2019-2020学年鲁教版高一物理必修2课时同步练习卷：势能及其改变

势能及其改变
一、选择题
1.(6分)(多选)物体在某一运动过程中,重力对它做了40 J的负功,下列说法中正确的是 (　　)
A.物体的高度一定升高了
B.物体的重力势能一定减少了40 J
C.物体重力势能的改变量不一定等于40 J
D.物体克服重力做了40 J的功
2.(6分)如图所示,物体A的质量为m,A的上端连接一个轻弹簧,原长为L0,劲度系数为k,整个系统置于水平地面上,现将弹簧上端B缓慢地竖直向上提起,B点上移距离为L,此时物体A也已经离开地面,则下列说法中正确的是
(　　)

A.提弹簧的力对系统做功为mgL
B.物体A的重力势能增加mgL
C.物体A的重力势能增加mg(L-L0)
D.物体A的重力势能增加mg(L-)
3.(6分)如图所示,在水平地面上平铺着n块砖,每块砖的质量为m,厚度为h。如果工人将砖一块一块地叠放起来,那么工人至少做功 (　　)

A.n(n-1)mgh　　　 B.n(n-1)mgh
C.n(n+1)mgh D.n(n+1)mgh
4.关于重力势能的几种理解,正确的是　 (　　)
A.重力势能等于零的物体,一定不会对别的物体做功
B.放在地面上的物体,它的重力势能一定为零
C.在不同的高度将某一物体抛出,且落地点在同一水平面上,落地时重力势能相等
D.相对不同的参考平面,物体具有不同数值的重力势能,并影响重力势能变化的研究
5.如图所示,小明玩蹦蹦杆,在小明将蹦蹦杆中的弹簧向下压缩的过程中,小明的重力势能、弹簧的弹性势能的变化是 (　　)

A.重力势能减少,弹性势能增加
B.重力势能增加,弹性势能减少
C.重力势能减少,弹性势能减少
D.重力势能不变,弹性势能增加
6.如图所示,质量不计的弹簧一端固定在地面上,弹簧竖直放置,将一小球从距弹簧自由端高度分别为h1、h2的地方先后由静止释放,h1>h2,小球触到弹簧后向下运动压缩弹簧,从开始释放小球到获得最大速度的过程中,小球重力势能的减少量ΔE1、ΔE2的关系及弹簧弹性势能的增加量ΔEp1、ΔEp2的关系中,正确的一组是 (　　)

A.ΔE1=ΔE2,ΔEp1=ΔEp2
B.ΔE1>ΔE2,ΔEp1=ΔEp2
C.ΔE1=ΔE2,ΔEp1>Δ
D.ΔE1>ΔE2,ΔEp1>ΔEp2
7.一物体以初速度v竖直向上抛出,做竖直上抛运动,则物体的重力势能—路程图像应是四个图中的 (　　)

8.如图所示,某物块分别沿三条不同的轨道由离地面高h的A点滑到同一水平面上,轨道1、2是光滑的,轨道3是粗糙的,则 (　　)

A.沿轨道1滑下重力做功多
B.沿轨道2滑下重力做功多
C.沿轨道3滑下重力做功多
D.沿三条轨道滑下重力做功一样多
9.图中虚线是一跳水运动员在跳水过程中其重心运动的轨迹,则从起跳至入水的过程中,该运动员的重力势能 (　　)

A.一直减小　　　　　 B.一直增大
C.先增大后减小 D.先减小后增大
10.如图所示,倾角θ=30°的粗糙斜面固定在地面上,长为l、质量为m、粗细均匀、质量分布均匀的软绳置于斜面上,其上端与斜面顶端齐平,用细线将物块与软绳连接,物块由静止释放后向下运动,直到软绳刚好全部离开斜面(此时物块未到达地面),在此过程中 (　　)

A.软绳重力势能共减少了mgl
B.软绳重力势能共增加了mgl
C.软绳重力势能共减少了mgl
D.软绳重力势能共增加了mgl
二、计算题(要有必要的文字说明和解题步骤,有数值计算的要标明单位)
11.(10分)在水平地面上放一个竖直轻弹簧,弹簧上端与一个质量为m的木块相连,若在木块上再作用一个竖直向下的力F,使木块缓慢向下移动h,力F做功W1,此时木块再次处于平衡状态,如图所示。求:

