2025版高考物理一輪復(fù)習(xí)第五章機(jī)械能課時4功能關(guān)系能量轉(zhuǎn)化和守恒定律學(xué)案新人教版

PAGE9-課時4功能關(guān)系能量轉(zhuǎn)化和守恒定律一、能量守恒定律1.內(nèi)容:能量既不會憑空產(chǎn)生,也不會憑空消逝。它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式,或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體,在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中,能量的總量保持不變。2.表達(dá)式:ΔE減=ΔE增。二、功能關(guān)系和能源1.能源2.能量耗散(1)定義:在能量的轉(zhuǎn)化過程中,一部分能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)能流散到四周環(huán)境中,我們無法把這些內(nèi)能收集起來重新利用,這種現(xiàn)象叫做能量的耗散。(2)能量耗散帶來的問題:一是可利用能源越來越少,造成能源危機(jī);二是使環(huán)境汲取的耗散能量越來越多,造成環(huán)境污染,溫度上升。3.功能關(guān)系(1)功是能量轉(zhuǎn)化的量度,即做了多少功就有多少能量發(fā)生了轉(zhuǎn)化。(2)做功的過程肯定伴隨著能量的轉(zhuǎn)化,而且能量的轉(zhuǎn)化必需通過做功來實現(xiàn)?？键c一能量轉(zhuǎn)化和能量守恒定律的理解1.能量守恒定律確立的兩類重要事實:確認(rèn)了永動機(jī)的不行能性和發(fā)覺了各種自然現(xiàn)象之間的相互聯(lián)系與轉(zhuǎn)化。2.內(nèi)容:能量既不會憑空產(chǎn)生,也不會憑空消逝,它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式,或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體,在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中,能量的總量保持不變。3.節(jié)約能源的意義:能量的耗散表明,在能源的利用過程中,即在能量的轉(zhuǎn)化過程中,能量在數(shù)值上雖未削減,但在可利用的品質(zhì)上降低了,從便于利用的變成了不便于利用的了。[典例1]關(guān)于能的轉(zhuǎn)化與守恒定律,下列說法中不正確的是()A.能量能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式,但不能從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體B.能量的形式多種多樣,它們之間可以相互轉(zhuǎn)化C.一個物體能量增加了,必定伴隨著別的物體能量削減D.能的轉(zhuǎn)化與守恒定律證明白能量既不會創(chuàng)生也不會消逝解析:能量可以在不同物體之間轉(zhuǎn)移,也可以轉(zhuǎn)化,但能的總量保持不變。答案:A變式1:如圖所示,是安裝在列車車廂之間的摩擦緩沖器結(jié)構(gòu)圖,圖中①和②為楔塊,③和④為墊板,楔塊與彈簧盒、墊板間均有摩擦,在車廂相互撞擊使彈簧壓縮的過程中(B)A.緩沖器的機(jī)械能守恒B.摩擦力做功消耗機(jī)械能C.墊板的動能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能D.彈簧的彈性勢能全部轉(zhuǎn)化為動能解析:由于楔塊與彈簧盒、墊板間有摩擦力,即摩擦力做負(fù)功,則機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,故A錯誤,B正確;墊板動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能和彈簧的彈性勢能,故C,D錯誤?？键c二能量守恒定律的應(yīng)用1.