2017_2018學(xué)年高中物理第4章能量守恒與可持續(xù)發(fā)展課件（打包6套）滬科版.zip

2017_2018學(xué)年高中物理第4章能量守恒與可持續(xù)發(fā)展課件（打包6套）滬科版.zip,2017,_2018,學(xué)年,高中物理,能量,守恒,可持續(xù)發(fā)展,課件,打包,滬科版 第4章 4 1勢能的變化與機械功 學(xué)習(xí)目標1 認識重力做功與物體運動的路徑無關(guān)的特點 理解重力勢能的概念 2 理解重力做功與重力勢能變化的關(guān)系 3 知道重力勢能具有相對性 知道重力勢能是物體和地球所組成的系統(tǒng)所共有的 內(nèi)容索引 自主預(yù)習(xí)梳理 重點知識探究 當(dāng)堂達標檢測 自主預(yù)習(xí)梳理 一 研究重力做功跟重力勢能變化的關(guān)系1 重力勢能 1 定義 物體由于而具有的能 2 公式 Ep 式中h是物體重心到的高度 3 單位 符號 2 重力做功與重力勢能的變化 1 表達式 W Ep 2 兩種情況 物體由高處到低處 重力做功 重力勢能 物體由低處到高處 重力做功 重力勢能 增加 被舉高 mgh 參考平面 焦耳 J Ep1 Ep2 正 減少 負 二 重力做功與路徑無關(guān)1 重力做功的表達式 W h指初位置與末位置的 2 重力做功的特點 物體運動時 重力對它做的功只跟它的 有關(guān) 而跟物體運動的無關(guān) 三 彈性勢能1 定義 物體發(fā)生時具有的勢能叫做彈性勢能 2 大小 彈簧的勁度系數(shù)為k 彈簧的伸長量或壓縮量為x 則彈簧的彈性勢能Ep 彈性形變 mgh 高度差 初位置和末 位置的高度 路徑 1 判斷下列說法的正誤 1 重力做功與物體沿直線或曲線運動有關(guān) 2 物體只要運動 其重力一定做功 3 同一物體在不同位置的重力勢能分別為Ep1 3J Ep2 10J 則Ep1 Ep2 4 物體由高處到低處 重力一定做正功 重力勢能一定減少 5 重力做功一定與路徑無關(guān) 只與初 末位置的高度差有關(guān) 6 只要發(fā)生形變的物體就一定具有彈性勢能 2 將質(zhì)量為m的物體從地面上方H高處由靜止釋放 物體落在地面后地面出現(xiàn)一個深度為h的坑 如圖1所示 在此過程中 重力對物體做功為 重力勢能 填 減少 或 增加 了 圖1 mg H h 減少 mg H h 重點知識探究 一 重力做功的特點 如圖2所示 一個質(zhì)量為m的物體 從高度為h1的位置A分別按下列三種方式運動到高度為h2的位置B 在這個過程中思考并討論以下問題 1 根據(jù)功的公式求出甲 乙兩種情況下重力做的功 答案甲中W mgh mgh1 mgh2乙中W mglcos mgh mgh1 mgh2 答案 圖2 2 求出丙中重力做的功 答案把整個路徑AB分成許多很短的間隔AA1 A1A2 由于每一段都很小 每一小段都可以近似地看做一段傾斜的直線 答案 設(shè)每段小斜線的高度差分別為 h1 h2 則物體通過每段小斜線時重力做的功分別為mg h1 mg h2 物體通過整個路徑時重力做的功W mg h1 mg h2 mg h1 h2 mgh mgh1 mgh2 3 重力做功有什么特點 答案物體運動時 重力對它做的功只跟它的起點和終點的位置有關(guān) 而跟物體運動的路徑無關(guān) 答案 1 重力做功大小只與重力和物體高度變化有關(guān) 與物體受其他力及物體的運動狀態(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功 3 在一些往復(fù)運動或多個運動過程的復(fù)雜問題中求重力做功時 利用重力做功的特點 可以省去大量中間過程 一步求解 例1在同一高度 把三個質(zhì)量相同的球A B C分別以相等的速率豎直上拋 