《机械能守恒定律及其应用》高三专题复习.docx
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《机械能守恒定律及其应用》高三专题复习
机械能守恒定律及其应用
【基础知识梳理】
一、重力做功与重力势能
1.重力做功的特点
（1）重力做功与________无关，只与始末位置的__________有关．
（2）重力做功不引起物体__________的变化．
2.重力势能与弹性势能
二、机械能守恒定律
1.内容
在只有重力或弹力做功的情况下，物体的______与______相互转化，但机械能的总量保持______.
2.机械能守恒定律表达式
【热点难点例析】
考点一重力做功与重力势能
1.重力做功与重力势能变化的关系
（1）定性关系：
重力对物体做正功，重力势能就减小；重力对物体做负功，重力势能就增大.
（2）定量关系：
重力对物体做的功等于物体重力势能的减少量，即WG=-（Ep2-Ep1）=Ep1-Ep2.
（3）重力势能的变化是绝对的，与参考面的选取无关.
2.弹力做功与弹性势能变化的关系
（1）弹力做功与弹性势能变化的关系类似于重力做功与重力势能变化的关系，用公式表示：
W=-ΔEp.
（2）对于弹性势能，一般物体的弹性形变量越大,弹性势能越大.
【例1】将质量为100kg的物体从地面提升到10m高处,在这个过程中,下列说法中正确的是（取g=10m/s2）（）
A.重力做正功,重力势能增加1.0×104J
B.重力做正功,重力势能减少1.0×104J
C.重力做负功,重力势能增加1.0×104J
D.重力做负功,重力势能减少1.0×104J
考点二 机械能守恒的判断
1．机械能守恒的条件：
只有重力或系统内的弹力做功．
可以从以下两个方面理解：
（1）只受重力作用，例如在不考虑空气阻力的情况下的各种抛体运动，物体的机械能守恒．
（2）受其他力，但其他力不做功，只有重力或弹力做功．例如物体沿光滑的曲面下滑，受重力、曲面的支持力的作用，但曲面的支持力不做功，物体的机械能守恒．
2．判断方法
（1）当研究对象（除地球外）只有一个物体时，一般根据是否“只有重力（或弹簧弹力）做功”来判定机械能守恒．
（2）当研究对象（除地球外）由多个物体组成时，往往根据是否“没有介质阻力和摩擦力”来判定机械能守恒．
（3）注意以下几点：
①“只有重力（或弹簧弹力）做功”不等于“只受重力（或弹簧弹力）作用”；②势能具有相对性，一般以解决问题简便为原则选取零势能面；③与绳子突然绷紧、物体间碰撞等相关的问题，除题中说明无能量损失或弹性碰撞外，机械能一定不守恒．
【例2】如图所示，固定的倾斜光滑杆上套有一个质量为m的圆环，圆环与竖直放置的轻质弹簧一端相连，弹簧的另一端固定在地面上的A点，弹簧处于原长h.让圆环沿杆滑下，滑到杆的底端时速度为零．则在圆环下滑过程中（ ）．
A．圆环机械能守恒
B．弹簧的弹性势能先增大后减小
C．弹簧的弹性势能变化了mgh
考点三 机械能守恒定律的几种表达形式
1．守恒观点
（1）表达式：
Ek1＋Ep1＝Ek2＋Ep2或E1＝E2.
（2）意义：
系统初状态的机械能等于末状态的机械能．
（3）注意问题：
要先选取零势能参考平面，并且在整个过程中必须选取同一个零势能参考平面．
2．转化观点
（1）表达式：
ΔEk＝－ΔEp.