(1)在木块下移h的过程中重力势能的减少量。
(2)在木块下移h的过程中弹性势能的增加量。
12.(14分)如图所示,一质量为m、半径为r、体积为V的铁球,用一细线拴住,慢慢地放入横截面积为S、深度为h的水中。已知水的密度为ρ,求铁球从刚与水面接触至与杯底接触的过程中,水与铁球的重力势能分别变化了多少,水与铁球组成的系统的总重力势能变化了多少。

13.在竖直平面内有一个半径为R的圆弧形轨道,一个质量为m的小物块从轨道最高点A由静止滑下,到达最低点B时恰好又静止,如图所示。

(1)物体在下滑过程中受到哪些力的作用?
(2)对物块做功的力各是什么力?其中重力做功为多少?
(3)物体由A到B,其重力势能变化了多少?如何变化?
14.(22分)如图所示,有一质量为m、长为L的均匀金属链条,一半长度在光滑斜面上,斜面倾角为θ,另一半长度沿竖直方向下垂在空中,当链条从静止开始释放后链条滑动,以斜面顶点为重力势能零点,求:

(1)开始时和链条刚好从右侧面全部滑出斜面时重力势能各多大?
(2)此过程中重力做了多少功。
15.如图所示,圆柱形水箱高为5 m,容积为50 m3,水箱底部接通水管A,顶部接通水管B。开始时箱中无水,若仅使用A管或仅使用B管慢慢地将水注入,直到箱中水满为止,试计算两种情况下外界各需做多少功。(设需注入的水开始时均与箱底等高,g取10 m/s2)




答案解析
一、选择题
1.(6分)(多选)物体在某一运动过程中,重力对它做了40 J的负功,下列说法中正确的是 (　　)
A.物体的高度一定升高了
B.物体的重力势能一定减少了40 J
C.物体重力势能的改变量不一定等于40 J
D.物体克服重力做了40 J的功
【解析】选A、D。重力做负功,物体位移的方向与重力方向之间的夹角一定大于90°,所以物体的高度一定升高了,A正确;由于WG=-ΔEp,故ΔEp=-WG=40 J,所以物体的重力势能增加了40 J,B、C错误;重力做负功又可以说成是物体克服重力做功,D正确。
2.(6分)如图所示,物体A的质量为m,A的上端连接一个轻弹簧,原长为L0,劲度系数为k,整个系统置于水平地面上,现将弹簧上端B缓慢地竖直向上提起,B点上移距离为L,此时物体A也已经离开地面,则下列说法中正确的是
(　　)

A.提弹簧的力对系统做功为mgL
B.物体A的重力势能增加mgL
C.物体A的重力势能增加mg(L-L0)
D.物体A的重力势能增加mg(L-)
【解析】选D。将弹簧上端B缓慢地竖直向上提起,由于开始时有支持力,故拉力先小于mg,物体离地后等于mg,拉力的位移为L,故提弹簧的力对系统做功小于mgL,故A错误;B点上移距离为L,弹簧伸长量为ΔL=,故A上升的高度为L-ΔL,所以A的重力势能增加mg(L-),故B、C错误,D正确。
3.(6分)如图所示,在水平地面上平铺着n块砖,每块砖的质量为m,厚度为h。如果工人将砖一块一块地叠放起来,那么工人至少做功 (　　)

A.n(n-1)mgh　　　 B.n(n-1)mgh
C.n(n+1)mgh D.n(n+1)mgh
【解析】选B。取n块砖的整体为研究对象,叠放起来后整体的重心距地面nh,原来的重心距地面h,故有W=ΔEp=nmg×nh-nmg×h=n(n-1)mgh,B正确。
4.关于重力势能的几种理解,正确的是　 (　　)
A.重力势能等于零的物体,一定不会对别的物体做功
B.放在地面上的物体,它的重力势能一定为零
C.在不同的高度将某一物体抛出,且落地点在同一水平面上,落地时重力势能相等
D.相对不同的参考平面,物体具有不同数值的重力势能,并影响重力势能变化的研究
【解析】选C。一个物体能不能对外做功,和它所具有重力势能的多少无关,A错。如果不选择地面为零势能面,放在地面上的物体的重力势能一定不为零,B错。一旦参考平面确定后,同一物体在某一水平面上的重力势能就确定了,故C正确。重力势能的变化与高度差有关,与参考平面的选择无关,D错误。
5.如图所示,小明玩蹦蹦杆,在小明将蹦蹦杆中的弹簧向下压缩的过程中,小明的重力势能、弹簧的弹性势能的变化是 (　　)

