突破25 连接体物体系统的机械能守恒-2019高三物理一轮微专题系列之热点专题突破

突破25 连接体物体系统的机械能守恒-2019高三物理一轮微专题系列之热点专题突破

突破25 连接体物体系统的机械能守恒 两个或两个以上的物体通过细绳或轻杆或弹簧联系在一起，系统仅在重力作用下运动，对系统中某一个物体来说机械能不守恒，但整个系统与外界无能量交换，机械能仅在系统内物体间转移或转化，所以系统机械能守恒。‎ 一、系统机械能守恒的常用表达式 ‎1．系统势能(包括重力势能和弹性势能)减少多少，动能就增加多少，反之亦然，即ΔEp＝－ΔEk。‎ ‎2．系统内某一部分机械能减少多少，另一部分机械能就增加多少，即ΔE1＝－ΔE2。‎ ‎3．对于连接体，一般用两个物体的机械能变化量大小相等列方程解答。‎ 二、常见类型 ‎1. 绳连接的物体系统机械能守恒 如图所示的两物体组成的系统，释放B而使A、B运动的过程中，A、B的速度均沿绳子方向，在相等时间内A、B运动的路程相等，A、B的速率也相等。但有些问题中两物体的速率并不相等，这时就需要先进行运动的合成与分解找出两物体运动速度之间的关系。‎ ‎2. 弹簧连接的物体系统机械能守恒 由弹簧相连的物体系统，在运动过程中既有重力做功又有弹簧弹力做功，这时系统内物体的动能、重力势能和弹簧弹性势能相互转化或转移，而总的机械能守恒。‎ 求解这类问题时，首先，以弹簧遵循的胡克定律为分析问题的突破口：弹簧伸长或缩短时产生的弹力的大小遵循F＝kx和ΔF＝kΔx。其次，以弹簧的弹力做功为分析问题的突破口：弹簧发生形变时，具有一定的弹性势能。弹簧的弹性势能与弹簧的劲度系数、形变量有关，一般不用计算弹性势能的大小，弹簧的形变量相同的时候弹性势能相同，通过运算可以约去。当题目中始、末都不是弹簧原长时，要注意始、末弹力的大小与方向时刻要与当时的形变相对应，即伸长量或压缩量，而力的位移就可能是两次形变量之和或之差。‎ ‎3. 杆连接的物体系统机械能守恒　‎ 如图所示的两物体组成的系统，释放后A、B在竖直平面内绕过O点的轴转动，且A、B的角速度相等。‎ ‎【典例1】如图所示，跨过同一高度处的定滑轮的细线连接着质量相同的物体A和B，A套在光滑水平杆上，定滑轮离水平杆的高度h＝0.2 m，开始时让连着A的细线与水平杆的夹角θ1＝37°，由静止释放B，当细线与水平杆的夹角θ2＝53°时，A的速度为多大？在以后的运动过程中，A 所获得的最大速度为多大？(设B不会碰到水平杆，sin 37°＝0.6，sin 53°＝0.8，取g＝10 m/s2)‎ ‎【答案】　1.1 m/s　1.6 m/s 其中h2＝－h 代入数据解得vAm≈1.6 m/s。‎ ‎【典例2】如图所示，长为‎3L的轻杆ab可绕水平轴O自由转动，Oa＝2Ob，杆的上端固定一质量为m的小球(可视为质点)，质量为M的正方体物块静止在水平面上，不计一切摩擦阻力。开始时，轻杆竖直且右侧紧靠着正方体物块，由于轻微的扰动，杆逆时针转动，带动物块向右运动，当杆转过60°角时杆与物块恰好分离。重力加速度为g，当杆与物块分离时，下列说法正确的是 (　　) ‎ A．小球的速度大小为 B．小球的速度大小为 C．物块的速度大小为 D．物块的速度大小为 ‎【答案】　BD ‎【解析】　设轻杆的a端(小球)、b端、物块的速度分别为va、vb、vM。根据系统的机械能守恒得 mg·‎2L(1－cos 60°)＝mva2＋MvM2，‎ a端与b端的角速度相等，由v＝rω，得va＝2vb。‎ b端的线速度沿水平方向的分速度等于物块的速度，‎ 即vbcos 60°＝vM，所以vb＝2vM，va＝4vM，‎ 联立以上各式解得va＝ ，vM＝ 。‎ ‎【典例3】如图所示，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 (　　) ‎ 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 ‎【答案】AB　‎ ‎【跟踪短训】‎ ‎1. 如图所示，物体A的质量为M，圆环B的质量为m，通过绳子连接在一起，圆环套在光滑的竖直杆上，开始时连接圆环的绳子处于水平，长度l＝‎4 m，现从静止释放圆环。不计定滑轮和空气的阻力，g取‎10 m/s2，若圆环下降h＝‎3 m时的速度v＝‎5 m/s，则A和B的质量关系为(　　)‎ A.＝　　　B.＝ C.＝ D.＝ ‎【答案】：A　‎ ‎【解析】：圆环下降‎3 m后的速度可以按如图所示分解，‎ ‎2. 如图所示，质量分别为m和2m的两个小球A和B，中间用轻质杆相连，在杆的中点O处有一固定转动轴，把杆置于水平位置后释放，在B球顺时针摆动到最低位置的过程中(不计一切摩擦)(　　)‎ A．B球的重力势能减少，动能增加，B球和地球组成的系统机械能守恒 B．A球的重力势能增加，动能也增加，A球和地球组成的系统机械能不守恒 C．A球、B球和地球组成的系统机械能守恒 D．