某種形式的能量削減,肯定存在其他形式的能量增加,且削減量和增加量肯定相等。2.某個物體的能量削減,肯定存在其他物體的能量增加,且削減量和增加量肯定相等。[典例2]2012年9月25日我國第一艘航空母艦“遼寧艦”按安排完成了改造和試驗試航工作,正式交付海軍。但“遼寧艦”上的艦載機(jī)的起飛若僅依靠自身噴氣式發(fā)動機(jī)推力起飛須要較長的跑道,為此一物理愛好小組設(shè)計在航空母艦上安裝電磁彈射器以縮短飛機(jī)起飛距離。如圖所示,航空母艦的水平跑道總長l=180m,其中電磁彈射器是一種長度為l1=120m的直線電機(jī),這種直線電機(jī)從頭至尾可以供應(yīng)一個恒定的牽引力F牽。一架質(zhì)量為m=2.0×104kg的飛機(jī),其噴氣式發(fā)動機(jī)可以供應(yīng)恒定的推力F推=1.2×105N。考慮到飛機(jī)在起飛過程中受到的阻力與速度大小有關(guān),假設(shè)在電磁彈射階段的平均阻力為飛機(jī)重力的0.05倍,在后一階段的平均阻力為飛機(jī)重力的0.2倍。飛機(jī)離艦起飛的速度v=100m/s,航母處于靜止?fàn)顟B(tài),飛機(jī)可視為質(zhì)點。請計算(計算結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字):(1)飛機(jī)在后一階段的加速度大小;(2)電磁彈射器的牽引力F牽的大小;(3)電磁彈射器輸出效率可以達(dá)到80%,則每彈射這樣一架飛機(jī)電磁彈射器須要消耗多少能量。解析:(1)設(shè)后一階段飛機(jī)的加速度為a2,平均阻力為f2=0.2mg,由牛頓其次定律知F推-f2=ma2代入數(shù)值得a2=4.0m/s2。(2)法一由題意知電磁彈射階段飛機(jī)的平均阻力為f1=0.05mg由動能定理知F牽l1+F推l-f1l1-f2(l-l1)=mv2代入數(shù)值得F牽≈6.8×105N。法二設(shè)電磁彈射階段飛機(jī)加速度為a1,末速度為v1,平均阻力為f1=0.05mg則=2a1l1v2-=2a2(l-l1)由牛頓其次定律知F牽+F推-f1=ma1聯(lián)立并代入數(shù)值解得F牽≈6.8×105N。(3)電磁彈射器對飛機(jī)做功W=F牽l1≈8.2×107J則每彈射這樣一架飛機(jī)電磁彈射器須要消耗的能量E=≈1.0×108J。答案:(1)4.0m/s2(2)6.8×105N(3)1.0×108J能量轉(zhuǎn)化問題的解題思路(1)當(dāng)涉及摩擦力做功,機(jī)械能不守恒時,一般應(yīng)用能的轉(zhuǎn)化和守恒定律求解。(2)解題時,首先確定初末狀態(tài),然后分析狀態(tài)變更過程中哪種形式的能量削減,哪種形式的能量增加,求出削減的能量總和ΔE減和增加的能量總和ΔE增,最終由ΔE減=ΔE增列式求解。變式2:節(jié)能混合動力車是一種可以利用汽油及所儲存電能作為動力來源的汽車。有一質(zhì)量m=1000kg的混合動力轎車,在平直馬路上以v1=90km/h勻速行駛,發(fā)動機(jī)的輸出功率為P=50kW。當(dāng)駕駛員看到前方有80km/h的限速標(biāo)記時,保持發(fā)動機(jī)功率不變,馬上啟動利用電磁阻尼帶動的發(fā)電機(jī)工作給電池充電,使轎車做減速運動,運動L=72m后,速度變?yōu)関2=72km/h。此過程中發(fā)動機(jī)功率的用于轎車的牽引,用于供應(yīng)發(fā)電機(jī)工作,發(fā)動機(jī)輸送給發(fā)電機(jī)的能量最終有50%轉(zhuǎn)化為電池的電能。假設(shè)轎車在上述運動過程中所受阻力保持不變。求:(1)轎車以90km/h在平直馬路上勻速行駛時,所受阻力F阻的大小;(2)轎車從90km/h減速到72km/h過程中,獲得的電能E電;(3)轎車僅用其在上述減速過程中獲得的電能E電維持72km/h勻速運動的距離L′。解析:(1)v1=90km/h=25m/s,v2=72km/h=20m/s,轎車牽引力與輸出功率的關(guān)系P=F牽v當(dāng)轎車勻速行駛時,牽引力與阻力大小相等則有P=F阻v1,勻速行駛時F阻==N=2×103N。