高考物理一轮教案：机械能守恒定律及其应用

高考物理一轮教案：机械能守恒定律及其应用

‎ ‎ ‎2011届高三物理一轮教案机械能守恒定律及其应用 教学目标：‎ 理解和掌握机械能守恒定律，能熟练地运用机械能守恒定律解决实际问题 教学重点：机械能守恒定律的应用 教学难点：判断被研究对象在经历的研究过程中机械能是否守恒，在应用时要找准始末状态的机械能 教学方法：复习、讨论、总结、巩固练习、计算机辅助教学 教学过程：‎ 一、机械能守恒定律 ‎1．机械能守恒定律的两种表述 ‎（1）在只有重力做功的情形下，物体的动能和重力势能发生相互转化，但机械能的总量保持不变。‎ ‎（2）如果没有摩擦和介质阻力，物体只发生动能和重力势能的相互转化时，机械能的总量保持不变。‎ ‎2．对机械能守恒定律的理解：‎ ‎（1）机械能守恒定律的研究对象一定是系统，至少包括地球在内。通常我们说“小球的机械能守恒”其实一定也就包括地球在内，因为重力势能就是小球和地球所共有的。另外小球的动能中所用的v，也是相对于地面的速度。‎ ‎（2）当研究对象（除地球以外）只有一个物体时，往往根据是否“只有重力做功”来判定机械能是否守恒；当研究对象（除地球以外）由多个物体组成时，往往根据是否“没有摩擦和介质阻力”来判定机械能是否守恒。‎ ‎（3）“只有重力做功”不等于“只受重力作用”。在该过程中，物体可以受其它力的作用，只要这些力不做功，或所做功的代数和为零，就可以认为是“只有重力做功”。‎ ‎3．对机械能守恒条件的认识 如果没有摩擦和介质阻力，物体只发生动能和势能的相互转化时，机械能的总量保持不变，这就是机械能守恒定律．没有摩擦和介质阻力，这是守恒条件．‎ - 9 -‎ ‎ ‎ 具体的讲，如果一个物理过程只有重力做功，是重力势能和动能之间发生相互转化，没有与其它形式的能发生转化，物体的动能和重力势能总和保持不变．如果只有弹簧的弹力做功，弹簧与物体这一系统，弹性势能与动能之间发生相互转化，不与其它形式的能发生转化，所以弹性势能和动能总和保持不变．分析一个物理过程是不是满足机械能守恒，关键是分析这一过程中有哪些力参与了做功，这一力做功是什么形式的能转化成什么形式的能．如果只是动能和势能的相互转化，而没有与其它形式的能发生转化，则机械能总和不变．如果没有力做功，不发生能的转化，机械能当然也不发生变化．‎ ‎【例1】 如图物块和斜面都是光滑的，物块从静止沿斜面下滑过程中，物块机械能是否守恒？系统机械能是否守恒？‎ ‎ ‎ 解：以物块和斜面系统为研究对象，很明显物块下滑过程中系统不受摩擦和介质阻力，故系统机械能守恒。又由水平方向系统动量守恒可以得知：斜面将向左运动，即斜面的机械能将增大，故物块的机械能一定将减少。‎ 点评：有些同学一看本题说的是光滑斜面，容易错认为物块本身机械能就守恒。这里要提醒两条：⑴由于斜面本身要向左滑动，所以斜面对物块的弹力N和物块的实际位移s的方向已经不再垂直，弹力要对物块做负功，对物块来说已经不再满足“只有重力做功”的条件。⑵由于水平方向系统动量守恒，斜面一定会向右运动，其动能也只能是由物块的机械能转移而来，所以物块的机械能必然减少。‎ ‎4．机械能守恒定律的各种表达形式 ‎（1），即；‎ ‎（2）；； ‎ 点评：用（1）时，需要规定重力势能的参考平面。用（2）时则不必规定重力势能的参考平面，因为重力势能的改变量与参考平面的选取没有关系。尤其是用，只要把增加的机械能和减少的机械能都写出来，方程自然就列出来了。‎ ‎5．