知識清單：第八章 機(jī)械能守恒定律（解析版）

學(xué)而優(yōu)教有方第八章機(jī)械能守恒定律1功與功率一、功1.功的公式：W＝Flcosα，其中F、l、α分別為力的大小、位移的大小、力與位移的夾角.2.功是標(biāo)(填“矢”或“標(biāo)”)量.在國際單位制中，功的單位是焦耳，符號是J.3.某一恒力F對物體做的功，只與l、α有關(guān)，與物體的運(yùn)動狀態(tài)及物體是否還受其他作用力等因素?zé)o關(guān).4.功是標(biāo)量，沒有方向，但是有正負(fù).5.公式W＝Flcosα適用于計(jì)算恒力做功，若是變力，此公式不再適用.二、正功和負(fù)功1.力對物體做正功或負(fù)功的條件由W＝Flcosα可知(1)當(dāng)α＝eq\f(π,2)時，W＝0，力F對物體不做功.(2)當(dāng)0≤α＜eq\f(π,2)時，W＞0，力F對物體做正功.(3)當(dāng)eq\f(π,2)＜α≤π時，W＜0，力F對物體做負(fù)功.2.總功的計(jì)算當(dāng)一個物體在幾個力的共同作用下發(fā)生一段位移時，這幾個力對物體所做的總功等于：(1)各個分力分別對物體所做功的代數(shù)和.(2)幾個力的合力對物體所做的功.1.正、負(fù)功的理解和判斷條件從動力學(xué)角度看從能量角度看正功當(dāng)0≤α＜eq\f(π,2)時，cosα＞0，W＞0力是物體運(yùn)動的動力力對物體做正功，向物體提供能量，即受力物體獲得了能量不做功當(dāng)α＝eq\f(π,2)時，cosα＝0，W＝0力對物體既不起動力作用，也不起阻力作用負(fù)功當(dāng)eq\f(π,2)＜α≤π時，cosα＜0，W＜0力是物體運(yùn)動的阻力物體克服外力做功，向外輸出能量(以消耗自身能量為代價)，即負(fù)功表示物體失去了能量說明也可根據(jù)力和速度方向夾角判斷功的正負(fù)2.總功的計(jì)算當(dāng)物體在多個力的共同作用下發(fā)生一段位移時，合力對物體所做的功等于各分力對物體做功的代數(shù)和.故計(jì)算合力的功有以下兩種方法：(1)先由W＝Flcosα計(jì)算各個力對物體所做的功W1、W2、W3…然后求所有力做功的代數(shù)和，即W合＝W1＋W2＋W3＋….(2)先由力的合成或根據(jù)牛頓第二定律求出合力F合，然后由W合＝F合lcosα計(jì)算總功，此時α為F合的方向與l的方向間的夾角。注意：當(dāng)在一個過程中，幾個力作用的位移不相同時，只能用方法(1)。三、功率1.意義：功率是表示物體做功快慢的物理量.2.定義：功W與完成這些功所用時間t之比.3.定義式：P＝eq\f(W,t).單位：瓦特，簡稱瓦，符號W.4.功率與速度的關(guān)系式：P＝Fv(F與v方向相同).應(yīng)用：由功率速度關(guān)系知，汽車、火車等交通工具和各種起重機(jī)械，當(dāng)發(fā)動機(jī)的功率P一定時，牽引力F與速度v成反(填“正”或“反”)比，要增大牽引力，就要減小速度.5.功率是標(biāo)(填“標(biāo)”或“矢”)量.6.功率表示的是物體做功的快慢，而不是做功的多少，功率大，做功不一定多，反之亦然.7.區(qū)分平均功率和瞬時功率(1)平均功率：與一段時間相對應(yīng)①eq\x\to(P)＝eq\f(W,t)；②eq\x\to(P)＝Feq\x\to(v)，其中eq\x\to(v)為平均速度.(2)瞬時功率：與某一瞬時相對應(yīng)①當(dāng)F與v方向相同時，P＝Fv，其中v為瞬時速度；②當(dāng)F與v夾角為α?xí)r，P＝Fvcosα，其中v為瞬時速度.8.P＝Fv中三個量的制約關(guān)系定值各量間的關(guān)系應(yīng)用P一定F與v成反比汽車上坡時，要增大牽引力，應(yīng)換低速擋減小速度v一定F與P成正比汽車上坡時，要使速度不變，應(yīng)加大油門，增大輸出功率，獲得較大牽引力F一定v與P成正比汽車在平直高速路上，加大油門增大輸出功率，可以提高速度2重力勢能一、重力做的功1.重力所做的功WG＝mgΔh，Δh指初位置與末位置的高度差.2.