（2）意义：
系统（或物体）的机械能守恒时，系统增加（或减少）的动能等于系统减少（或增加）的势能．
（3）注意问题：
要明确势能的增加量或减少量，即势能的变化，可以不选取零势能参考平面．
3．转移观点
（1）表达式：
ΔEA增＝ΔEB减．
（2）意义：
若系统由A、B两部分组成，当系统的机械能守恒时，则A部分物体机械能的增加量等于B部分物体机械能的减少量．
（3）注意问题：
A部分机械能的增加量等于A末状态的机械能减初状态的机械能，而B部分机械能的减少量等于B初状态的机械能减末状态的机械能．
【例3】（2012·闸北区模拟）乒乓球上下振动,振动的幅度愈来愈小,关于乒乓球的机械能,下列说法中正确的是（）
A.机械能守恒
B.机械能减少
C.机械能增加
D.机械能有时增加,有时减少
【考点提升训练】
1.（2012·包头模拟）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.（2012·广州模拟）第16届亚运会于2010年11月12日至11月27日在广州举行．亚运会中的投掷链球、铅球、铁饼和标枪等体育比赛项目都是把物体斜向上抛出的运动，如图所示，这些物体从被抛出到落地的过程中（ ）．
A．物体的机械能先减小后增大
B．物体的机械能先增大后减小
C．物体的动能先增大后减小，重力势能先减小后增大
D．物体的动能先减小后增大，重力势能先增大后减小
3.在光滑水平面上有一物体，它的左端连接着一轻弹簧，弹簧的另一端固定在墙上，在力F作用下物体处于静止状态，当撤去力F后，物体将向右运动，在物体向右运动的过程中，下列说法正确的是（）
A.弹簧的弹性势能逐渐减少
B.弹簧的弹性势能逐渐增加
C.弹簧的弹性势能先增加后减少
D.弹簧的弹性势能先减少后增加
4．如图所示，A、B两球质量相等，A球用不能伸长的轻绳系于O点，B球用轻弹簧系于O′点，O与O′点在同一水平面上，分别将A、B球拉到与悬点等高处，使绳和轻弹簧均处于水平，弹簧处于自然状态，将两球分别由静止开始释放，当两球达到各自悬点的正下方时两球恰好仍处在同一水平面上，则（ ）．
A．两球到达各自悬点的正下方时，两球动能相等
B．两球到达各自悬点的正下方时，A球动能较大
C．两球到达各自悬点的正下方时，B球动能较大
D．两球到达各自悬点的正下方时，A球损失的重力势能较多
5．如图所示，将物体从一定高度水平抛出（不计空气阻力），物体运动过程中离地面高度为h时，物体水平位移为x、物体的机械能为E、物体的动能为Ek、物体运动的速度大小为v.以水平地面为零势能面．下列图像中，能正确反映各物理量与h的关系的是（ ）．
6．如图所示，一物体以速度v0冲向光滑斜面AB，并能沿斜面升高h，下列说法正确的是（ ）
A．若把斜面从C点锯断，由机械能守恒定律知，物体冲出C点后仍能升高h
B．若把斜面弯成如图所示的半圆弧形，物体仍能沿AB′升高h
C．若把斜面从C点锯断或弯成如图所示的半圆弧形，物体都不能升高h，因为物体的机械能不守恒
D．若把斜面从C点锯断或弯成如图所示的半圆弧形，物体都不能升高h，但物体的机械能仍守恒
7．如图所示，离水平地面一定
高处水平固定一内壁光滑的圆筒，筒内固定一轻质弹簧，弹簧处于自然长度．现将一小球从地面以某一初速度斜向上抛出，刚好能水平进入圆筒中，不计空气阻力．下列说法中正确的是（ ）
A．弹簧获得的最大弹性势能小于小球抛出时的动能
B．小球从抛出到将弹簧压缩到最短的过程中小球的机械能守恒
C．小球抛出的初速度大小仅与圆筒离地面的高度有关
D．小球从抛出点运动到圆筒口的时间与小球抛出时的角度无关
8某空降兵从飞机上跳下，他从跳离飞机到落地的过程中沿竖直方向运动的v-t图象如图所示，则下列说法正确的是（）
A.0～10s内空降兵和伞整体所受重力大于空气阻力
B.第10s末空降兵打开降落伞，此后做匀减速运动至第15s末
C.10～15s内空降兵竖直方向的加速度方向向上，大小在逐渐减小
D.15s后空降兵保持匀速下落，此过程中机械能守恒
9如图所示，劲度系数为k的轻质弹簧，一端系在竖直放置的半径为R的圆环顶点P，另一端系一质量为m的小球，小球穿在圆环上做无摩擦的运动.设开始时小球置于A点，弹簧处于自然状态，当小球运动到最低点时速率为v,对圆环恰好没有压力.下列分析正确的是（）
A.从A到B的过程中，小球的机械能守恒
B.从A到B的过程中，小球的机械能减少
C.小球过B点时，弹簧的弹力为
D.小球过B点时，弹簧的弹力为
10.如图所示，一根不可伸长的轻绳两端各系一个小球a和b，跨在两根固定在同一高度的光滑水平细杆C和D上，质量为ma的a球置于地面上，质量为mb的b球从水平位置静止释放.当b球摆过的角度为90°时，a球对地面压力刚好为零，下列结论正确的是（）
A.ma∶mb=3∶1
B.ma∶mb=2∶1
C.若只将细杆D水平向左移动少许，则当b球摆过的角度为小于90°的某值时，a球对地面的压力刚好为零
D.若只将细杆D水平向左移动少许，则当b球摆过的角度仍为90°时，a球对地面的压力刚好为零
、11.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的压力都恰好为零，试求CD段的长度.