解题步骤 ‎⑴确定研究对象和研究过程。‎ ‎⑵判断机械能是否守恒。‎ ‎⑶选定一种表达式，列式求解。‎ ‎4．应用举例 A B O ‎【例2】如图所示，质量分别为2 m和3m的两个小球固定在一根直角尺的两端A、B，直角尺的顶点O处有光滑的固定转动轴。AO、BO的长分别为2L和L - 9 -‎ ‎ ‎ ‎。开始时直角尺的AO部分处于水平位置而B在O的正下方。让该系统由静止开始自由转动，求：⑴当A到达最低点时，A小球的速度大小v；⑵ B球能上升的最大高度h；⑶开始转动后B球可能达到的最大速度vm。‎ 解析：以直角尺和两小球组成的系统为对象，由于转动过程不受摩擦和介质阻力，所以该系统的机械能守恒。‎ ‎⑴过程中A的重力势能减少， A、B的动能和B的重力势能增加，A的即时速度总是B的2倍。，解得 v1/2‎ A B O v1‎ O A B α B O θ α θ A ‎⑴ ⑵ ⑶‎ ‎⑵B球不可能到达O的正上方，它到达最大高度时速度一定为零，设该位置比OA竖直位置向左偏了α角。2mgž2Lcosα=3mgžL（1+sinα），此式可化简为4cosα-3sinα=3，利用三角公式可解得sin（53°-α）=sin37°，α=16°‎ ‎⑶B球速度最大时就是系统动能最大时，而系统动能增大等于系统重力做的功WG。设OA从开始转过θ角时B球速度最大，‎ ‎=2mgž2Lsinθ-3mgžL（1-cosθ）‎ ‎=mgL（4sinθ+3cosθ-3）≤2mgžL，解得 点评：本题如果用EP+EK= EP＇+EK＇这种表达形式，就需要规定重力势能的参考平面，显然比较烦琐。用就要简洁得多。下面再看一道例题。‎ ‎【例3】 如图所示，半径为的光滑半圆上有两个小球，质量分别为，由细线挂着，今由静止开始无初速度自由释放，求小球升至最高点时两球的速度？‎ - 9 -‎ ‎ ‎ 解析：球沿半圆弧运动，绳长不变，两球通过的路程相等，上升的高度为；球下降的高度为；对于系统，由机械能守恒定律得：‎ ‎ ；‎ ‎【例4】如图所示，均匀铁链长为，平放在距离地面高为的光滑水平面上，其长度的悬垂于桌面下，从静止开始释放铁链，求铁链下端刚要着地时的速度？‎ 解析：‎ 方法1、选取地面为零势能面：‎ 方法2、桌面为零势能面：‎ 解得：‎ 点评：零势能面选取不同，所列出的表达式不同，虽然最后解得的结果是一样的，但解方程时的简易程度是不同的，从本例可以看出，方法二较为简捷。因此，灵活、准确地选取零势能面，往往会给题目的求解带来方便。‎ 本题用也可以求解，但不如用EP+EK= EP＇+EK＇简便，同学们可以自己试一下。因此，选用哪一种表达形式，要具体题目具体分析。‎ 二、机械能守恒定律的综合应用 K ‎【例5】 如图所示，粗细均匀的U形管内装有总长为4L的水。开始时阀门K闭合，左右支管内水面高度差为L。打开阀门K后，左右水面刚好相平时左管液面的速度是多大？（管的内部横截面很小，摩擦阻力忽略不计）‎ - 9 -‎ ‎ ‎ 解析：由于不考虑摩擦阻力，故整个水柱的机械能守恒。从初始状态到左右支管水面相平为止，相当于有长L/2的水柱由左管移到右管。系统的重力势能减少，动能增加。该过程中，整个水柱势能的减少量等效于高L/2的水柱降低L/2重力势能的减少。不妨设水柱总质量为8m，则，得。‎ 点评：本题在应用机械能守恒定律时仍然是用 建立方程，在计算系统重力势能变化时用了等效方法。需要注意的是：研究对象仍然是整个水柱，到两个支管水面相平时，整个水柱中的每一小部分的速率都是相同的。