系统的机械能守恒定律专题Word文档格式.doc

系统的机械能守恒定律专题Word文档格式.doc

《系统的机械能守恒定律专题Word文档格式.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《系统的机械能守恒定律专题Word文档格式.doc（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

在前两种情况中，轻绳的拉力，斜面的弹力，轻杆产生的弹力做功，使机械能在相互作用的两物体间进行等量的转移，系统的机械能还是守恒的。

虽然弹簧的弹力也做功，但包括弹性势能在内的机械能也守恒。

但在第三种情况下，由于其它形式的能参与了机械能的转换，系统的机械能就不再守恒了。

归纳起来，系统的机械能守恒问题有以下四个题型：

（1）轻绳连体类

（2）轻杆连体类

（3）在水平面上可以自由移动的光滑圆弧类。

（4）悬点在水平面上可以自由移动的摆动类。

（1）轻绳连体类

这一类题目，系统除重力以外的其它力对系统不做功，系统内部的相互作用力是轻绳的拉力，而拉力只是使系统内部的机械能在相互作用的两个物体之间进行等量的转换，并没有其它形式的能参与机械能的转换，所以系统的机械能守恒。

例：

如图，倾角为q的光滑斜面上有一质量为M的物体，通过一根跨过定滑轮的细绳与质量为m的物体相连，开始时两物体均处于静止状态，且m离地面的高度为h，求它们开始运动后m着地时的速度？

分析：

对M、m和细绳所构成的系统，受到外界四个力的作用。

它们分别是：

M所受的重力Mg，m所受的重力mg，斜面对M的支持力N，滑轮对细绳的作用力F。

M、m的重力做功不会改变系统的机械能，支持力N垂直于M的运动方向对系统不做功，滑轮对细绳的作用力由于作用点没有位移也对系统不做功，所以满足系统机械能守恒的外部条件，系统内部的相互作用力是细绳的拉力，拉力做功只能使机械能在系统内部进行等量的转换也不会改变系统的机械能，故满足系统机械能守恒的外部条件。

在能量转化中，m的重力势能减小，动能增加，M的重力势能和动能都增加，用机械能的减少量等于增加量是解决为一类题的关键

可得

需要提醒的是，这一类的题目往往需要利用绳连物体的速度关系来确定两个物体的速度关系

例：

如图，光滑斜面的倾角为q，竖直的光滑细杆到定滑轮的距离为a，斜面上的物体M和穿过细杆的m通过跨过定滑轮的轻绳相连，开始保持两物体静止，连接m的轻绳处于水平状态，放手后两物体从静止开始运动，求m下降b时两物体的速度大小？

这一类题目，系统除重力以外的其它力对系统不做功，物体的重力做功不会改变系统的机械能，系统内部的相互作用力是轻杆的弹力，而弹力只是使系统内部的机械能在相互作用的两个物体之间进行等量的转换，并没有其它形式的能参与机械能的转换，所以系统的机械能守恒。

如图，质量均为m的两个小球固定在轻杆的端，轻杆可绕水平转轴在竖直平面内自由转动，两小球到轴的距离分别为L、2L，开始杆处于水平静止状态，放手后两球开始运动，求杆转动到竖直状态时，两球的速度大小

由轻杆和两个小球所构成的系统受到外界三个力的作用，即A球受到的重力、B球受到的重力、轴对杆的作用力。

两球受到的重力做功不会改变系统的机械能，轴对杆的作用力由于作用点没有位移而对系统不做功，所以满足系统机械能守恒的外部条件，系统内部的相互作用力是轻杆的弹力，弹力对A球做负功，对B球做正功，但这种做功只是使机械能在系统内部进行等量的转换也不会改变系统的机械能，故满足系统机械能守恒的外部条件。