12.（2012·十堰模拟））如图所示，粗糙弧形轨道和两个光滑半圆轨道组成翘尾巴的S形轨道.光滑半圆轨道半径为R，两个光滑半圆轨道连接处CD之间留有很小空隙，刚好能够使小球通过，CD之间距离可忽略.粗糙弧形轨道最高点A与水平面上B点之间的高度为h.从A点静止释放一个可视为质点的小球，小球沿翘尾巴的S形轨道运动后从E点水平飞出，落到水平地面上，落点到与E点在同一竖直线上B点的距离为s.已知小球质量m，不计空气阻力，求：
（1）小球从E点水平飞出时的速度大小；
（2）小球运动到半圆轨道的B点时对轨道的压力；
（3）小球沿翘尾巴S形轨道运动时克服摩擦力做的功.
【高考零距离】
【2012年】
1.（2012上海）16．如图，可视为质点的小球A、B用不可伸长的细软轻线连接，跨过固定在地面上半径为R有光滑圆柱，A的质量为B的两倍。
当B位于地面时，A恰与圆柱轴心等高。
将A由静止释放，B上升的最大高度是（）
（A）2R（B）5R/3（C）4R/3（D）2R/3
2.（2012广东）17图4是滑道压力测试的示意图，光滑圆弧轨道与光滑斜面相切，滑道底部B处安装一个压力传感器，其示数N表示该处所受压力的大小，某滑块从斜面上不同高度h处由静止下滑，通过B是，下列表述正确的有
A.N小于滑块重力
B.N大于滑块重力
C.N越大表明h越大
D.N越大表明h越小
3.（2012北京）如图所示，质量为m的小物块在粗糙水平桌面上做直线运动，经距离l后以速度v飞离桌面，最终落在水平地面上。
已知l=1.4m，v=3.0m/s，m=0.10kg，物块与桌面间的动摩擦因数u=0.25，桌面高h=0.45m.。
不计空气阻力，重力加速度取10m/s2。
求
（1）小物块落地点距飞出点的水平距离s；
（2）小物块落地时的动能EK；
（3）小物块的初速度大小v0。
4.（2012浙江）18、由光滑细管组成的轨道如图所示，其中AB段是半径为R的四分之一圆弧，轨道固定在竖直平面内。
一质量为m的小球，从距离水平地面高为H的管口D处静止释放，最后能够从A端水平抛出落到地面上。
下列说法正确的是
A.小球落到地面相对于A点的水平位移值为
B.小球落到地面相对于A点的水平位移值为
C.小球能从细管A端水平抛出的条件是H>2R
D.小球能从细管A端水平抛出的最小高度Hmin=
5.（2012福建）17.如图，表面光滑的固定斜面顶端安装一定滑轮，小物块A、B用轻绳连接并跨过滑轮（不计滑轮的质量和摩擦）。
初始时刻，A、B处于同一高度并恰好静止状态。
剪断轻绳后A下落、B沿斜面下滑，则从剪断轻绳到物块着地，两物块
A．速率的变化量不同
B．机械能的变化量不同
C．重力势能的变化量相同
D．重力做功的平均功率相同
6（2012海南）15.如图，在竖直平面内有一固定光滑轨道，其中AB是长为R的水平直轨道，BCD是圆心为O、半径为R的
圆弧轨道，两轨道相切于B点.在外力作用下，一小球从A点由静止开始做匀加速直线运动，到达B点时撤除外力.已知小球刚好能沿圆轨道经过最高点C，重力加速度大小为g.求
（1）小球在AB段运动的加速度的大小;
（2）小球从D点运动到A点所用的时间.