‎ ‎【例6】如图所示，游乐列车由许多节车厢组成。列车全长为L，圆形轨道半径为R，（R远大于一节车厢的高度h和长度l，但L>2πR）.已知列车的车轮是卡在导轨上的光滑槽中只能使列车沿着圆周运动，在轨道的任何地方都不能脱轨。试问：在没有任何动力的情况下，列车在水平轨道上应具有多大初速度v0，才能使列车通过圆形轨道而运动到右边的水平轨道上？‎ 解析：当游乐车灌满整个圆形轨道时，游乐车的速度最小，设此时速度为v，游乐车的质量为m，则据机械能守恒定律得：‎ 要游乐车能通过圆形轨道，则必有v>0，所以有 ‎【例7】 质量为0.02 kg的小球，用细线拴着吊在沿直线行驶着的汽车顶棚上，在汽车 距车站15 m处开始刹车，在刹车过程中，拴球的细线与竖直方向夹角θ＝37°保持不变，如图所示，汽车到车站恰好停住.求：‎ ‎ （1）开始刹车时汽车的速度；‎ ‎ （2）汽车在到站停住以后，拴小球细线的最大拉力。（取g＝10 m／s2，sin37°＝0.6，cos37°＝0.8）‎ - 9 -‎ ‎ ‎ 解析：（1）小球受力分析如图 因为F合=mgtanθ=ma 所以a=gtanθ=10× m/s2=7.5 m/s2‎ 对汽车，由 v02=2as 得v0== m/s=15 （m/s） ‎ ‎（2）小球摆到最低点时，拉力最大，设为T，绳长设为l 根据机械能守恒定律，有mg（l-lcosθ）=mv2 ‎ 在最低点，有T-mg=m， ‎ T = mg+2mg（1一cosθ），‎ 代人数值解得T＝0.28 N ‎【例8】 如图所示，一根长为，可绕轴在竖直平面内无摩擦转动的细杆，已知，质量相等的两个球分别固定在杆的端，由水平位置自由释放，求轻杆转到竖直位置时两球的速度？‎ 解析：球在同一杆上具有相同的角速度，，组成一个系统，系统重力势能的改变量等于动能的增加量，选取水平位置为零势能面，则：‎ - 9 -‎ ‎ ‎ ‎　　　　　　‎ 解得：‎ ‎【例9】 小球在外力作用下，由静止开始从A点出发做匀加速直线运动，到B点时消除外力。然后，小球冲上竖直平面内半径为R的光滑半圆环，恰能维持在圆环上做圆周运动，到达最高点C后抛出，最后落回到原来的出发点A处，如图所示，试求小球在AB段运动的加速度为多大？‎ 解析：要题的物理过程可分三段：从A到孤匀加速直线运动过程；从B沿圆环运动到C的圆周运动，且注意恰能维持在圆环上做圆周运动，在最高点满足重力全部用来提供向心力；从C回到A的平抛运动。‎ 根据题意，在C点时，满足 ‎①‎ 从B到C过程，由机械能守恒定律得 ‎②‎ 由①、②式得 从C回到A过程，满足③‎ - 9 -‎ ‎ ‎ 水平位移s=vt，④‎ 由③、④式可得s=2R 从A到B过程，满足⑤‎ ‎∴‎ ‎【例10】如图所示，半径分别为R和r的甲、乙两个光滑的圆形轨道安置在同一竖直平面上，轨道之间有一条水平轨道CD相通，一小球以一定的速度先滑上甲轨道，通过动摩擦因数为μ的CD段，又滑上乙轨道，最后离开两圆轨道。若小球在两圆轨道的最高点对轨道压力都恰好为零，试求水平CD段的长度。‎ ‎ 解析：（1）小球在光滑圆轨道上滑行时，机械能守恒，设小球滑过C点时的速度为，通过甲环最高点速度为v′，根据小球对最高点压力为零，由圆周运动公式有 ‎①‎ 取轨道最低点为零势能点，由机械守恒定律 ‎②‎ 由①、②两式消去v′，可得 同理可得小球滑过D点时的速度，设CD段的长度为l，对小球滑过CD段过程应用动能定理 ‎，‎ - 9 -‎ ‎ ‎ 将、代入，‎ 可得 - 9 -‎