2025版高考物理一輪復(fù)習(xí)第五章機(jī)械能課時(shí)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(shí)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(huì)憑空產(chǎn)生,也不會(huì)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(gè)物體轉(zhuǎn)移到別的物體,在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過(guò)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(guò)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(wú)法把這些內(nèi)能收集起來(lái)重新利用,這種現(xiàn)象叫做能量的耗散。(2)能量耗散帶來(lái)的問(wèn)題:一是可利用能源越來(lái)越少,造成能源危機(jī);二是使環(huán)境汲取的耗散能量越來(lái)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(guò)程肯定伴隨著能量的轉(zhuǎn)化,而且能量的轉(zhuǎn)化必需通過(guò)做功來(lái)實(shí)現(xiàn)?？键c(diǎn)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(shí):確認(rèn)了永動(dòng)機(jī)的不行能性和發(fā)覺(jué)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(huì)憑空產(chǎn)生,也不會(huì)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(gè)物體轉(zhuǎn)移到別的物體,在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過(guò)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(guò)程中,即在能量的轉(zhuǎn)化過(guò)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(shuō)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(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)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(gè)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(huì)創(chuàng)生也不會(huì)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(guò)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(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能D.彈簧的彈性勢(shì)能全部轉(zhuǎn)化為動(dòng)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(cuò)誤,B正確;墊板動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能和彈簧的彈性勢(shì)能,故C,D錯(cuò)誤?？键c(diǎn)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(gè)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(guó)第一艘航空母艦“遼寧艦”按安排完成了改造和試驗(yàn)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(dòng)機(jī)推力起飛須要較長(zhǎng)的跑道,為此一物理愛(ài)好小組設(shè)計(jì)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(zhǎng)l=180m,其中電磁彈射器是一種長(zhǎng)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(gè)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(dòng)機(jī)可以供應(yīng)恒定的推力F推=1.2×105N?？紤]到飛機(jī)在起飛過(guò)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(diǎn)。請(qǐng)計(jì)算(計(jì)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(dòng)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(duì)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(wèn)題的解題思路(1)當(dāng)涉及摩擦力做功,機(jī)械能不守恒時(shí),一般應(yīng)用能的轉(zhuǎn)化和守恒定律求解。(2)解題時(shí),首先確定初末狀態(tài),然后分析狀態(tài)變更過(guò)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(dòng)力車是一種可以利用汽油及所儲(chǔ)存電能作為動(dòng)力來(lái)源的汽車。有一質(zhì)量m=1000kg的混合動(dòng)力轎車,在平直馬路上以v1=90km/h勻速行駛,發(fā)動(dòng)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(shí),保持發(fā)動(dòng)機(jī)功率不變,馬上啟動(dòng)利用電磁阻尼帶動(dòng)的發(fā)電機(jī)工作給電池充電,使轎車做減速運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)L=72m后,速度變?yōu)関2=72km/h。此過(guò)程中發(fā)動(dòng)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(dòng)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(yùn)動(dòng)過(guò)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(shí),所受阻力F阻的大小;(2)轎車從90km/h減速到72km/h過(guò)程中,獲得的電能E電;(3)轎車僅用其在上述減速過(guò)程中獲得的電能E電維持72km/h勻速運(yùn)動(dòng)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(shí),牽引力與阻力大小相等則有P=F阻v1,勻速行駛時(shí)F阻==N=2×103N。(2)在減速過(guò)程中,發(fā)動(dòng)機(jī)只有P用于轎車的牽引,依據(jù)動(dòng)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(shí)受到的阻力仍為F阻=2×103N。此過(guò)程中,轎車維持勻速運(yùn)動(dòng),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(diǎn)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(guò)程肯定伴隨著能量的轉(zhuǎn)化,而且能量的轉(zhuǎn)化必通過(guò)做功來(lái)實(shí)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(dòng)5m時(shí)速度達(dá)到4m/s,則此過(guò)程中(g取10m/s2)()A.升降機(jī)對(duì)物體做功5800JB.合力對(duì)物體做功5800JC.物體的重力勢(shì)能增加500JD.