲面与光滑的水平面平滑相连,一轻弹簧右端固定,质量为m的小球从高度为h处由静止下滑,重力加速度为g,弹簧始终在弹性限度内,则( )
A.小球与弹簧刚接触时,速度大小为
B.小球与弹簧接触的过程中,小球机械能守恒
C.小球压缩弹簧至最短时,弹簧的弹性势能为mgh
D.小球在压缩弹簧的过程中,小球的加速度保持不变
10.如图所示,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,其线速度大小的二次方v2随下落高度h变化的图像可能是下列选项中的( )
11.如图所示,假设运动员从雪道的最高点A由静止开始滑下,不借助其他器械,沿光滑的雪道到达跳台的B点时,速度为多少?当他落到离B点竖直高度为10 m的雪地C点时,速度又是多少?(假设这一过程中运动员没有做其他动作,忽略摩擦力和空气阻力,取重力加速度g=10 m/s2)
12.一个设计“过山车”的试验装置的原理示意图如图所示,斜面AB与竖直面内的圆形轨道在B点平滑连接,斜面AB和圆形轨道都是光滑的,圆形轨道半径为R,一个质量为m的小车(可视为质点)在A点由静止释放沿斜面滑下,小车恰能通过圆形轨道的最高点C。已知重力加速度为g。求:
(1)A点距水平面的高度h;
(2)运动到B点时小车对轨道压力的大小。
4.机械能守恒定律
1.B 只有重力或只有内部弹力做功的系统机械能守恒,除重力外物体还受其他力,但其他力不做功或做功代数和为零,物体机械能也可能守恒,故A错误;物体做平抛运动时只有重力做功,机械能守恒,故B正确;合力对物体做功为零,机械能不一定守恒,如在竖直方向匀速下落的物体合外力做功为零,但机械能减少,机械能不守恒,故C错误;人乘电梯减速上升过程,支持力做正功,机械能增加,故D错误。
2.BC 飞船升空的阶段,推力做正功,机械能增加,故A错误;飞船在椭圆轨道上绕地球运行的阶段,只受重力作用,重力势能和动能之和保持不变,故B正确;返回舱在大气层外向着地球做无动力飞行阶段,只有重力做功,重力势能减小,动能增加,机械能守恒,故C正确;降落伞张开后,返回舱下降的阶段,克服空气阻力做功,机械能减小,故D错误。
3.BD 双锥体滚动过程中,动能逐渐增加,则重力势能逐渐减小,则重心逐渐下降,选项A错误,B正确;调整使两根筷子平行,则双椎体若沿筷子滚动的话重力势能增加,则不可能向“上”滚动,即实验不可能成功,选项C错误;将双锥体换成圆柱体,则圆柱体若沿筷子滚动的话重力势能增加,机械能增加,这是不可能的,即实验不可能成功,选项D正确。
4.B 由机械能守恒定律知,mg=mv2,又F=m,解得F=mg,选项B正确。
5.AD 小球恰好过圆弧轨道最高点C,由于下方有支持物,所以过C点时速度为0,故A正确;小球过C点时速度为0,不能做平抛运动,故B错误;A到C,由机械能守恒定律可得m=mg×2R,解得vA=2,故C错误;从C到落地,由机械能守恒定律得mv2=mg×2R,即落地时动能Ek=mv2=2mgR,故D正确。
6.C 以地面为参考平面,海平面低于地面的高度为h,所以物体在海平面上的重力势能为-mgh,故A错误;重力做功与路径无关,与初、末位置的高度差有关,抛出点与海平面的高度差为h,并且重力做正功,所以整个过程重力对物体做功为mgh,故B错误;由动能定理得mgh=Ek2-m,则物体在海平面上的动能为Ek2=m+mgh,故C正确;根据机械能守恒定律知,物体在海平面上的机械能等于抛出时的机械能,为E=m,故D错误。
7.D 竖直上抛的物体和沿光滑斜面运动的物体,上升到最高点时,速度均为0,由机械能守恒定律得mgh=m,所以h=;斜上抛的物体在最高点速度不为零,设为v1,则mgh2=m-m,所以h2<h1=h3,D正确。
8.B 设小钢球在M轨道最高点的速度为v,在最高点,由题意可得mg=m,从发射前到最高点,由机械能守恒定律有弹簧的弹性势能Ep=mgR+mv2=0.15 J,选项B正确。
9.A 小球在曲面上滑下过程中,根据机械能守恒定律得mgh=mv2,得v=,即小球与弹簧刚接触时,速度大小为,故A正确;小球与弹簧接触的过程中,弹簧的弹力对小球做功,则小球机械能不守恒,故B错误;对整个过程,根据系统的机械能守恒可知,小球压缩弹簧至最短时,弹簧的弹性势能为mgh,故C错误;小球在压缩弹簧的过程中,弹簧弹力增大,则小球的加速度增大,故D错误。
