河南省重點高中2022年高考物理學法綜合復習-機械能及其守恒定律能量守恒定律

機械能及其守恒定律能量守恒定律1.機械能是否守恒的判斷機械能守恒是有條件的，它適用的條件就是“系統(tǒng)內(nèi)只有重力或彈力做功，發(fā)生動能和勢能的相互轉(zhuǎn)化”，做題時一定要仔細審題，看準題中的系統(tǒng)在哪？并判斷是否發(fā)生了動能和勢能的相互轉(zhuǎn)化。例題1.如圖1所示，一物體在直立彈簧的上方處下落，然后又被彈回，若不計空氣阻力，則下列說法中正確的是.物體在任何時刻的機械能都跟初始時刻的機械能相等.物體跟彈簧組成的系統(tǒng)任何兩時刻機械能相等.在重力和彈簧的彈力相等時，物體的速度最大.物體在把彈簧壓縮到最短時，它的機械能最小解析：物體在和彈簧接觸之前做自由落體，這一過程中，只發(fā)生動能和重力勢能的相互轉(zhuǎn)化，物體的機械能是守恒的；一旦和彈簧接觸，除有重力對物體做功外，還有彈簧的彈力對物體做功，即發(fā)生動能、重力勢能和彈性勢能三者之間的相互轉(zhuǎn)化，這時就不能說“物體的機械能守恒”，只能說“物體和彈簧組成的系統(tǒng)的機械能守恒”，所以答案錯、對。如果只研究物體和地球組成的系統(tǒng)，則在物體接觸彈簧直至把彈簧壓縮到最短的過程中，這時彈簧的彈力就是系統(tǒng)之外的力，并且一直對物體做負功，故物體在把彈簧壓縮到最短時，它的機械能最小，答案正確。再由物體的受力分析可知，物體接觸彈簧以后，彈簧的彈力隨著壓縮量的增加而增大，當重力和彈簧的彈力相等時，重力和彈力相等，合力為零，再向下壓縮，彈力就要大于重力，速度則開始減小，故答案是正確的。綜上所述，答案選。命題解讀：重力勢能應該是物體和地球組成的系統(tǒng)所共有的，故平常所說的“物體”的機械能守恒，就應該是“物體和地球”系統(tǒng)的機械能守恒。本題中，若只發(fā)生動能和重力勢能的相互轉(zhuǎn)化，則“物體和地球”系統(tǒng)的機械能守恒，通常就說成“物體”的機械能守恒；若同時發(fā)生動能、重力勢能和彈性勢能的相互轉(zhuǎn)化，則“物體、地球和彈簧”系統(tǒng)的機械能守恒，通常就說成“物體跟彈簧組成的系統(tǒng)”機械能守恒。所以在判斷機械能是否守恒時，一定要細心!再細心！2.機械能守恒定律和動能定理機械能守恒定律是有條件的，只有滿足那個條件時才能利用守恒定律對問題進行求解；而動能定理解決了物體所受的所有外力做功與物體動能變化量之間的關系，它的應用范圍是非常廣闊的，使用起來也是非常方便的。例題2.如圖2所示，質(zhì)量為的小球用長為的輕質(zhì)細線懸掛于點，與點處于同一水平線的點處有一根光滑的細釘，已知，在點給小球一個水平向左的初速度，發(fā)現(xiàn)小球恰好能到達跟點在同一豎直線上的最高點，則⑴小球到達點時的速度是多大？⑵若不計空氣阻力，則給小球的初速度應該多大？⑶若，那么小球從點到的過程中克服空氣阻力做功為多少？解析：⑴因小球恰好能到達跟點在同一豎直線上的最高點，所以由圓周運動的知識得①解得②⑵小球在從點到的過程中，只有重力對小球做功，故它的機械能是守恒的，以點所在的平面為參考平面，由機械能守恒定律得③解②、③兩式，得④⑶因＞，小球恰好能到達跟點在同一豎直線上的最高點，所以在小球從點到的過程中要克服空氣阻力做功，設此值為，則由動能定理得⑤解得命題解讀：仔細研究題目所給的條件可以看出，本題的第⑵問除可用上述方法外，還可以利用動能定理來解決，但第⑶問就只能利用動能定理，也就是說，用機械能守恒定律能夠解決的問題，動能定理完全可以解決，反之則不然。