在整个机械能当中，只有A的重力势能减小，A球的动能以及B球的动能和重力势能都增加，我们让减少的机械能等于增加的机械能。

有：

根据同轴转动，角速度相等可知

所以：

需要强调的是，这一类的题目要根据同轴转动，角速度相等来确定两球之间的速度关系

光滑的圆弧放在光滑的水平面上，不受任何水平外力的作用，物体在光滑的圆弧上滑动，这一类的题目，也符合系统机械能守恒的外部条件和内部条件，下面用具体的例子来说明

四分之一圆弧轨道的半径为R，质量为M，放在光滑的水平地面上，一质量为m的球（不计体积）从光滑圆弧轨道的顶端从静止滑下，求小球滑离轨道时两者的速度？

由圆弧和小球构成的系统受到三个力作用，分别是M、m受到的重力和地面的支持力。

m的重力做正功，但不改变系统的机械能，支持力的作用点在竖直方向上没有位移，也对系统不做功，所以满足系统机械能守恒的外部条件，系统内部的相互作用力是圆弧和球之间的弹力，弹力对m做负功，对M做正功，但这种做功只是使机械能在系统内部进行等量的转换，不会改变系统的机械能，故满足系统机械能守恒的外部条件。

在整个机械能当中，只有m的重力势能减小，m的动能以及M球的动能都增加，我们让减少的机械能等于增加的机械能。

根据动量守恒定律知

悬挂小球的细绳系在一个不受任何水平外力的物体上，当小球摆动时，物体能在水平面内自由移动，这一类的题目和在水平面内自由移动的光滑圆弧类形异而质同，同样符合系统机械能守恒的外部条件和内部条件，下面用具体的例子来说明

质量为M的小车放在光滑的天轨上，长为L的轻绳一端系在小车上另一端拴一质量为m的金属球，将小球拉开至轻绳处于水平状态由静止释放。

求

（1）小球摆动到最低点时两者的速度？

（2）此时小球受细绳的拉力是多少？

由小车和小球构成的系统受到三个力作用，分别是小车、小球所受到的重力和天轨的支持力。

小球的重力做正功，但重力做功不会改变系统的机械能，天轨的支持力，由于作用点在竖直方向上没有位移，也对系统不做功，所以满足系统机械能守恒的外部条件，系统内部的相互作用力是小车和小球之间轻绳的拉力，该拉力对小球做负功，使小球的机械能减少，对小车做正功，使小车的机械能增加，但这种做功只是使机械能在系统内部进行等量的转换，不会改变系统的机械能，故满足系统机械能守恒的外部条件。

在整个机械能当中，只有小球的重力势能减小，小球的动能以及小车的动能都增加，我们让减少的机械能等于增加的机械能。

根据动量守恒定律知

当小球运动到最低点时，受到竖直向上的拉力T和重力作用，根据向心力的公式

但要注意，公式中的v是m相对于悬点的速度，这一点是非常重要的

解得：

巩固练习

1、

如图所示，质量相等的甲、乙两小球从一光滑直角斜面的顶端同时由静止释放，甲小球沿斜面下滑经过a点，乙小球竖直下落经过b点，a、b两点在同一水平面上，不计空气阻力，下列说法中正确的是（　　）

A．甲小球在a点的速率等于乙小球在b点的速率

B．甲小球到达a点的时间等于乙小球到达b点的时间

C．甲小球在a点的机械能等于乙小球在b点的机械能（相对同一个零势能参考面）

D．甲小球在a点时重力的功率等于乙小球在b点时重力的功率

解析：

由机械能守恒得两小球到达a、b两处的速度大小相等，A、C正确；

设斜面的倾角为α，甲小球在斜面上运动的加速度为a＝gsinα，乙小球下落的加速度为a＝g，由t＝可知t甲＞t乙，B错误；

甲小球在a点时重力的功率P甲＝mgvsinα，乙小球在b点时重力的功率P乙＝mgv，D错误．

答案：

AC

2．

图5－3－16

一根质量为M的链条一半放在光滑的水平桌面上，另一半挂在桌边，如图5－3－16（a）所示．将链条由静止释放，链条刚离开桌面时的速度为v1.若在链条两端各系一个质量均为m的小球，把链条一半和一个小球放在光滑的水平桌面上，另一半和另一个小球挂在桌边，如图5－3－16（b）所示．再次将链条由静止释放，链条刚离开桌面时的速度为v2，下列判断中正确的是（　　）　

A．若M＝2m，则v1＝v2 B．若M＞2m，则v1＜v2

C．若M＜2m，则v1＞v2 D．不论M和m大小关系如何，均有v1＞v2

D

3.