豎直下拋和平拋 它們都落到同一水平地面上 三個球在運動過程中 重力對它們做的功分別為WA WB WC 重力的平均功率分別為PA PB PC 則它們的大小關(guān)系為A WA WB WC PA PB PCB WA WB WC PA PB PCC WA WB WC PB PC PAD WA WB WC PA PB PC 解析由重力做功特點知 WA WB WC 由運動學(xué)知識知 從拋出到落地的時間 tB tC tA 答案 解析 二 重力勢能 如圖3所示 質(zhì)量為m的物體自高度為h2的A處下落至高度為h1的B處 求下列兩種情況下 重力做的功和重力勢能的變化量 并分析它們之間的關(guān)系 1 以地面為零勢能參考面 答案重力做的功W mg h mg h2 h1 選地面為零勢能參考面 EpA mgh2 EpB mgh1 重力勢能的變化量 Ep mgh1 mgh2 mg h 答案 圖3 2 以B處所在的平面為零勢能參考面 答案選B處所在的平面為零勢能參考面 重力做功W mg h mg h2 h1 物體的重力勢能EpA mg h2 h1 mg h EpB 0 重力勢能的變化量 Ep 0 mg h mg h 答案 綜上兩次分析可見W Ep 即重力做的功等于重力勢能的變化量的負值 而且重力勢能的變化與零勢能參考面的選取無關(guān) 1 重力做功與重力勢能變化的關(guān)系 W Ep1 Ep2 Ep2 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 選取不同的參考面 物體重力勢能的數(shù)值是不同的 故在計算重力勢能時 必須首先選取參考平面 3 重力勢能是標量 但有正負之分 物體在零勢能面上方 物體的重力勢能是正值 表示物體的重力勢能比在參考平面上時要多 物體在零勢能面下方 物體的重力勢能是負值 表示物體的重力勢能比在參考平面上時要少 4 重力勢能的變化量與參考平面的選擇無關(guān) 例2如圖4所示 質(zhì)量為m的小球 從離桌面H高處由靜止下落 桌面離地高度為h 若以桌面為參考平面 那么小球落地時的重力勢能及整個過程中重力勢能的變化分別是A mgh 減少mg H h B mgh 增加mg H h C mgh 增加mg H h D mgh 減少mg H h 解析以桌面為參考平面 落地時小球的重力勢能為 mgh 即末狀態(tài)的重力勢能為 mgh 初狀態(tài)的重力勢能為mgH 重力勢能的變化即為 mgh mgH mg H h 重力勢能減少了mg H h 故選D 答案 解析 圖4 三 重力做功與重力勢能變化的關(guān)系 例3如圖5所示 質(zhì)量為m的小球 用一長為l的細線懸于O點 將懸線拉直成水平狀態(tài) 并給小球一個向下的速度讓小球向下運動 O點正下方D處有一釘子 小球運動到B處時會以D為圓心做圓周運動 并經(jīng)過C點 若已知OD l 則小球由A點運動到C點的過程中 重力做功為多少 重力勢能減少了多少 圖5 答案 解析 負號表示小球的重力勢能減少了 1 重力做功與重力勢能變化的關(guān)系 W Ep1 Ep2 Ep 即重力勢能變化多少是由重力做功的多少唯一量度的 與物體除重力外是否還受其他力作用以及除重力做功外是否還有其他力做功等因素均無關(guān) 2 兩種情況 四 彈力做功與彈性勢能變化的關(guān)系 如圖6所示 物體與彈簧相連 物體在O點時彈簧處于原長 把物體向右拉到A處由靜止釋放 物體會由A向A 運動 則 答案正功減少 圖6 2 物體由O向A 運動的過程中 彈力對物體做什么功 彈簧的彈性勢能如何變化 1 物體由A向O運動的過程中 彈力對物體做什么功 彈簧的彈性勢能如何變化 答案負功增加 答案 1 對彈性勢能的理解 1 系統(tǒng)性 彈性勢能是發(fā)生彈性形變的物體上所有質(zhì)點因相對位置改變而具有的能量 