(2)在減速過程中,發(fā)動機(jī)只有P用于轎車的牽引,依據(jù)動能定理有Pt-W阻=m-m代入數(shù)據(jù)得W=Pt=1.575×105J電源獲得的電能為E電=50%×W=6.3×104J。(3)依據(jù)題設(shè),轎車在平直馬路上勻速行駛時受到的阻力仍為F阻=2×103N。此過程中,轎車維持勻速運動,電能全部用于克服阻力做功,由能量轉(zhuǎn)化及守恒定律可知,僅有電能用于克服阻力做功E電=F阻L′,代入數(shù)據(jù)可得L′=31.5m。答案:(1)2×103N(2)6.3×104J(3)31.5m考點三功和能的關(guān)系應(yīng)用1.功是能量轉(zhuǎn)化的量度,即做了多少功就有多少能量發(fā)生了轉(zhuǎn)化。2.做功的過程肯定伴隨著能量的轉(zhuǎn)化,而且能量的轉(zhuǎn)化必通過做功來實現(xiàn)。3.功和能量變更關(guān)系表[典例3]升降機(jī)底板上放一質(zhì)量為100kg的物體,物體隨升降機(jī)由靜止起先豎直向上移動5m時速度達(dá)到4m/s,則此過程中(g取10m/s2)()A.升降機(jī)對物體做功5800JB.合力對物體做功5800JC.物體的重力勢能增加500JD.物體的機(jī)械能增加800J解析:依據(jù)動能定理得W升-mgh=mv2,可解得W升=5800J,A正確;合力做的功為mv2=×100×42J=800J,B錯誤;物體重力勢能增加mgh=100×10×5J=5000J,C錯誤;物體機(jī)械能增加ΔE=Fh=W升=5800J,D錯誤。答案:A變式3:(2024·浙江6月學(xué)考)如圖所示是質(zhì)量可忽視不計的秋千,懸點O離地面高度H=2m。質(zhì)量m=5kg的小猴(可視為質(zhì)點)趴在秋千上,它到懸點O的距離l1=1.6m。飼養(yǎng)員在圖中左側(cè)推秋千,每次做功都為W=5J。秋千首次從最低點被推動,以后每次推動都是在秋千蕩回左側(cè)速度變?yōu)榱銜r進(jìn)行。若不計空氣阻力,求:(1)經(jīng)1次推動,小猴蕩起的最高點比最低點高多少;(2)經(jīng)多少次推動,小猴經(jīng)過最低點的速度v=4m/s;(3)某次小猴向右經(jīng)過最低點時,一個掛在秋千繩上C點的金屬小飾物恰好脫落,并落在地上D點。D到C的水平距離x=0.96m,C到O的距離l2=1.28m,則小猴此次經(jīng)過最低點時對秋千的作用力多大。解析:(1)推動一次W=mgh,得:h=0.1m。(2)推動n次后,回到最低點的過程,由動能定理nW=mv2,得:n=8。(3)小飾物下落的時間滿意H-l2=gt2,t=s,飛出時的速度v1==m/s,設(shè)小猴經(jīng)過最低點時速度為v2,=,得:v2=m/s,對小猴受力分析,有F-mg=m,解得F=81.25N,由牛頓第三定律得,小猴對秋千的作用力為81.25N。答案:(1)0.1m(2)8(3)81.25N1.(能量的轉(zhuǎn)化與守恒)如圖所示,人用平行于粗糙斜面的力將物體拉至斜面頂端,使物體獲得動能,關(guān)于人體消耗的化學(xué)能,下面說法正確的是(D)A.人體消耗的化學(xué)能等于物體動能B.人體消耗的化學(xué)能等于物體增加的重力勢能C.人體消耗的化學(xué)能等于物體增加的機(jī)械能D.人體消耗的化學(xué)能大于物體增加的機(jī)械能解析:物體上升過程中,動能和重力勢能增加,同時由于摩擦生熱,人體消耗的化學(xué)能等于物體機(jī)械能的增量與系統(tǒng)內(nèi)能之和,故選項D正確。2.(能量守恒定律的應(yīng)用)如圖所示,輕質(zhì)彈簧一端固定,另一端與一質(zhì)量為m、套在粗糙豎直固定桿A處的圓環(huán)相連,彈簧水平且處于原長。圓環(huán)從A處由靜止起先下滑,經(jīng)過B處的速度最大,到達(dá)C處的速度為零,AC=h。圓環(huán)在C處獲得一豎直向上的速度v,恰好能回到A。彈簧始終在彈性限度內(nèi),重力加速度為g。則圓環(huán)(D)A.下滑過程中,加速度始終減小B.下滑過程中,克服摩擦力做的功為mv2C.