A.重力势能减少,弹性势能增加
B.重力势能增加,弹性势能减少
C.重力势能减少,弹性势能减少
D.重力势能不变,弹性势能增加
【解析】选A。弹簧向下压缩的过程中,弹簧压缩量增大,弹性势能增加;重力做正功,重力势能减少,则A正确,B、C、D错误。
6.如图所示,质量不计的弹簧一端固定在地面上,弹簧竖直放置,将一小球从距弹簧自由端高度分别为h1、h2的地方先后由静止释放,h1>h2,小球触到弹簧后向下运动压缩弹簧,从开始释放小球到获得最大速度的过程中,小球重力势能的减少量ΔE1、ΔE2的关系及弹簧弹性势能的增加量ΔEp1、ΔEp2的关系中,正确的一组是 (　　)

A.ΔE1=ΔE2,ΔEp1=ΔEp2
B.ΔE1>ΔE2,ΔEp1=ΔEp2
C.ΔE1=ΔE2,ΔEp1>Δ
D.ΔE1>ΔE2,ΔEp1>ΔEp2
【解析】选B。小球速度最大的条件是弹力等于重力,两种情况下,对应于同一位置,则ΔEp1=ΔEp2,由于h1>h2,所以ΔE1>ΔE2,则B正确,A、C、D错误。
7.一物体以初速度v竖直向上抛出,做竖直上抛运动,则物体的重力势能—路程图像应是四个图中的 (　　)

【解析】选A。以抛出点为零势能点,则上升阶段路程为s时,克服重力做功mgs,重力势能Ep=mgs,即重力势能与路程s成正比;下降阶段,物体距抛出点的高度h=2h0-s,其中h0为上升的最大高度,故重力势能Ep=mgh=2mgh0-mgs,故下降阶段,随着路程s的增大,重力势能线性减小,则A正确,B、C、D错误。
8.如图所示,某物块分别沿三条不同的轨道由离地面高h的A点滑到同一水平面上,轨道1、2是光滑的,轨道3是粗糙的,则 (　　)

A.沿轨道1滑下重力做功多
B.沿轨道2滑下重力做功多
C.沿轨道3滑下重力做功多
D.沿三条轨道滑下重力做功一样多
【解析】选D。重力做功的大小仅取决于物体的初、末位置,跟物体运动的路径以及物体是否受其他力作用都无关,则D正确,A、B、C错误。
9.图中虚线是一跳水运动员在跳水过程中其重心运动的轨迹,则从起跳至入水的过程中,该运动员的重力势能 (　　)

A.一直减小　　　　　 B.一直增大
C.先增大后减小 D.先减小后增大
【解析】选C。运动员从起跳至入水的过程中,其重心位置先升高后降低,重力先做负功后做正功,其重力势能先增大后减小,则C正确,A、B、D错误。
10.如图所示,倾角θ=30°的粗糙斜面固定在地面上,长为l、质量为m、粗细均匀、质量分布均匀的软绳置于斜面上,其上端与斜面顶端齐平,用细线将物块与软绳连接,物块由静止释放后向下运动,直到软绳刚好全部离开斜面(此时物块未到达地面),在此过程中 (　　)

A.软绳重力势能共减少了mgl
B.软绳重力势能共增加了mgl
C.软绳重力势能共减少了mgl
D.软绳重力势能共增加了mgl
【解析】选C。选斜面顶端所在水平面为参考平面,则初位置软绳的重力势能Ep1=-mglsinθ,末位置软绳的重力势能Ep2=-mg,重力势能变化为Ep2-Ep1=-mgl,软绳重力势能减少了mgl,选项C正确。
二、计算题(要有必要的文字说明和解题步骤,有数值计算的要标明单位)
11.(10分)在水平地面上放一个竖直轻弹簧,弹簧上端与一个质量为m的木块相连,若在木块上再作用一个竖直向下的力F,使木块缓慢向下移动h,力F做功W1,此时木块再次处于平衡状态,如图所示。求:

(1)在木块下移h的过程中重力势能的减少量。
(2)在木块下移h的过程中弹性势能的增加量。
【解析】(1)根据重力做功与重力势能变化的关系有
ΔEp减=WG=mgh
(2)根据弹力做功与弹性势能变化的关系得ΔEp增′=-W弹,
又因木块缓慢下移,力F与重力mg的合力与弹力等大、反向,
所以W弹=-W1-WG=-W1-mgh
所以弹性势能增量ΔEp增′=W1+mgh
答案:(1)mgh　(2)W1+mgh
12.(14分)如图所示,一质量为m、半径为r、体积为V的铁球,用一细线拴住,慢慢地放入横截面积为S、深度为h的水中。已知水的密度为ρ,求铁球从刚与水面接触至与杯底接触的过程中,水与铁球的重力势能分别变化了多少,水与铁球组成的系统的总重力势能变化了多少。

【解析】铁球下落到杯底的过程中,铁球重力势能的变化ΔEp1=-mgh,即重力势能减少了mgh。
此过程水面上升了Δh,因为上升的水的体积等于铁球的体积,所以有S·Δh=V,Δh=,上升的水的质量
Δm=ρV,故水的重力势能增加了
ΔEp2=Δmg(h+)-Δmgr=ρVg(h+-r)。
水与铁球组成的系统的总重力势能变化了
ΔEp=ΔEp1+ΔEp2=-mgh+ρgV (h+-r)。
答案:见解析
13.在竖直平面内有一个半径为R的圆弧形轨道,一个质量为m的小物块从轨道最高点A由静止滑下,到达最低点B时恰好又静止,如图所示。

(1)物体在下滑过程中受到哪些力的作用?
(2)对物块做功的力各是什么力?其中重力做功为多少?
(3)物体由A到B,其重力势能变化了多少?如何变化?
【解析】(1)物块在下滑过程中受重力mg,轨道对物块的支持力N及滑动摩擦力f的作用,其中重力mg始终竖直向下,为恒力,而支持力N和滑动摩擦力f为变力。
(2)物块高度降低,重力做正功,支持力始终沿半径指向轨道的圆心O,与物块的运动方向垂直,因此不做功,滑动摩擦力与物块运动方向相反做负功,其中重力做功WG=mgR。
(3)由于物体所受重力做正功WG=mgR,则由WG=-ΔEp得ΔEp=-mgR=EpB-EpA,即重力势能减少了mgR。
答案:(1)重力、支持力、滑动摩擦力
(2)重力做正功、支持力不做功、滑动摩擦力做负功　mgR
(3)mgR　重力势能减少
14.(22分)如图所示,有一质量为m、长为L的均匀金属链条,一半长度在光滑斜面上,斜面倾角为θ,另一半长度沿竖直方向下垂在空中,当链条从静止开始释放后链条滑动,以斜面顶点为重力势能零点,求:

(1)开始时和链条刚好从右侧面全部滑出斜面时重力势能各多大?
(2)此过程中重力做了多少功。
【解析】(1)开始时,左边一半链条重力势能为
Ep1=-·sin θ,
右边一半的重力势能
Ep2=-·;
左右两部分总的重力势能为
Ep=Ep1+Ep2=-mgL(sin θ+1)
链条从右侧刚好全部滑出时,重力势能为
Ep′=-mgL
(2)此过程重力势能减少了
ΔEp=Ep-Ep′=mgL(3-sinθ),
故重力做的功为
WG=mgL(3-sin θ)
答案:(1)-mgL(1+sinθ)　-mgL
(2)mgL(3-sin θ)
【总结提升】求重力势能及重力势能变化的思路
(1)要选择某一高度作为参考平面,确定出物体相对参考面的高度值,物体在参考面上方,高度为正,在下方,高度为负。
(2)根据重力势能的表达式Ep=mgh求出物体的重力势能,最后代入ΔEp=Ep2-Ep1求重力势能的变化量,ΔEp>0,表示重力势能增加,ΔEp<0,表示重力势能减少。
15.如图所示,圆柱形水箱高为5 m,容积为50 m3,水箱底部接通水管A,顶部接通水管B。开始时箱中无水,若仅使用A管或仅使用B管慢慢地将水注入,直到箱中水满为止,试计算两种情况下外界各需做多少功。(设需注入的水开始时均与箱底等高,g取10 m/s2)

【解析】以H表示水箱的高度。水若从A管注入,整箱水的重心升高,外界做功W1=mg·=ρVg·=103×50×10× J=1.25×106 J。水若从B管注入,整箱水应先升高到H的箱顶处,故外界做的功W2=2W1=2×1.25×106 J=2.5×106 J。
答案:1.25×106 J　2.5×106 J