重力做功的特點(diǎn)：物體運(yùn)動時，重力對它做的功只跟它的起點(diǎn)和終點(diǎn)的位置有關(guān)，而跟物體運(yùn)動的路徑無關(guān).1.重力做功大小只與重力和物體高度變化有關(guān)，與受到的其他力及運(yùn)動狀態(tài)均無關(guān).2.物體下降時重力做正功，物體上升時重力做負(fù)功.3.重力做功的特點(diǎn)可推廣到任一恒力的功，即恒力做功的特點(diǎn)是：與具體路徑無關(guān)，而跟初、末位置有關(guān).二、重力勢能1.重力勢能.(1)表達(dá)式：Ep＝mgh.(2)單位：焦耳；符號：J.2.重力做功與重力勢能之間的關(guān)系：WG＝Ep1－Ep2.(1)當(dāng)物體由高處運(yùn)動到低處時，重力做正功，重力勢能減?。患碬G＞0，Ep1＞Ep2.(2)當(dāng)物體由低處運(yùn)動到高處時，重力做負(fù)功，重力勢能增加；即WG＜0，Ep1＜Ep2.3.重力勢能的系統(tǒng)性重力勢能是地球與物體所組成的“系統(tǒng)”所共有的，而不是地球上的物體單獨(dú)具有的.3.重力做功與重力勢能變化的關(guān)系WG＝Ep1－Ep2＝－ΔEp(1)當(dāng)物體由高處運(yùn)動到低處時，重力做正功，重力勢能減少，重力勢能的減少量等于重力所做的功.(2)當(dāng)物體由低處運(yùn)動到高處時，重力做負(fù)功(物體克服重力做功)，重力勢能增加，重力勢能的增加量等于物體克服重力所做的功.4.重力勢能的相對性物體的重力勢能總是相對于某一水平參考面，選不同的參考面，物體重力勢能的數(shù)值是不同的.故在計(jì)算重力勢能時，必須首先選取參考平面.注意：參考平面的選擇具有任意性，但重力勢能的變化量具有絕對性，即物體的重力勢能的變化量與參考平面的選取無關(guān).三、重力勢能的相對性1.參考平面：物體的重力勢能總是相對于某一水平面來說的，這個水平面叫作參考平面，在參考平面上物體的重力勢能取為0.2.重力勢能的相對性：Ep＝mgh中的h是物體重心相對參考平面的高度.選擇不同的參考平面，物體重力勢能的數(shù)值是不同的，但重力勢能的差值相同.(后兩空選填“相同”或“不同”)3.物體在參考平面上方，重力勢能為正值；物體在參考平面下方，重力勢能為負(fù)值.四、彈性勢能1.定義：發(fā)生彈性形變的物體的各部分之間，由于有彈力的相互作用而具有的勢能，叫彈性勢能.2.影響彈性勢能的因素(1)彈性勢能跟形變大小有關(guān)：同一彈簧，形變大小越大，彈簧的彈性勢能就越大.(2)彈性能越大.3.勢能也叫位能，與相互作用的物體的相對位置有關(guān).重力勢能是由地球和地面上物體的相對位置決定的，彈性勢能是由發(fā)生彈性形變的物體各部分的相對位置決定的.4.對彈性勢能的理解(1)彈性勢能的產(chǎn)生原因eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(①物體發(fā)生了彈性形變,②各部分間的彈力作用))(2)(彈簧)彈性勢能的影響因素eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(①彈簧的形變量x,②彈簧的勁度系數(shù)k))5.彈力做功與彈性勢能變化的關(guān)系(1)關(guān)系：彈力做正功時，彈性勢能減少，彈力做負(fù)功時，彈性勢能增加，并且彈力做多少功，彈性勢能就減少多少.(2)表達(dá)式：W彈＝－ΔEp＝Ep1－Ep2.6.注意：(1)彈力做功和重力做功一樣，也和路徑無關(guān)，彈性勢能的變化只與彈力做功有關(guān).(2)一般地來說，彈簧為原長時彈性勢能為零，所以彈簧伸長時和彈簧壓縮時彈性勢能都增加，且伸長量和壓縮量相同時，彈性勢能相同.3動能和動能定理一、動能的表達(dá)式1.表達(dá)式：Ek＝eq\f(1,2)mv2.2.單位：與功的單位相同，國際單位為焦耳，符號為J.3.標(biāo)矢性：動能是標(biāo)量，只有大小，沒有方向.4.對動能的理解(1)動能是標(biāo)量，沒有負(fù)值，與物體的速度方向無關(guān).(2)動能是狀態(tài)量，具有瞬時性，與物體的運(yùn)動狀態(tài)(或某一時刻的速度)相對應(yīng).(3)動能面為參考系.5.