在C處,彈簧的彈性勢能為mv2-mghD.上滑經(jīng)過B處的速度大于下滑經(jīng)過B處的速度解析:圓環(huán)向下運動過程中,在B處速度最大,說明向下先加速后減速,加速度先向下減小,后向上增大,A項錯誤;下滑過程和上滑過程克服摩擦力做功相同,因此下滑過程Wf+ΔEp=mgh,上滑過程Wf+mgh=mv2+ΔEp,因此克服摩擦力做功Wf=mv2,B項錯誤;在C處:ΔEp=mgh-Wf=mgh-mv2,C項錯誤;下滑從A到B處,m+ΔEp′+Wf′=mgh′,上滑從B到A處,m+ΔEp′=mgh′+Wf′,可見vB2>vB1,D項正確。3.(功能關(guān)系的應(yīng)用)如圖所示,輪半徑r=10cm的傳送帶,水平部分AB的長度L=1.5m,與一圓心在O點、半徑R=1m的豎直光滑圓軌道的末端相切于A點,AB高出水平地面H=1.25m,一質(zhì)量m=0.1kg的小滑塊(可視為質(zhì)點),由圓軌道上的P點由靜止釋放,OP與豎直線的夾角θ=37°。已知sin37°=0.6,cos37°=0.8,g=10m/s2,滑塊與傳送帶間的動摩擦因數(shù)μ=0.1,不計空氣阻力。(1)求滑塊對圓軌道末端的壓力;(2)若傳送帶始終保持靜止,求滑塊的落地點與B間的水平距離;(3)若傳送帶以v0=0.5m/s的速度沿逆時針方向運行(傳送帶上部分由B到A運動),求滑塊在傳送帶上滑行過程中產(chǎn)生的內(nèi)能。解析:(1)從P點到圓軌道末端的過程中,由機(jī)械能守恒定律得mgR(1-cos37°)=mv2則v=2m/s在軌道末端由牛頓其次定律得FN-mg=m由以上兩式得FN=1.4N由牛頓第三定律得,滑塊對圓軌道末端的壓力大小為1.4N,方向豎直向下。(2)若傳送帶靜止,從A到B的過程中,由動能定理得-μmgL=m-mv2解得vB=1m/s滑塊從B點起先做平拋運動,滑塊的落地點與B間的水平距離為x=vB=0.5m。(3)傳送帶沿逆時針方向運動與傳送帶靜止相比較,滑塊受力狀況沒有變更,滑塊從A到B的運動狀況沒有變更。所以滑塊和傳送帶間的相對位移為Δx=L+v0·=2m滑塊在傳送帶上滑行過程中產(chǎn)生的內(nèi)能為Q=μmgΔx=0.2J。答案:(1)1.4N,方向豎直向下(2)0.5m(3)0.2J1.(2024·浙江11月選考,13)如圖所示是具有登高平臺的消防車,具有肯定質(zhì)量的伸縮臂能夠在5min內(nèi)使承載4人的登高平臺(人連同平臺的總質(zhì)量為400kg)上升60m到達(dá)滅火位置。此后,在登高平臺上的消防員用水炮滅火,已知水炮的出水量為3m3/min,水離開炮口時的速率為20m/s,則用于(g取10N/kg)(B)A.水炮工作的發(fā)動機(jī)輸出功率約為1×104WB.水炮工作的發(fā)動機(jī)輸出功率約為4×104WC.水炮工作的發(fā)動機(jī)輸出功率約為2.4×106WD.伸縮臂抬升登高平臺的發(fā)動機(jī)輸出功率約為800W解析:登高平臺的發(fā)動機(jī)輸出功率為克服伸縮臂和人連同平臺的總重力的功率,克服人和平臺重力的功率,P==W=800W,故輸出功率應(yīng)大于800W,選項D錯誤;在1s內(nèi),噴出去水的質(zhì)量為m′=ρV=103×kg=50kg,增加的重力勢能為WG=m′gh=50×10×60J=3×104J,增加的動能為mv2=1×104J,所以1s內(nèi)水增加的機(jī)械能為4×104J,所以水炮工作的發(fā)動機(jī)輸出功率為4×104W,選項B正確,A,C錯誤。2.(2024·浙江4月選考,20)如圖所示,裝置由一志向彈簧放射器及兩個軌道組成。其中軌道Ⅰ由光滑軌道AB與粗糙直軌道BC平滑連接,高度差分別是h1=0.20m,h2=0.10m,BC水平距離L=1.00m。軌道Ⅱ由AE、螺旋圓形EFG和GB三段光滑軌道平滑連接而成,且A點與F點等高。當(dāng)彈簧壓縮量為d時,恰能使質(zhì)量m=0.05kg的滑塊沿軌道Ⅰ上升到B點;當(dāng)彈簧壓縮量為2d時,恰能使滑塊沿軌道Ⅰ上升到C點。(已知彈簧彈性勢能與壓縮量的平方成正比)(1)當(dāng)彈簧壓縮量為d時,求彈簧的彈性勢能及滑塊離開彈簧瞬間的速度大小;