物體的機(jī)械能增加800J解析:依據(jù)動(dòng)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(cuò)誤;物體重力勢(shì)能增加mgh=100×10×5J=5000J,C錯(cuò)誤;物體機(jī)械能增加ΔE=Fh=W升=5800J,D錯(cuò)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(jì)的秋千,懸點(diǎn)O離地面高度H=2m。質(zhì)量m=5kg的小猴(可視為質(zhì)點(diǎn))趴在秋千上,它到懸點(diǎn)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(diǎn)被推動(dòng),以后每次推動(dòng)都是在秋千蕩回左側(cè)速度變?yōu)榱銜r(shí)進(jìn)行。若不計(jì)空氣阻力,求:(1)經(jīng)1次推動(dòng),小猴蕩起的最高點(diǎn)比最低點(diǎn)高多少;(2)經(jīng)多少次推動(dòng),小猴經(jīng)過(guò)最低點(diǎn)的速度v=4m/s;(3)某次小猴向右經(jīng)過(guò)最低點(diǎn)時(shí),一個(gè)掛在秋千繩上C點(diǎn)的金屬小飾物恰好脫落,并落在地上D點(diǎn)。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(guò)最低點(diǎn)時(shí)對(duì)秋千的作用力多大。解析:(1)推動(dòng)一次W=mgh,得:h=0.1m。(2)推動(dòng)n次后,回到最低點(diǎn)的過(guò)程,由動(dòng)能定理nW=mv2,得:n=8。(3)小飾物下落的時(shí)間滿意H-l2=gt2,t=s,飛出時(shí)的速度v1==m/s,設(shè)小猴經(jīng)過(guò)最低點(diǎn)時(shí)速度為v2,=,得:v2=m/s,對(duì)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(duì)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(dòng)能,關(guān)于人體消耗的化學(xué)能,下面說(shuō)法正確的是(D)A.人體消耗的化學(xué)能等于物體動(dòng)能B.人體消耗的化學(xué)能等于物體增加的重力勢(shì)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(guò)程中,動(dòng)能和重力勢(shì)能增加,同時(shí)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(xiàng)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(zhǎng)。圓環(huán)從A處由靜止起先下滑,經(jīng)過(guò)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(guò)程中,加速度始終減小B.下滑過(guò)程中,克服摩擦力做的功為mv2C.在C處,彈簧的彈性勢(shì)能為mv2-mghD.上滑經(jīng)過(guò)B處的速度大于下滑經(jīng)過(guò)B處的速度解析:圓環(huán)向下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,在B處速度最大,說(shuō)明向下先加速后減速,加速度先向下減小,后向上增大,A項(xiàng)錯(cuò)誤;下滑過(guò)程和上滑過(guò)程克服摩擦力做功相同,因此下滑過(guò)程Wf+ΔEp=mgh,上滑過(guò)程Wf+mgh=mv2+ΔEp,因此克服摩擦力做功Wf=mv2,B項(xiàng)錯(cuò)誤;在C處:ΔEp=mgh-Wf=mgh-mv2,C項(xiàng)錯(cuò)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(jiàn)vB2>vB1,D項(xiàng)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(zhǎng)度L=1.5m,與一圓心在O點(diǎn)、半徑R=1m的豎直光滑圓軌道的末端相切于A點(diǎn),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(diǎn)),由圓軌道上的P點(diǎn)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(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.1,不計(jì)空氣阻力。(1)求滑塊對(duì)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(diǎn)與B間的水平距離;(3)若傳送帶以v0=0.5m/s的速度沿逆時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)行(傳送帶上部分由B到A運(yùn)動(dòng)),求滑塊在傳送帶上滑行過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)能。解析:(1)從P點(diǎn)到圓軌道末端的過(guò)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(duì)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(guò)程中,由動(dòng)能定理得-μmgL=m-mv2解得vB=1m/s滑塊從B點(diǎn)起先做平拋運(yùn)動(dòng),滑塊的落地點(diǎn)與B間的水平距離為x=vB=0.5m。(3)傳送帶沿逆時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)動(dòng)與傳送帶靜止相比較,滑塊受力狀況沒(méi)有變更,滑塊從A到B的運(yùn)動(dòng)狀況沒(méi)有變更。所以滑塊和傳送帶間的相對(duì)位移為Δx=L+v0·=2m滑塊在傳送帶上滑行過(guò)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(tái)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(tái)(人連同平臺(tái)的總質(zhì)量為400kg)上升60m到達(dá)滅火位置。此后,在登高平臺(tái)上的消防員用水炮滅火,已知水炮的出水量為3m3/min,水離開(kāi)炮口時(shí)的速率為20m/s,則用于(g取10N/kg)(B)A.水炮工作的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率約為1×104WB.水炮工作的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率約為4×104WC.水炮工作的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率約為2.4×106WD.伸縮臂抬升登高平臺(tái)的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率約為800W解析:登高平臺(tái)的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率為克服伸縮臂和人連同平臺(tái)的總重力的功率,克服人和平臺(tái)重力的功率,P==W=800W,故輸出功率應(yīng)大于800W,選項(xiàng)D錯(cuò)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(shì)能為WG=m′gh=50×10×60J=3×104J,增加的動(dòng)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(dòng)機(jī)輸出功率為4×104W,選項(xiàng)B正確,A,C錯(cuò)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(gè)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(diǎn)與F點(diǎn)等高。當(dāng)彈簧壓縮量為d時(shí),恰能使質(zhì)量m=0.05kg的滑塊沿軌道Ⅰ上升到B點(diǎn);當(dāng)彈簧壓縮量為2d時(shí),恰能使滑塊沿軌道Ⅰ上升到C點(diǎn)。(已知彈簧彈性勢(shì)能與壓縮量的平方成正比)(1)當(dāng)彈簧壓縮量為d時(shí),求彈簧的彈性勢(shì)能及滑塊離開(kāi)彈簧瞬間的速度大小;