動能變化量ΔEkΔEk＝eq\f(1,2)mv22－eq\f(1,2)mv12，若ΔEk>0，則表示物體的動能增加，若ΔEk<0，則表示物體的動能減少.二、動能定理1.內(nèi)容：力在一個過程中對物體做的功，等于物體在這個過程中動能的變化.2.表達(dá)式：W＝eq\f(1,2)mv22－eq\f(1,2)mv12.如果物體受到幾個力的共同作用，W即為合力做的功，它等于各個力做功的代數(shù)和.3.適用范圍：動能定理是物體在恒力作用下，并且做直線運(yùn)動的情況下得到的，當(dāng)物體受到變力作用，并且做曲線運(yùn)動時，可以采用把整個過程分成許多小段，也能得到動能定理.三、對動能定理的理解1.表達(dá)式：W＝Ek2－Ek1＝eq\f(1,2)mv22－eq\f(1,2)mv12(1)Ek2＝eq\f(1,2)mv22表示這個過程的末動能；Ek1＝eq\f(1,2)mv12表示這個過程的初動能.(2)W表示這個過程中合力做的功，它等于各力做功的代數(shù)和.2.物理意義：動能定理指出了合外力對物體所做的總功與物體動能變化之間的關(guān)系，即若合外力做正功，物體的動能增加，若合外力做負(fù)功，物體的動能減小，做了多少功，動能就變化多少.3.實(shí)質(zhì)：動能定理從能量變化的角度反映了力改變運(yùn)動的狀態(tài)時，在空間上的累積效果.【特別提醒】應(yīng)用動能定理解題的一般步驟：(1)選取研究對象(通常是單個物體)，明確它的運(yùn)動過程.(2)對研究對象進(jìn)行受力分析，明確各力做功的情況，求出外力做功的代數(shù)和.(3)明確物體在初、末狀態(tài)的動能Ek1、Ek2.(4)列出動能定理的方程W＝Ek2－Ek1，結(jié)合其他必要的輔助方程求解并驗(yàn)算.4機(jī)械能守恒定律一、追尋守恒量伽利略曾研究過小球在斜面上的運(yùn)動，如圖1所示.圖1將小球由斜面A上某位置由靜止釋放，如果空氣阻力和摩擦力小到可以忽略，小球在斜面B上速度變?yōu)?(即到達(dá)最高點(diǎn))時的高度與它出發(fā)時的高度相同，不會更高一點(diǎn)，也不會更低一點(diǎn).這說明某種“東西”在小球運(yùn)動的過程中是不變的.二、動能與勢能的相互轉(zhuǎn)化1.重力勢能與動能的轉(zhuǎn)化只有重力做功時，若重力對物體做正功，則物體的重力勢能減少，動能增加，物體的重力勢能轉(zhuǎn)化為動能；若重力對物體做負(fù)功，則物體的重力勢能增加，動能減少，物體的動能轉(zhuǎn)化為重力勢能.2.彈性勢能與動能的轉(zhuǎn)化只有彈簧彈力做功時，若彈力對物體做正功，則彈簧的彈性勢能減少，物體的動能增加，彈簧的彈性勢能轉(zhuǎn)化為物體的動能；若彈力對物體做負(fù)功，則彈簧的彈性勢能增加，物體的動能減少，物體的動能轉(zhuǎn)化為彈簧的彈性勢能.3.機(jī)械能：重力勢能、彈性勢能與動能統(tǒng)稱為機(jī)械能.三、機(jī)械能守恒定律1.內(nèi)容：在只有重力或彈力做功的物體系統(tǒng)內(nèi)，動能與勢能可以互相轉(zhuǎn)化，而總的機(jī)械能保持不變.2.表達(dá)式：eq\f(1,2)mv22＋mgh2＝eq\f(1,2)mv12＋mgh1或Ek2＋Ep2＝Ek1＋Ep1.3.應(yīng)用機(jī)械能守恒定律解決問題只需考慮運(yùn)動的初狀態(tài)和末狀態(tài)，不必考慮兩個狀態(tài)間過程的細(xì)節(jié)，即可以簡化計(jì)算.4.對機(jī)械能守恒條件的理解(1)只有重力做功，只發(fā)生動能和重力勢能的相互轉(zhuǎn)化.(2)只有彈力做功，只發(fā)生動能和彈性勢能的相互轉(zhuǎn)化.(3)只有重力和彈力做功，發(fā)生動能、彈性勢能、重力勢能的相互轉(zhuǎn)化.(4)除受重力或彈力外，其他力也做功，但其他力做功的代數(shù)和為零.如物體在沿斜面的拉力F的作用下沿斜面運(yùn)動，若已知拉力與摩擦力的大小相等，方向相反，在此運(yùn)動過程中，其機(jī)械能守恒。5.判斷機(jī)械能是否守恒的方法(1)利用機(jī)械能的定義直接判斷：若動能和勢能中，一種能變化，另一種能不變，則其機(jī)械能一定變化.