10.A 设小环在A点的速度为v0,由机械能守恒定律得mv2=mgh+m,得v2=+2gh。由数学知识知,v2与h是线性关系,若v0=0,v2=2gh,图像为过原点的直线;若v0≠0,当h=0时,有纵截距,故A正确。
11.4 m/s 2 m/s
解析:忽略摩擦力和空气阻力作用,且在这一过程中运动员没有做其他动作,则运动员由A点到B点和由B点到C点的过程中,机械能均守恒,
由mghA-mghB=m,可得vB=4 m/s
由mghBC=m-m,可得vC=2 m/s。
12.(1)2.5R (2)6mg
解析:(1)小车恰能通过最高点C,则有mg=
解得vC=
由A运动到C,根据机械能守恒定律得
mgh=mg·2R+m
解得h=2.5R。
(2)由A运动到B,根据机械能守恒定律得
mgh=m
解得vB=
小车在B点,由牛顿第二定律得FN-mg=
解得FN=6mg
由牛顿第三定律可知,运动到B点时小车对轨道的压力大小为6mg。
3 / 34.机械能守恒定律
课标要求 素养目标
1.理解机械能守恒定律,体会守恒观念对认识物理规律的重要性。 2.能用机械能守恒定律分析生产生活中的有关问题 1.知道什么是机械能,理解机械能守恒定律的内容及条件。(物理观念) 2.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。(科学思维)
知识点一 追寻守恒量 动能与势能的相互转化
1.追寻守恒量
(1)如图所示,伽利略斜面小球实验的现象是无论倾角大些还是小些,小球总是能达到 。
(2)伽利略斜面小球实验引入的守恒量就是 。
2.动能与势能的相互转化
(1)动能与重力势能间的转化
只有重力做功时,若重力做正功,则重力势能转化为动能;若重力做负功,则动能转化为重力势能。
(2)动能与弹性势能间的转化
只有弹力做功时,若弹力做正功,则弹性势能转化为动能;若弹力做负功,则动能转化为弹性势能。
(3)机械能
、 与 都是机械运动中的能量形式,统称为机械能,即E=Ek+Ep。
知识点二 机械能守恒定律
1.内容:在只有 或 做功的物体系统内, 与 可以互相转化,而总的机械能保持不变。
2.表达式:m+mgh2=m+mgh1或Ek2+Ep2= 。
3.应用机械能守恒定律解决问题只需考虑运动的初状态和 ,不必考虑两个状态间过程的细节,即可以简化计算。
【情景思辨】
结合图中情景,判断下列说法的正误。(忽略空气阻力)
(1)如图甲所示,将箭搭在弦上,拉弓的整个过程,弓和箭组成的系统机械能守恒。( )
(2)如图乙所示,在动力作用下在轨道上缓慢上行的过山车机械能守恒。( )
(3)如图丙所示,蹦床比赛中,运动员(可视为质点)某次离开床垫在空中完成动作的过程,运动员机械能守恒。( )
(4)如图丁所示,滑草运动中,某段时间内人与滑板车一起匀速下滑,人与滑板车机械能守恒。( )
要点一 机械能守恒的判断
1.对机械能守恒条件的理解
(1)只有重力做功,只发生动能和重力势能的相互转化。
(2)只有系统内弹力做功,只发生动能和弹性势能的相互转化。
(3)只有重力和系统内弹力做功,只发生动能、弹性势能、重力势能的相互转化。
(4)除受重力和弹力外,其他力也做功,但其他力做功的代数和始终为零。
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)
(3)机械能的定义法
机械能等于动能与势能之和,若一个过程中动能不变,势能变化,则机械能不守恒,如匀速上升的物体机械能增加。
【典例1】 如图所示,下列关于机械能是否守恒的判断正确的是( )
A.图甲中,物体A将弹簧压缩的过程中,A机械能守恒
B.图乙中,A置于光滑水平面上,物体B沿光滑斜面下滑,物体B机械能守恒
C.图丙中,不计任何阻力和滑轮质量时A加速下落、B加速上升过程中,A、B系统机械能守恒
D.图丁中,系在橡皮条一端的小球向下摆动时,小球的机械能守恒
尝试解答