【2011年-2010年】
1（2011·新课标全国卷·T16）一蹦极运动员身系弹性蹦极绳从水面上方的高台下落，到最低点时距水面还有数米距离。
假定空气阻力可忽略，运动员可视为质点，下列说法正确的是
A.运动员到达最低点前重力势能始终减小
B.蹦极绳张紧后的下落过程中，弹性力做负功，弹性势能增加
C.蹦极过程中，运动员、地球和蹦极绳所组成的系统机械能守恒
D.蹦极过程中，重力势能的改变与重力势能零点的选取有关
2.（2011·北京高考·T22）如图所示，长度为
的轻绳上端固定在O点，下端系一质量为m的小球（小球的大小可以忽略）。
（1）在水平拉力F的作用下，轻绳与竖直方向的夹角为
，
小球保持静止，画出此时小球的受力图，并求力F的大小;
（2）由图示位置无初速度释放小球，求当小球通过最低点
时的速度大小及轻绳对小球的拉力。
不计空气阻力。
3.（2011·天津理综·T10）如图所示，圆管构成的半圆形轨道竖直固定在水平地面上，轨道半径为R，MN为直径且与水平面垂直，直径略小于圆管内径的小球A以某一速度冲进轨道，到达半圆轨道最高点M时与静止于该处的质量与A相同的小球B发生碰撞，碰后两球粘在一起飞出轨道，落地点距N为2R，重力加速度为g，忽略圆管内径，空气阻力及各处摩擦均不计，求
（1）
粘合后的两球从飞出轨道到落地的时间t；
（2）小球A冲进轨道时速度v的大小。
4.（2011·福建理综·T21）如图为某种鱼饵自动投放器中的投饵管装置示意图，其下半部AB是一长为2R的竖直细管，上半部BC是半径为R的四分之一圆弧弯管，管口沿水平方向，AB管内有一原长为R、下端固定的轻质弹簧。
投饵时，每次总将弹簧长度压缩到0.5R后锁定，在弹簧上端放置一粒鱼饵，解除锁定，弹簧可将鱼饵弹射出去。
设质量为m的鱼饵到达管口C时，对管壁的作用力恰好为零。
不计鱼饵在运动过程中的机械能损失，且锁定和解除锁定时，均不改变弹簧的弹性势能。
已知重力加速度为g。
求：
（1）质量为m的鱼饵到达管口C时的速度大小
;
（2）弹簧压缩到0.5R时的弹性势能
;
（3）已知地面与水面相距1.5R，若使该投饵管绕AB管的中轴线
在
角的范围内来回缓慢转动，每次弹射时只放置一粒鱼饵，鱼饵的质量在
到m之间变化，且均能落到水面。
持续投放足够长时间后，鱼饵能够落到水面的最大面积S是多少？
5.（2010·安徽卷）14.伽利略曾设计如图所示的一个实验，将摆球拉至M点放开，摆球会达到同一水平高度上的N点。
如果在E或F处钉子，摆球将沿不同的圆弧达到同一高度的对应点；反过来，如果让摆球从这些点下落，它同样会达到原水平高度上的M点。
这个实验可以说明，物体由静止开始沿不同倾角的光滑斜面（或弧线）下滑时，其末速度的大小
A.只与斜面的倾角有关
B.只与斜面的长度有关
C.只与下滑的高度有关
D.只与物体的质量有关
6.（2010·福建卷）17、如图（甲）所示，质量不计的弹簧竖直固定在水平面上，t=0时刻，将一金属小球从弹簧正上方某一高度处由静止释放，小球落到弹簧上压缩弹簧到最低点，然后又被弹起离开弹簧，上升到一定高度后再下落，如此反复。
通过安装在弹簧下端的压力传感器，测出这一过程弹簧弹力F随时间t变化的图像如图（乙）所示，则
A.