做題時，一定要吃透題目，既要弄清楚每一個物理規(guī)律所適用的條件，同時也要找出這些規(guī)律之間的內(nèi)在聯(lián)系，要學會多思路、多角度思考和解決問題。3.機械能守恒定律和能量守恒定律機械能守恒定律是在特定的條件下，發(fā)生動能和勢能的轉(zhuǎn)化時機械能所滿足的規(guī)律；而能量守恒定律則是自然界中普遍遵循的規(guī)律，它包括一切形式的能量之間的相互轉(zhuǎn)化，這個規(guī)律的適用是沒有條件限制的。例題3.如圖3所示，一小鐵塊以某一水平速度沖上放置在光滑水平面上的木板上，由于、之間的摩擦力作用，小鐵塊相對于木板滑行了一段距離，兩者就相對靜止，已知、之間的滑動摩擦力為，試求這一過程中系統(tǒng)中產(chǎn)生的熱量。解析：設小物塊和木板的質(zhì)量分別為、，小物塊的初速度為，兩者達到的共同速度為，從沖上到兩者達到共同速度、發(fā)生的位移分別為、，如圖4所示。由動能定理對于有①對于有②而③整理①、②和③式得④分析④式可以看出，等號的右邊是系統(tǒng)在這個過程中機械能的減少量，根據(jù)能量守恒定律，減少的機械能轉(zhuǎn)化成了系統(tǒng)的熱能，故命題解讀：在這個題目中，由于系統(tǒng)中存在相互的摩擦力做功，所以對于每一個物體或系統(tǒng)來講，機械能都是不守恒的；系統(tǒng)中損失的機械能全部轉(zhuǎn)化成了熱能，這符合能量守恒定律；轉(zhuǎn)化成熱能的量等于兩物體間相互的滑動摩擦力和相對位移大小的乘積。例題4.（03年全國高考）一傳送帶裝置如圖5所示，其中傳送帶經(jīng)過區(qū)域時是水平的，經(jīng)過區(qū)域時變?yōu)閳A弧形（圓弧由光滑模板組成，圖中未畫出），而經(jīng)過區(qū)域時是傾斜的，和都與相切。現(xiàn)將大量的質(zhì)量均為的小貨箱一個一個的在處放到傳送帶上，放置時初速度為零，經(jīng)傳送帶運送到處，和的高度差為，穩(wěn)定工作時傳送帶速度不變，段上各箱等間距排列，相鄰兩箱的距離為。每個箱子在處投放后，在達到之前已經(jīng)相對于傳送帶靜止，且以后也不再滑動（忽略經(jīng)段時的微小滑動）。已知在一段相當長的時間內(nèi)，共運送小貨箱的數(shù)目為，這一裝置由電動機帶動，傳送帶與輪子之間無相對滑動，不計輪軸處的摩擦，求電動機的平均輸出功率。解析：以地面為參照系（下同），設傳送帶的運動速度為，在水平段運輸?shù)倪^程中，小貨箱先在滑動摩擦力的作用下做勻加速運動，設這段位移為，所用時間為，加速度為，則對于小貨箱有①②在這段時間內(nèi)，傳送帶發(fā)生的位移為③由以上可得④若用表示小貨箱和傳送帶之間的滑動摩擦力，則在這段過程中小貨箱和傳送帶由于相互摩擦而產(chǎn)生的熱量為⑤對于小貨箱，由動能定理得⑥則⑦所以⑧依題意又得⑨根據(jù)能量守恒定律，時間內(nèi)，電動機輸出的總功為⑩聯(lián)立⑧、⑨和⑩三式得命題解讀：本題中，發(fā)生了電能和機械能、熱能之間的轉(zhuǎn)化，減少的電能全部轉(zhuǎn)化成了機械能、熱能，總的能量是守恒的。在求解因相互摩擦而產(chǎn)生的熱量時，利用到了這