1.(多选)在下列几个实例中,机械能守恒的是( )
A.雨滴接近地面时匀速下落
B.铅球在空中飞行(空气阻力不计)
C.物块沿光滑固定斜面向上滑动
D.运载火箭携带卫星飞离地球
要点二 机械能守恒定律的应用
1.机械能守恒定律的不同表达式
项目 表达式 物理意义 说明
从守恒的 角度看 Ek1+Ep1=Ek2+Ep2或E初=E末 初状态的机械能等于末状态的机械能 必须先选参考平面
从转化 角度看 Ek2-Ek1=Ep1-Ep2或ΔEk=-ΔEp 过程中动能的增加量等于势能的减少量 不必选参考平面
从转移 角度看 EA2-EA1=EB1-EB2或ΔEA=-ΔEB 系统只有A、B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解题的一般步骤
(1)根据题意选取研究对象。
(2)明确研究对象的运动过程,分析研究对象在此过程中的受力情况,弄清各力做功的情况,判断机械能是否守恒。
(3)恰当地选取参考平面,确定研究对象在此过程中的初状态和末状态的机械能。
(4)根据机械能守恒定律的不同表达式列方程并求解。
【典例2】 如图所示,质量m=2 kg的小球用长L=1.05 m的轻质细绳悬挂在距水平地面高H=6.05 m的O点。现将细绳拉至水平状态,自A点无初速度释放小球,运动至悬点O的正下方B点时细绳恰好断裂(断裂瞬间小球无能量损失),接着小球做平抛运动,落至水平地面上C点。不计空气阻力,重力加速度g取10 m/s2。求:
(1)细绳能承受的最大拉力的大小;
(2)细绳断裂后小球在空中运动的时间;
(3)小球落地前瞬间速度的大小。
尝试解答
2.(多选)如图,一根轻弹簧下端固定,竖立在水平面上。其上方A位置有一小球,小球从静止开始下落到B位置接触弹簧的上端,在C位置小球所受弹力大小等于重力,在D位置小球速度减小到零。不计空气阻力,则小球( )
A.下落至C处速度最大
B.由A至D的过程中机械能守恒
C.由B至D的过程中,动能先增大后减小
D.由A运动到D时,重力势能的减少量等于弹簧弹性势能的增加量
3.如图所示,质量m=60 kg的运动员以6 m/s的速度从高h=8 m的滑雪场A点沿斜坡自由滑下,以最低点B所在平面为参考平面,g=10 m/s2,一切阻力可忽略不计。求:
(1)运动员在A点时的机械能;
(2)运动员到达最低点B时的速度大小;
(3)运动员继续沿斜坡向上运动能到达的最大高度。
1.如图所示,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.(2024·江苏苏州期末)如图,一质量为m的足球,以速度v由地面踢起,当它到达离地面高度为h的B点处(取B点处所在水平面为零势能参考平面)时,下列说法正确的是(重力加速度为g,不计空气阻力)( )
A.足球在B点处的重力势能为mgh
B.足球在B点处的动能为mgh
C.足球在B点处的机械能为mv2-mgh
D.足球在B点处的机械能为mv2
3.如图所示,质量为1 kg的小物块从倾角为30°、长为2 m的光滑固定斜面顶端由静止开始下滑,若选初始位置为参考平面,重力加速度g取10 m/s2,求它滑到斜面中点时具有的机械能和动能分别是多少。
4.如图所示,在竖直平面内有由圆弧AB和圆弧BC组成的光滑固定轨道,两者在最低点B平滑连接。AB弧的半径为R,BC弧的半径为。一小球在A点正上方与A相距处由静止开始自由下落,经A点沿圆弧轨道运动(不计空气阻力)。
(1)求小球在B、A两点的动能之比;
(2)通过计算判断小球能否沿轨道运动到C点。
4.机械能守恒定律
【基础知识·准落实】
知识点一
1.(1)同一高度 (2)能量 2.(3)重力势能 弹性势能 动能
知识点二
1.重力 弹力 动能 势能 2.Ek1+Ep1 3.末状态
情景思辨
(1)× (2)× (3)√ (4)×
【核心要点·快突破】
要点一
知识精研
【典例1】 C 若不计空气阻力,题图甲中只有重力和弹力做功,物体A和弹簧组成的系统机械能守恒,但物体A机械能不守恒,选项A错误;题图乙中物体B除受重力外,还受A的弹力,A的弹力对B做负功,物体B机械能不守恒,但A、B组成的系统机械能守恒,选项B错误;题图丙中绳子张力对A做负功,对B做正功,代数和为零,A、B系统机械能守恒,选项C正确;题图丁中小球的重力势能转化为小球的动能和橡皮条的弹性势能,小球的机械能不守恒,选项D错误。