(2)用做功判斷：若物體或系統(tǒng)只有重力(或彈力)做功，雖受其他力，但其他力不做功，機(jī)械能守恒。(3)用能量轉(zhuǎn)化來判斷：若物體系統(tǒng)中只有動能和勢能的相互轉(zhuǎn)化而無機(jī)械能與其他形式的能的轉(zhuǎn)化，則物體系統(tǒng)機(jī)械能守恒。四、機(jī)械能守恒定律的應(yīng)用1.機(jī)械能守恒定律常用的三種表達(dá)式(1)從不同狀態(tài)看：Ek1＋Ep1＝Ek2＋Ep2(或E1＝E2)此式表示系統(tǒng)兩個狀態(tài)的機(jī)械能總量相等.(2)從能的轉(zhuǎn)化角度看：ΔEk＝－ΔEp此式表示系統(tǒng)動能的增加(減少)量等于勢能的減少(增加)量.(3)從能的轉(zhuǎn)移角度看：ΔEA增＝ΔEB減此式表示系統(tǒng)A部分機(jī)械能的增加量等于系統(tǒng)剩余部分，即B部分機(jī)械能的減少量.2.機(jī)械能守恒定律的應(yīng)用步驟首先對研究對象進(jìn)行正確的受力分析，判斷各個力是否做功，分析是否符合機(jī)械能守恒的條件。若機(jī)械能守恒，則根據(jù)機(jī)械能守恒定律列出方程，或再輔以其他方程進(jìn)行求解.5實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律一、實(shí)驗(yàn)思路機(jī)械能守恒的前提是“只有重力或彈力做功”，因此研究過程一定要滿足這一條件.本節(jié)實(shí)驗(yàn)我們以只有重力做功的過程進(jìn)行研究.二、物理量的測量及數(shù)據(jù)分析只有重力做功時，只發(fā)生重力勢能和動能的轉(zhuǎn)化.(1)要驗(yàn)證的表達(dá)式：eq\f(1,2)mv22＋mgh2＝eq\f(1,2)mv12＋mgh1或：eq\f(1,2)mv22－eq\f(1,2)mv12＝mgh1－mgh2.(2)所需測量的物理量：物體所處兩位置之間的高度差，及物體的運(yùn)動速度.三、參考案例案例1研究自由下落物體的機(jī)械能1.實(shí)驗(yàn)器材鐵架臺(帶鐵夾)、打點(diǎn)計(jì)時器、重物(帶夾子)、紙帶、復(fù)寫紙(或墨粉盤)、導(dǎo)線、毫米刻度尺、交流電源.2.實(shí)驗(yàn)步驟(1)安裝電源連接好.圖1(2)打紙帶：在紙帶的一端把重物用夾子固定好，另一端穿過打點(diǎn)計(jì)時器的限位孔，用手豎直提起紙帶使重物?？吭诖螯c(diǎn)計(jì)時器附近.先接通電源后釋放紙帶，讓重物拉著紙帶自由下落.重復(fù)幾次，得到3～5條打好點(diǎn)的紙帶.(3)選紙帶并測量：選擇一條點(diǎn)跡清晰的紙帶，確定要研究的開始和結(jié)束的位置，測量兩位置之間的距離Δh及兩位置時的速度，代入表達(dá)式進(jìn)行驗(yàn)證.3.數(shù)據(jù)處理(1)計(jì)算各點(diǎn)對應(yīng)的瞬時速度：如圖乙所示，根據(jù)公式vn＝eq\f(hn＋1－h(huán)n－1,2T)，計(jì)算出某一點(diǎn)的瞬時速度vn.(2)機(jī)械能守恒定律的驗(yàn)證方法一：利用起始點(diǎn)和第n點(diǎn).選擇開始的兩點(diǎn)間距接近2mm的一條紙帶，打的第一個點(diǎn)為起始點(diǎn)，如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)mghn＝eq\f(1,2)mvn2，則機(jī)械能守恒定律得到驗(yàn)證.方法二：任取兩點(diǎn)A、B.如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)mghAB＝eq\f(1,2)mvB2－eq\f(1,2)mvA2，則機(jī)械守恒定律得到驗(yàn)證.方法三：圖像法(如圖2所示).圖2若在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)圖線是一條過原點(diǎn)且斜率為g的直線，則驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律.4.