A球、B球和地球组成的系统机械能不守恒 ‎【答案】BC　‎ ‎【解析】A球在上摆过程中，重力势能增加，动能也增加，机械能增加，B项正确；由于A球、B球和地球组成的系统只有重力做功，故系统的机械能守恒，C项正确，D项错误；所以B球和地球组成系统的机械能一定减少，A项错误。‎ ‎3. 如图所示，在倾角θ＝30°的光滑固定斜面上，放有两个质量分别为1 kg和2‎ ‎ kg的可视为质点的球A和B，两球之间用一根长L＝0.2 m的轻杆相连，球B距水平面的高度h＝0.1 m。两球从静止开始下滑到光滑地面上，不计球与地面碰撞时的机械能损失，g取10 m/s2。则下列说法中正确的是(　　)‎ A．下滑的整个过程中球A机械能守恒 B．下滑的整个过程中两球组成的系统机械能不守恒 C．两球在光滑水平面上运动时的速度大小为2 m/s D．下滑的整个过程中球B机械能的增加量为 J ‎【答案】D ‎4. 如图，滑块a、b的质量均为m，a套在固定竖直杆上，与光滑水平地面相距h，b放在地面上。a、b通过铰链用刚性轻杆连接，由静止开始运动。不计摩擦，a、b可视为质点，重力加速度大小为g。则(　　)‎ A．a落地前，轻杆对b一直做正功 B．a落地时速度大小为 C．a下落过程中，其加速度大小始终不大于g ‎ D．a落地前，当a的机械能最小时，b对地面的压力大小为mg ‎【答案】　BD ‎【解析】　由题意知，系统机械能守恒。设某时刻a、b的速度分别为va、vb。此时刚性轻杆与竖直杆的夹角为θ，分别将va、vb分解，如图。‎ 因为刚性杆不可伸长，所以沿杆的分速度v∥与v∥′是相等的，即vacos θ＝vb sin θ。当a滑至地面时θ＝90°，此时vb＝0，由系统机械能守恒得mgh＝mva2，解得va＝，选项B正确；同时由于b初、末速度均为零，运动过程中其动能先增大后减小，即杆对b先做正功后做负功，选项A错误；杆对b的作用先是推力后是拉力，对a则先是阻力后是动力，即a的加速度在受到杆的向下的拉力作用时大于g，选项C错误；b的动能最大时，杆对a、b的作用力为零，此时a的机械能最小，b只受重力和支持力，所以b对地面的压力大小为mg，选项D正确。‎ ‎5. 如图，小球套在光滑的竖直杆上，轻弹簧一端固定于O点，另一端与小球相连。现将小球从M点由静止释放，它在下降的过程中经过了N点。已知在M、N两点处，弹簧对小球的弹力大小相等，且∠ONM<∠OMN<。在小球从M点运动到N点的过程中(　　)‎ A．弹力对小球先做正功后做负功 B．有两个时刻小球的加速度等于重力加速度 C．弹簧长度最短时，弹力对小球做功的功率为零 D．小球到达N点时的动能等于其在M、N两点的重力势能差 ‎【答案】BCD ‎6. 如图所示，一轻弹簧左端固定在长木板M的左端，右端与小木块m连接，且m与M及M与地面间接触光滑，开始时，m和M均静止，现同时对m、M施加等大反向的水平恒力F1和F2，从两物体开始运动以后的整个运动过程中，弹簧形变不超过其弹性限度。对于m、M和弹簧组成的系统，下列说法正确的是(　　)‎ A．由于F1、F2等大反向，故系统机械能守恒 B．当弹簧弹力大小与F1、F2大小相等时，m、M各自的动能最大，此时系统机械能最大 C．在运动的过程中，m、M动能的变化量加上弹簧弹性势能的变化量等于F1、F2做功的代数和 D．在运动过程中m的最大速度一定大于M的最大速度 ‎【答案】C ‎7. 如图所示，一个半径为R的半球形碗固定在桌面上，碗口水平，O点为其圆心，碗的内表面及碗口是光滑的。一根足够长的轻质细线跨在碗口上，线的两端分别系有小球A和B(可视为质点)，当它们处于平衡状态时，A球与O点的连线与水平线的夹角为60°。‎ ‎ (1)求A球与B球的质量比mA∶mB。‎ ‎(2)现将A球质量改为‎2m，B球质量改为m，且开始时A球位于碗口右端的C点，由静止沿碗下滑。当A球滑到碗底时，求两球总的重力势能改变量的大小。‎ ‎(3)在(2)的条件下，当A球滑到碗底时，求B球的速度大小。‎ ‎【答案】　(1)∶1　(2)(2－)mgR　(3) ‎【解析】　(1)设碗的内表面对A球的支持力为FN，细线中拉力为FT，由平衡条件得FNcos 60°＝FTcos 60°‎ FNsin 60°＋FTsin 60°＝mAg FT＝mBg 联立各式，解得：＝。‎ ‎(2)两球总的重力势能的减少量：‎ ΔEp＝2mg·R－mg·R＝(2－)mgR。‎ ‎(3)对系统由机械能守恒定律得，‎ ‎(2－)mgR＝mAvA2＋mBvB2‎ 其中vAcos 45°＝vB 解得：vB＝ 。‎ ‎8. 如图所示，A、B两小球由绕过轻质定滑轮的细线相连，A放在固定的光滑斜面上，B、C两小球在竖直方向上通过劲度系数为k的轻质弹簧相连，C球放在水平地面上。现用手控制住A，并使细线刚刚拉直但无拉力作用，并保证滑轮左侧细线竖直、右侧细线与斜面平行。已知A的质量为4m，B、C的质量均为m，重力加速度为g，细线与滑轮之间的摩擦不计。开始时整个系统处于静止状态；释放A后，A沿斜面下滑至速度最大时，C恰好离开地面。求：‎ ‎(1)斜面的倾角α；‎ ‎(2)A获得的最大速度vm。‎ ‎【答案】　(1)30°　(2)2g