素养训练
1.BC 雨滴接近地面时匀速下落,空气阻力做负功,机械能减小,故A错误;空气阻力不计,铅球在空中运动的过程中,只受到重力的作用,所以它的机械能守恒,故B正确;物块沿光滑固定斜面向上滑动,只有重力做功,物块的机械能守恒,故C正确;运载火箭携带卫星飞离地球的过程中,燃料对火箭做正功,机械能增大,故D错误。
要点二
知识精研
【典例2】 (1)60 N (2)1 s (3)11 m/s
解析:(1)根据机械能守恒定律得mgL=m,
由牛顿第二定律得F-mg=m。
故最大拉力F=3mg=60 N。
(2)细绳断裂后,小球做平抛运动,
且H-L=gt2,
解得t=1 s。
(3)整个过程,根据机械能守恒定律有
mgH=m,
解得vC=11 m/s。
素养训练
2.ACD 小球从B至C过程,重力大于弹力,合力向下,小球做加速运动,小球从C至D过程,重力小于弹力,合力向上,小球做减速运动,所以小球由B至D的过程中,动能先增大后减小,在C点动能最大,速度最大,故A、C正确;由A至B下落过程中小球只受重力,其机械能守恒,从B至D过程,小球和弹簧组成的系统机械能守恒,但小球的机械能不守恒,故B错误;在D位置小球速度减小到零,小球的动能为零,则从A运动到D时,小球重力势能的减少量等于弹簧弹性势能的增加量,故D正确。
3.(1)5 880 J (2)14 m/s (3)9.8 m
解析:(1)运动员在A点时的机械能
E=Ek+Ep=mv2+mgh=5 880 J。
(2)运动员从A运动到B的过程,根据机械能守恒定律得
E=m
解得vB=14 m/s。
(3)运动员从A运动到斜坡上最高点的过程,由机械能守恒定律得E=mghm
解得hm=9.8 m。
【教学效果·勤检测】
1.C 由A图可知,力F对物体做正功,机械能增加,不守恒,故A错误;由B图可知,力F做负功,机械能减小,故B错误;C图中物体斜面光滑,运动过程中只有重力做功,只有重力势能和动能的相互转化,机械能守恒,故C正确;D图中斜面粗糙,物体下滑中,摩擦力做负功,机械能减小,不守恒,故D错误。
2.C 取重力势能在B处为零势能参考平面,所以足球在B点处重力势能为零,故A错误;从A到B过程,由机械能守恒定律可得mv2-mgh=m,可得足球在B处的动能为EkB=m=mv2-mgh,故B错误;取B点处所在水平面为零势能参考平面,则足球在B点处的机械能为EB=EA=mv2-mgh,故C正确,D错误。
3.0 5 J
解析:物块的机械能等于物块动能和重力势能的总和,选初始位置为参考平面,则物块在初始位置的机械能E=0,
在运动的过程中只有重力做功,机械能守恒,所以物块滑到斜面中点时的机械能为0,
故有-mg×Lsin 30°+=0,
解得小物块滑到斜面中点时的动能是5 J。
4.(1)5∶1 (2)见解析
解析:(1)设小球的质量为m,小球在A点的动能为EkA,由机械能守恒定律得EkA=mg ①
设小球在B点的动能为EkB,同理有EkB=mg ②
由①②式得EkB∶EkA=5∶1。 ③
(2)若小球能沿轨道运动到C点,则小球在C点所受轨道的正压力FN应满足FN≥0 ④
设小球在C点的速度大小为vC,由牛顿第二定律有
FN+mg=m ⑤
由④⑤式得:vC应满足mg≤m ⑥
由机械能守恒定律得mg=m ⑦
由⑥⑦式可知,小球恰好可以沿轨道运动到C点。
4 / 4(共69张PPT)
4.机械能守恒定律
课标要求 素养目标
1.理解机械能守恒定律,
体会守恒观念对认识物理
规律的重要性。 2.能用机械能守恒定律分
析生产生活中的有关问题 1.知道什么是机械能,理解机械能守恒
定律的内容及条件。(物理观念)
2.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。(科学思维)
目 录
01.
基础知识·准落实
02.
核心要点·快突破
03.
教学效果·勤检测
04.