时刻小球动能最大
B.
时刻小球动能最大
C.
~
这段时间内，小球的动能先增加后减少
D.
~
这段时间内，小球增加的动能等于弹簧减少的弹性势能
7.（2010·安徽卷）24.（20分）如图，ABD为竖直平面内的光滑绝缘轨道，其中AB段是水平的，BD段为半径R=0.2m的半圆，两段轨道相切于B点，整个轨道处在竖直向下的匀强电场中，场强大小E=5.0×103V/m。
一不带电的绝缘小球甲，以速度υ0沿水平轨道向右运动，与静止在B点带正电的小球乙发生弹性碰撞。
已知甲、乙两球的质量均为m=1.0×10-2kg，乙所带电荷量q=2.0×10-5C，g取10m/s2。
（水平轨道足够长，甲、乙两球可视为质点，整个运动过程无电荷转移）
（1）甲乙两球碰撞后，乙恰能通过轨道的最高点D，求乙在轨道上的首次落点到B点的距离；
（2）在满足
（1）的条件下。
求的甲的速度υ0；
（3）若甲仍以速度υ0向右运动，增大甲的质量，保持乙的质量不变，求乙在轨道上的首次落点到B点的距离范围。
8.（2010·全国卷2）24.（15）如图，MNP为整直面内一固定轨道，其圆弧段MN与水平段NP相切于N、P端固定一竖直挡板。
M相对于N的高度为h，NP长度为s.一木块自M端从静止开始沿轨道下滑，与挡板发生一次完全弹性碰撞后停止在水平轨道上某处。
若在MN段的摩擦可忽略不计，物块与NP段轨道间的滑动摩擦因数为μ，求物块停止的地方与N点距离的可能值。
9.（2010·上海物理）30.（10分）如图，ABC和ABD为两个光滑固定轨道，A、B、E在同一水平面，C、D、E在同一竖直线上，D点距水平面的高度h，C点高度为2h，一滑块从A点以初速度
分别沿两轨道滑行到C或D处后水平抛出。
（1）求滑块落到水平面时，落点与E点间的距离
和
.
（2）为实现
＜
，
应满足什么条件？
10.（2010·江苏卷）14.（16分）在游乐节目中，选手需要借助悬挂在高处的绳飞越到水面的浮台上，小明和小阳观看后对此进行了讨论。
如图所示，他们将选手简化为质量m=60kg的指点，选手抓住绳由静止开始摆动，此事绳与竖直方向夹角
=
，绳的悬挂点O距水面的高度为H=3m.不考虑空气阻力和绳的质量，浮台露出水面的高度不计，水足够深。
取中立加速度
，
，
（1）求选手摆到最低点时对绳拉力的大小F；
（2）若绳长l=2m,选手摆到最高点时松手落入手中。
设水碓选手的平均浮力
，平均阻力
，求选手落入水中的深度
；
（3）若选手摆到最低点时松手，小明认为绳越长，在浮台上的落点距岸边越远；小阳认为绳越短，落点距岸边越远，请通过推算说明你的观点。
11.（2010·福建卷）22.（20分）如图所示，物体A放在足够长的木板B上，木板B静止于水平面。
t=0时，电动机通过水平细绳以恒力F拉木板B，使它做初速度为零，加速度aB=1.0m/s2的匀加速直线运动。
已知A的质量mA和B的质量mg均为2.0kg,A、B之间的动摩擦因数
=0.05，B与水平面之间的动摩擦因数
=0.1，最大静摩擦力与滑动摩擦力大小视为相等，重力加速度g取10m/s2。
求
（1）物体A刚运动时的加速度aA
（2）t=1.0s时，电动机的输出功率P；
（3）若t=1.0s时，将电动机的输出功率立即调整为P`=5W，并在以后的运动过程中始终保持这一功率不变，t=3.8s时物体A的速度为1.2m/s。
则在t=1.0s到t=3.8s这段时间内木板B的位移为多少？
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