誤差分析本實(shí)驗(yàn)的誤差主要是由紙帶測量產(chǎn)生的偶然誤差以及重物和紙帶運(yùn)動中的空氣阻力及打點(diǎn)計(jì)時器的摩擦阻力引起的系統(tǒng)誤差.5.實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)(1)打點(diǎn)計(jì)時器安裝時，要使兩限位孔的中線在同一豎直線上，以減小摩擦阻力.(2)應(yīng)選用質(zhì)量和密度較大的重物.增大密度可以減小體積，可使空氣阻力的影響相對減小.(3)實(shí)驗(yàn)時，應(yīng)先接通電源，讓打點(diǎn)計(jì)時器正常工作后再松開紙帶讓重物下落.(4)本實(shí)驗(yàn)中的幾種驗(yàn)證方法均不需要(填“需要”或“不需要”)測重物的質(zhì)量m.(5)速度不能用v＝gt或v＝eq\r(2gh)計(jì)算，應(yīng)根據(jù)紙帶上測得的數(shù)據(jù)，利用vn＝eq\f(hn＋1－h(huán)n－1,2T)計(jì)算瞬時速度.案例2研究沿斜面下滑物體的機(jī)械能1.實(shí)驗(yàn)器材氣墊導(dǎo)軌、數(shù)字計(jì)時器、帶有遮光條的滑塊.2.實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，把氣墊導(dǎo)軌調(diào)成傾斜狀態(tài)，滑塊沿傾斜的氣墊導(dǎo)軌下滑時，忽略空氣阻力，重力勢能減小，動能增大.圖33.實(shí)驗(yàn)測量及數(shù)據(jù)處理(1)測量兩光電門之間的高度差Δh；(2)滑塊經(jīng)過兩光電門時遮光條遮光時間Δt1和Δt2，計(jì)算滑塊經(jīng)過兩光電門時的瞬時速度.若遮光條的寬度為ΔL，則滑塊經(jīng)過兩光電門時的速度分別為v1＝eq\f(ΔL,Δt1)，v2＝eq\f(ΔL,Δt2)；(3)若在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)滿足mgΔh＝eq\f(1,2)mv22－eq\f(1,2)mv12，則驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律.4.誤差分析兩光電門之間的距離稍大一些，可以減小誤差；遮光條的寬度越小，誤差越小.四、多物體組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒問題1.多個物體組成的系統(tǒng)，就單個物體而言，機(jī)械能一般不守恒，但就系統(tǒng)而言機(jī)械能往往是守恒的.2.關(guān)聯(lián)物體注意尋找用繩或桿相連接的物體間的速度關(guān)系和位移關(guān)系.3.機(jī)械能守恒定律表達(dá)式的選取技巧(1)當(dāng)研p來求解.(2)當(dāng)研究對象為兩個物體組成的系統(tǒng)時：①若兩個物體的重力勢能都在減小(或增加)，動能都在增加(或減小)，可優(yōu)先考慮應(yīng)用表達(dá)式ΔEk＝－ΔEp來求解.②若A物體的機(jī)械能增加，B物體的機(jī)械能減少，可優(yōu)先考慮用表達(dá)式ΔEA＝－ΔEB來求解.【特別提醒】機(jī)械能守恒定律的研究對象是幾個相互作用的物體組成的系統(tǒng)，經(jīng)常出現(xiàn)下面三種情況：(1)系統(tǒng)內(nèi)兩個物體直接接觸或通過彈簧連接.這類連接體問題應(yīng)注意各物體間不同能量形式的轉(zhuǎn)化關(guān)系.(2)系統(tǒng)內(nèi)兩個物體通過輕繩連接.如果和外界不存在摩擦力做功等問題時，只有機(jī)械能在兩物體之間相互轉(zhuǎn)移，兩物體組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒.解決此類問題的關(guān)鍵是在繩的方向上兩物體速度大小相等.(3)系統(tǒng)內(nèi)兩個物體通過輕桿連接.輕桿連接的兩物體繞固定轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，兩物體轉(zhuǎn)動的角速度相等.五、利用動能定理求變力做功1.動能定理不僅適用