课时训练·提素能
基础知识·准落实
梳理归纳 自主学习
01
知识点一 追寻守恒量 动能与势能的相互转化
1. 追寻守恒量
(1)如图所示,伽利略斜面小球实验的现象是无论倾角大些还是
小些,小球总是能达到 。
(2)伽利略斜面小球实验引入的守恒量就是 。
同一高度
能量
2. 动能与势能的相互转化
(1)动能与重力势能间的转化
只有重力做功时,若重力做正功,则重力势能转化为动能;
若重力做负功,则动能转化为重力势能。
(2)动能与弹性势能间的转化
只有弹力做功时,若弹力做正功,则弹性势能转化为动能;
若弹力做负功,则动能转化为弹性势能。
(3)机械能
、 与 都是机械运动中的
能量形式,统称为机械能,即E=Ek+Ep。
重力势能
弹性势能
动能
知识点二 机械能守恒定律
1. 内容:在只有 或 做功的物体系统内,
与 可以互相转化,而总的机械能保持不变。
2. 表达式:m+mgh2=m+mgh1或Ek2+Ep2= 。
3. 应用机械能守恒定律解决问题只需考虑运动的初状态和
,不必考虑两个状态间过程的细节,即可以简化计算。
重力
弹力
动能
势能
Ek1+Ep1
末状
态
【情景思辨】
结合图中情景,判断下列说法的正误。(忽略空气阻力)
(1)如图甲所示,将箭搭在弦上,拉弓的整个过程,弓和箭组成的
系统机械能守恒。 ( × )
(2)如图乙所示,在动力作用下在轨道上缓慢上行的过山车机械能
守恒。 ( × )
×
×
(3)如图丙所示,蹦床比赛中,运动员(可视为质点)某次离开床
垫在空中完成动作的过程,运动员机械能守恒。 ( √ )
(4)如图丁所示,滑草运动中,某段时间内人与滑板车一起匀速下
滑,人与滑板车机械能守恒。 ( × )
√
×
核心要点·快突破
互动探究 深化认知
02
要点一 机械能守恒的判断
1. 对机械能守恒条件的理解
(1)只有重力做功,只发生动能和重力势能的相互转化。
(2)只有系统内弹力做功,只发生动能和弹性势能的相互转化。
(3)只有重力和系统内弹力做功,只发生动能、弹性势能、重力
势能的相互转化。
(4)除受重力和弹力外,其他力也做功,但其他力做功的代数和
始终为零。
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)
(3)机械能的定义法
机械能等于动能与势能之和,若一个过程中动能不变,势能
变化,则机械能不守恒,如匀速上升的物体机械能增加。
【典例1】 如图所示,下列关于机械能是否守恒的判断正确的是
( )
A. 图甲中,物体A将弹簧压缩的过程中,A机械能守恒
B. 图乙中,A置于光滑水平面上,物体B沿光滑斜面下滑,物体B机
械能守恒
C. 图丙中,不计任何阻力和滑轮质量时A加速下落、B加速上升过程
中,A、B系统机械能守恒
D. 图丁中,系在橡皮条一端的小球向下摆动时,小球的机械能守恒
解析:若不计空气阻力,题图甲中只有重力和弹力做功,物体A和弹
簧组成的系统机械能守恒,但物体A机械能不守恒,选项A错误;题
图乙中物体B除受重力外,还受A的弹力,A的弹力对B做负功,物体
B机械能不守恒,但A、B组成的系统机械能守恒,选项B错误;题图
丙中绳子张力对A做负功,对B做正功,代数和为零,A、B系统机械
能守恒,选项C正确;题图丁中小球的重力势能转化为小球的动能和
橡皮条的弹性势能,小球的机械能不守恒,选项D错误。
1. (多选)在下列几个实例中,机械能守恒的是( )
A. 雨滴接近地面时匀速下落
B. 铅球在空中飞行(空气阻力不计)
C. 物块沿光滑固定斜面向上滑动
D. 运载火箭携带卫星飞离地球
解析: 雨滴接近地面时匀速下落,空气阻力做负功,机械能
减小,故A错误;空气阻力不计,铅球在空中运动的过程中,只受
到重力的作用,所以它的机械能守恒,故B正确;物块沿光滑固定
斜面向上滑动,只有重力做功,物块的机械能守恒,故C正确;运
载火箭携带卫星飞离地球的过程中,燃料对火箭做正功,机械能增
大,故D错误。
要点二 机械能守恒定律的应用
项目 表达式 物理意义 说明
从守恒的角度看 Ek1+Ep1=Ek2+Ep2或E初=E末 初状态的机械能等于末状态的机械能 必须先选
参考平面
1. 机械能守恒定律的不同表达式
项目 表达式 物理意义 说明
从转化 角度看 Ek2-Ek1=Ep1-
Ep2或ΔEk=-ΔEp 过程中动能的增加量等于势能的减少量 不必选参
考平面
从转移 角度看 EA2-EA1=EB1-
EB2或ΔEA=-
ΔEB 系统只有A、B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解题的一般步骤
(1)根据题意选取研究对象。
(2)明确研究对象的运动过程,分析研究对象在此过程中的受力
情况,弄清各力做功的情况,判断机械能是否守恒。
(3)恰当地选取参考平面,确定研究对象在此过程中的初状态和
末状态的机械能。
(4)根据机械能守恒定律的不同表达式列方程并求解。
【典例2】 如图所示,质量m=2 kg的小球用长L=1.05 m的轻质细
绳悬挂在距水平地面高H=6.05 m的O点。现将细绳拉至水平状态,
自A点无初速度释放小球,运动至悬点O的正下方B点时细绳恰好断裂
(断裂瞬间小球无能量损失),接着小球做平抛运动,落至水平地面
上C点。不计空气阻力,重力加速度g取10 m/s2。求:
(1)细绳能承受的最大拉力的大小;
答案: 60 N
解析: 根据机械能守恒定律得mgL=m,
由牛顿第二定律得F-mg=m。
故最大拉力F=3mg=60 N。
(2)细绳断裂后小球在空中运动的时间;