图5－3－17

在奥运比赛项目中，高台跳水是我国运动员的强项．质量为m的跳水运动员进入水中后受到水的阻力而做减速运动，设水对他的阻力大小恒为F，那么在他减速下降高度为h的过程中，下列说法正确的是（g为当地的重力加速度）（　　）

A．他的动能减少了Fh B．他的重力势能增加了mgh

C．他的机械能减少了（F－mg）h D．他的机械能减少了Fh

由动能定理，ΔEk＝mgh－Fh，动能减少了Fh－mgh，A选项不正确；

他的重力势能减少了mgh，B选项错误；

他的机械能减少了ΔE＝Fh，C选项错误，D选项正确．

4．

图5－3－18

如图5－3－18所示，静止放在水平桌面上的纸带，其上有一质量为m＝0.1kg的铁块，它与纸带右端的距离为L＝0.5m，铁块与纸带间、纸带与桌面间动摩擦因数均为μ＝0.1.现用力F水平向左将纸带从铁块下抽出，当纸带全部抽出时铁块恰好到达桌面边缘，铁块抛出后落地点离抛出点的水平距离为s＝0.8m．已知g＝10m/s2，桌面高度为H＝0.8m，不计纸带质量，不计铁块大小，铁块不滚动．求：

（1）铁块抛出时速度大小；

（2）纸带从铁块下抽出所用时间t1；

（3）纸带抽出过程产生的内能E.

（1）水平方向：

s＝vt①竖直方向：

H＝gt2②由①②联立解得：

v＝2m/s.

（2）设铁块的加速度为a1，由牛顿第二定律，得μmg＝ma1③纸带抽出时，铁块的速度v＝a1t1④

③④联立解得t1＝2s.（3）铁块的位移s1＝a1t⑤设纸带的位移为s2；

由题意知，s2－s1＝L⑥

由功能关系可得E＝μmgs2＋μmg（s2－s1）⑦由③④⑤⑥⑦联立解得E＝0.3J.

（1）2m/s　

（2）2s　（3）0.3J

5.

图5－3－19

如图5－3－19所示为某同学设计的节能运输系统．斜面轨道的倾角为37°

，木箱与轨道之间的动摩擦因数μ＝0.25.设计要求：

木箱在轨道顶端时，自动装货装置将质量m＝2kg的货物装入木箱，木箱载着货物沿轨道无初速滑下，当轻弹簧被压缩至最短时，自动装货装置立刻将货物御下，然后木箱恰好被弹回到轨道顶端，接着再重复上述过程．若g取10m/s2，sin37°

＝0.6，cos37°

＝0.8.求：

（1）离开弹簧后，木箱沿轨道上滑的过程中的加速度大小；

（2）满足设计要求的木箱质量．

（1）设木箱质量为m′，对木箱的上滑过程，由牛顿第二定律有：

m′gsin37°

＋μm′gcos37°

＝m′a

代入数据解得：

a＝8m/s2.

（2）设木箱沿轨道下滑的最大距离为L，弹簧被压缩至最短时的弹性势能为Ep，根据能量守恒定律：

货物和木箱下滑过程中有：

（m′＋m）gsin37°

L＝μ（m′＋m）gcos37°

L＋Ep木箱上滑过程中有Ep＝m′gsin37°

L＋μm′gcos37°

L联立代入数据解得：

m′＝m＝2kg.答案：

（1）8m/s2　

（2）2kg

图5－3－20

1.如图5－3－20所示，一个质量为m的小铁块沿半径为R的固定半圆轨道上边缘由静止滑下，到半圆底部时，轨道所受压力为铁块重力的1.5倍，则此过程中铁块损失的机械能为（　　）

A.mgR B.mgR