答案: 1 s
解析:细绳断裂后,小球做平抛运动,
且H-L=gt2,
解得t=1 s。
(3)小球落地前瞬间速度的大小。
答案: 11 m/s
解析:整个过程,根据机械能守恒定律有
mgH=m,
解得vC=11 m/s。
2. (多选)如图,一根轻弹簧下端固定,竖立在水平面上。其上方A
位置有一小球,小球从静止开始下落到B位置接触弹簧的上端,在
C位置小球所受弹力大小等于重力,在D位置小球速度减小到零。
不计空气阻力,则小球( )
A. 下落至C处速度最大
B. 由A至D的过程中机械能守恒
C. 由B至D的过程中,动能先增大后减小
D. 由A运动到D时,重力势能的减少量等于弹簧弹性势能的增加量
解析: 小球从B至C过程,重力大于弹力,合力向下,小球
做加速运动,小球从C至D过程,重力小于弹力,合力向上,小球
做减速运动,所以小球由B至D的过程中,动能先增大后减小,在C
点动能最大,速度最大,故A、C正确;由A至B下落过程中小球只
受重力,其机械能守恒,从B至D过程,小球和弹簧组成的系统机
械能守恒,但小球的机械能不守恒,故B错误;在D位置小球速度
减小到零,小球的动能为零,则从A运动到D时,小球重力势能的
减少量等于弹簧弹性势能的增加量,故D正确。
3. 如图所示,质量m=60 kg的运动员以6 m/s的速度从高h=8 m的滑
雪场A点沿斜坡自由滑下,以最低点B所在平面为参考平面,g=10
m/s2,一切阻力可忽略不计。求:
(1)运动员在A点时的机械能;
答案: 5 880 J
解析: 运动员在A点时的机械能
E=Ek+Ep=mv2+mgh=5 880 J。
(2)运动员到达最低点B时的速度大小;
答案: 14 m/s
解析:运动员从A运动到B的过程,根据机械能守恒定律得E=
m
解得vB=14 m/s。
(3)运动员继续沿斜坡向上运动能到达的最大高度。
答案:9.8 m
解析:运动员从A运动到斜坡上最高点的过程,由机械能守恒
定律得E=mghm
解得hm=9.8 m。
教学效果·勤检测
强化技能 查缺补漏
03
1. 如图所示,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( )
解析: 由A图可知,力F对物体做正功,机械能增加,不守恒,
故A错误;由B图可知,力F做负功,机械能减小,故B错误;C图
中物体斜面光滑,运动过程中只有重力做功,只有重力势能和动能
的相互转化,机械能守恒,故C正确;D图中斜面粗糙,物体下滑
中,摩擦力做负功,机械能减小,不守恒,故D错误。
2. (2024·江苏苏州期末)如图,一质量为m的足球,以速度v由地面
踢起,当它到达离地面高度为h的B点处(取B点处所在水平面为零
势能参考平面)时,下列说法正确的是(重力加速度为g,不计空
气阻力)( )
A. 足球在B点处的重力势能为mgh
B. 足球在B点处的动能为mgh
C. 足球在B点处的机械能为mv2-mgh
D. 足球在B点处的机械能为mv2
解析: 取重力势能在B处为零势能参考平面,所以足球在B点处
重力势能为零,故A错误;从A到B过程,由机械能守恒定律可得
mv2-mgh=m,可得足球在B处的动能为EkB=m=mv2-
mgh,故B错误;取B点处所在水平面为零势能参考平面,则足球在
B点处的机械能为EB=EA=mv2-mgh,故C正确,D错误。
3. 如图所示,质量为1 kg的小物块从倾角为30°、长为2 m的光滑
固定斜面顶端由静止开始下滑,若选初始位置为参考平面,重
力加速度g取10 m/s2,求它滑到斜面中点时具有的机械能和动能
分别是多少。
答案:0 5 J
解析:物块的机械能等于物块动能和重力势能的总和,选初始位置
为参考平面,则物块在初始位置的机械能E=0,
在运动的过程中只有重力做功,机械能守恒,所以物块滑到斜面中
点时的机械能为0,
故有-mg×Lsin 30°+=0,
解得小物块滑到斜面中点时的动能是5 J。
4. 如图所示,在竖直平面内有由圆弧AB和圆弧BC组成的光滑固定
轨道,两者在最低点B平滑连接。AB弧的半径为R,BC弧的半径为
。一小球在A点正上方与A相距处由静止开始自由下落,经A点沿
圆弧轨道运动(不计空气阻力)。
(1)求小球在B、A两点的动能之比;
答案: 5∶1
解析: 设小球的质量为m,小球在A点的动能为EkA,由
机械能守恒定律得EkA=mg ①
设小球在B点的动能为EkB,同理有EkB=mg ②
由①②式得EkB∶EkA=5∶1。 ③
(2)通过计算判断小球能否沿轨道运动到C点。
答案:见解析
解析:若小球能沿轨道运动到C点,则小球在C点所受轨道的
正压力FN应满足FN≥0 ④
设小球在C点的速度大小为vC,由牛顿第二定律有
FN+mg=m ⑤
由④⑤式得:vC应满足mg≤m ⑥
由机械能守恒定律得mg=m ⑦
由⑥⑦式可知,小球恰好可以沿轨道运动到C点。
04
课时训练·提素能
分层达标 素养提升
要点一 机械能守恒的判断
1. (2024·江苏苏州期中)关于机械能守恒,下列说法正确的是
( )
A. 物体必须在只受重力作用的情况下,机械能才守恒
B. 物体做平抛运动时,机械能一定守恒
C. 合外力对物体做功为零时,机械能一定守恒
D. 人乘电梯减速上升的过程,人的机械能一定守恒
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解析: 只有重力或只有内部弹力做功的系统机械能守恒,除重
力外物体还受其他力,但其他力不做功或做功代数和为零,物体机
械能也可能守恒,故A错误;物体做平抛运动时只有重力做功,机
械能守恒,故B正确;合力对物体做功为零,机械能不一定守恒,
如在竖直方向匀速下落的物体合外力做功为零,但机械能减少,机
械能不守恒,故C错误;人乘电梯减速上升过程,支持力做正功,
机械能增加,故D错误。
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2. (多选)神舟号载人飞船从发射至返回的过程中,以下哪些阶段返
回舱的机械能是守恒的( )
A. 飞船升空的阶段
B. 只在地球引力作用下,返回舱沿椭圆轨道绕地球运行的阶段
C. 在大气层外,只在地球引力作用下,返回舱飞向地球的阶段
D. 临近地面时返回舱减速下降的阶段
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解析: 飞船升空的阶段,推力做正功,机械能增加,故A错
误;飞船在椭圆轨道上绕地球运行的阶段,只受重力作用,重力势
能和动能之和保持不变,故B正确;返回舱在大气层外向着地球做
无动力飞行阶段,只有重力做功,重力势能减小,动能增加,机械
能守恒,故C正确;降落伞张开后,返回舱下降的阶段,克服空气
阻力做功,机械能减小,故D错误。
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3. (多选)双锥体向“上”滚的迷你实验如图。在书脊上架两根筷子
作为轨道,把双锥体放在较低一端的轨道上,你会发现双锥体会向
“上”滚动。关于这一现象的分析正确的是( )
A. 双锥体滚动过程中,重心逐渐上升
B. 双锥体滚动过程中,重心逐渐下降
C. 调整使两根筷子平行,实验也可能成功
D. 将双锥体换成圆柱体,实验不可能成功
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解析: 双锥体滚动过程中,动能逐渐增加,则重力势能逐渐
减小,则重心逐渐下降,选项A错误,B正确;调整使两根筷子平
行,则双椎体若沿筷子滚动的话重力势能增加,则不可能向“上”
滚动,即实验不可能成功,选项C错误;将双锥体换成圆柱体,则
圆柱体若沿筷子滚动的话重力势能增加,机械能增加,这是不可能
的,即实验不可能成功,选项D正确。
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要点二 机械能守恒定律的应用
4. 如图所示,倾角为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
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解析: 由机械能守恒定律知,mg=mv2,又F=m,解得F=
mg,选项B正确。
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5. (多选)(2024·陕西西安期中)如图所示,半圆竖直轨道与水平
面平滑连接于B点,半圆轨道的圆心为O,半径为R,C为其最高
点。BD段为双轨道,D点以上只有内轨道,D点与圆心的连线与水
平方向夹角为θ,一小球从水平面上的A点以一定的初速度向右运
动,能沿圆弧轨道恰好到达C点。不计一切摩擦,则( )
A. 小球到达C点时速度为0
B. 小球到达C点后做平抛运动落在地面上
C. 小球在A点的初速度为
D. 小球在C点受轻微扰动后从左侧落下,落地时动能为2mgR
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解析: 小球恰好过圆弧轨道最高点C,由于下方有支持物,所
以过C点时速度为0,故A正确;小球过C点时速度为0,不能做平抛
运动,故B错误;A到C,由机械能守恒定律可得m=mg×2R,
解得vA=2,故C错误;从C到落地,由机械能守恒定律得mv2
=mg×2R,即落地时动能Ek=mv2=2mgR,故D正确。
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6. 如图,在地面上以初速度v0抛出质量为m的物体,抛出后物体落在
比地面低h的海平面上,重力加速度为g,若以地面为参考平面,且
不计空气阻力,则( )
A. 物体在海平面上的重力势能为mgh
B. 重力对物体做的功为-mgh
C. 物体在海平面上的动能为m+mgh
D. 物体在海平面上的机械能为m+mgh
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解析: 以地面为参考平面,海平面低于地面的高度为h,所以
物体在海平面上的重力势能为-mgh,故A错误;重力做功与路径
无关,与初、末位置的高度差有关,抛出点与海平面的高度差为
h,并且重力做正功,所以整个过程重力对物体做功为mgh,故B错
误;由动能定理得mgh=Ek2-m,则物体在海平面上的动能为
Ek2=m+mgh,故C正确;根据机械能守恒定律知,物体在海
平面上的机械能等于抛出时的机械能,为E=m,故D错误。
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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,则( )
A. h1=h2>h3 B. h1=h2<h3
C. h1=h3<h2 D. h1=h3>h2
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解析: 竖直上抛的物体和沿光滑斜面运动的物体,上升到最高
点时,速度均为0,由机械能守恒定律得mgh=m,所以h=
;斜上抛的物体在最高点速度不为零,设为v1,则mgh2=m
-m,所以h2<h1=h3,D正确。
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8. 如图是为了检验某种防护罩承受冲击力的装置的一部分,M是半径
为R=1.0 m、固定于竖直平面内的四分之一光滑圆弧轨道,轨道上
端切线水平,M的下端相切处放置竖直向上的弹簧枪,可发射速度
不同的质量m=0.01 kg的小钢球(可视为质点),假设某次发射的
小钢球沿轨道内侧恰好能经过M的上端点水平飞出,g取10 m/s2,
弹簧枪的长度不计,则发射该小钢球前,弹簧的弹性势能为
( )
A. 0.10 J B. 0.15 J
C. 0.20 J D. 0.25 J
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解析: 设小钢球在M轨道最高点的速度为v,在最高点,由题意
可得mg=m,从发射前到最高点,由机械能守恒定律有弹簧的弹
性势能Ep=mgR+mv2=0.15 J,选项B正确。
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9. 如图所示,光滑的曲面与光滑的水平面平滑相连,一轻弹簧右端固
定,质量为m的小球从高度为h处由静止下滑,重力加速度为g,弹
簧始终在弹性限度内,则( )
A. 小球与弹簧刚接触时,速度大小为
B. 小球与弹簧接触的过程中,小球机械能守恒
C. 小球压缩弹簧至最短时,弹簧的弹性势能为mgh
D. 小球在压缩弹簧的过程中,小球的加速度保持不变
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解析: 小球在曲面上滑下过程中,根据机械能守恒定律得mgh
=mv2,得v=,即小球与弹簧刚接触时,速度大小为
,故A正确;小球与弹簧接触的过程中,弹簧的弹力对小球
做功,则小球机械能不守恒,故B错误;对整个过程,根据系统的
机械能守恒可知,小球压缩弹簧至最短时,弹簧的弹性势能为
mgh,故C错误;小球在压缩弹簧的过程中,弹簧弹力增大,则小
球的加速度增大,故D错误。
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10. 如图所示,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,其线速度大小的二次
方v2随下落高度h变化的图像可能是下列选项中的( )
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解析: 设小环在A点的速度为v0,由机械能守恒定律得mv2=
mgh+m,得v2=+2gh。由数学知识知,v2与h是线性关
系,若v0=0,v2=2gh,图像为过原点的直线;若v0≠0,当h=0
时,有纵截距,故A正确。
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11. 如图所示,假设运动员从雪道的最高点A由静止开始滑下,不借助
其他器械,沿光滑的雪道到达跳台的B点时,速度为多少?当他落
到离B点竖直高度为10 m的雪地C点时,速度又是多少?(假设这
一过程中运动员没有做其他动作,忽略摩擦力和空气阻力,取重
力加速度g=10 m/s2)
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答案:4 m/s 2 m/s
解析:忽略摩擦力和空气阻力作用,且在这一过程中运动员没有
做其他动作,则运动员由A点到B点和由B点到C点的过程中,机械
能均守恒,
由mghA-mghB=m,可得vB=4 m/s
由mghBC=m-m,可得vC=2 m/s。
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12. 一个设计“过山车”的试验装置的原理示意图如图所示,斜面AB
与竖直面内的圆形轨道在B点平滑连接,斜面AB和圆形轨道都是
光滑的,圆形轨道半径为R,一个质量为m的小车(可视为质点)
在A点由静止释放沿斜面滑下,小车恰能通过圆形轨道的最高点
C。已知重力加速度为g。求:
(1)A点距水平面的高度h;
答案: 2.5R
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解析: 小车恰能通过最高点C,则有
mg=
解得vC=
由A运动到C,根据机械能守恒定律得
mgh=mg·2R+m
解得h=2.5R。
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(2)运动到B点时小车对轨道压力的大小。
答案: 6mg
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解析:由A运动到B,根据机械能守恒定律得
mgh=m
解得vB=
小车在B点,由牛顿第二定律得FN-mg=
解得FN=6mg
由牛顿第三定律可知,运动到B点时小车对轨道的压力大小
为6mg。
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