因此彈性勢能具有系統(tǒng)性 2 相對性 彈性勢能的大小與選定的零勢能位置有關(guān) 對于彈簧 一般規(guī)定彈簧處于原長時的勢能為零勢能 注意 對于同一個彈簧 伸長和壓縮相同的長度時 彈簧的彈性勢能是相同的 2 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 彈力做負功時 彈性勢能增加 并且彈力做多少功 彈性勢能就變化多少 2 表達式 W彈 Ep Ep1 Ep2 3 使用范圍 在彈簧的彈性限度內(nèi) 注意 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) 例4如圖7所示 處于自然長度的輕質(zhì)彈簧一端與墻接觸 另一端與置于光滑地面上的物體接觸 現(xiàn)在物體上施加一水平推力F 使物體緩慢壓縮彈簧 當(dāng)推力F做功100J時 彈簧的彈力做功 J 以彈簧處于自然長度時的彈性勢能為零 則彈簧的彈性勢能為 J 圖7 解析在物體緩慢壓縮彈簧的過程中 推力F始終與彈簧彈力等大反向 所以推力F做的功等于物體克服彈簧彈力所做的功 即W彈 WF 100J 由彈力做功與彈性勢能的變化關(guān)系知 彈性勢能增加了100J 答案 解析 100 100 針對訓(xùn)練如圖8所示 輕彈簧下端系一重物 O點為其平衡位置 即重物重力和彈簧彈力大小相等的位置 現(xiàn)用手向下拉重物 第一次把它直接拉到A點 彈力做功為W1 第二次把它拉到B點后再讓其回到A點 彈力做功為W2 則這兩次彈力做功的關(guān)系為A W1 W2B W1 2W2C W2 2W1D W1 W2 解析彈力做功與路徑無關(guān) 彈力做的功等于彈性勢能變化量的負值 兩個過程中彈簧形變量相同 因此彈性勢能的變化量相同 所以彈力做的功相同 故W1 W2 D正確 圖8 答案 解析 當(dāng)堂達標檢測 1 重力做功的特點 如圖9所示 某物塊分別沿三條不同的軌道由離地面高h的A點滑到同一水平面上 軌道1 2是光滑的 軌道3是粗糙的 則A 沿軌道1滑下重力做的功多B 沿軌道2滑下重力做的功多C 沿軌道3滑下重力做的功多D 沿三條軌道滑下重力做的功一樣多 解析重力做功的多少只與初 末位置的高度差有關(guān) 與路徑無關(guān) D選項正確 1 2 3 4 答案 解析 圖9 1 2 3 4 答案 解析 2 重力勢能的理解 關(guān)于重力勢能 下列說法正確的是A 重力勢能是地球和物體共同具有的 而不是物體單獨具有的B 處在同一高度的物體 具有的重力勢能相同C 重力勢能是標量 不可能有正 負值D 浮在海面上的小船的重力勢能一定為零 1 2 3 4 解析重力勢能具有系統(tǒng)性 重力勢能是物體與地球共有的 故A正確 重力勢能等于mgh 其中h是相對于參考平面的高度 參考平面不同 h不同 另外質(zhì)量也不一定相同 故處在同一高度的物體 其重力勢能不一定相同 選項B錯誤 重力勢能是標量 但有正負 負號表示物體在參考平面的下方 故C錯誤 零勢能面的選取是任意的 并不一定選擇海平面為零勢能面 故浮在海面上的小船的重力勢能不一定為零 選項D錯誤 3 彈力做功與彈性勢能變化的關(guān)系 多選 如圖10所示 一個物體以速度v0沖向與豎直墻壁相連的輕質(zhì)彈簧 墻壁和物體間的彈簧被物體壓縮 在此過程中 以下說法正確的是A 物體對彈簧做的功與彈簧的壓縮量成正比B 物體向墻壁運動相同的位移 彈力做的功不相等C 彈簧的彈力做正功 彈性勢能增加D 彈簧的彈力做負功 彈性勢能增加 1 2 3 4 答案 解析 圖10 1 2 3 4 解析由W kx2知 選項A錯誤 彈簧開始被壓縮時彈力小 彈力做的功也少 彈簧的壓縮量變大時 物體移動相同的距離做的功多 故選項B正確 物體壓縮彈簧的過程 彈簧的彈力與物體的位移方向相反 所以彈力做負功 彈性勢能增加 故選項C錯誤 選項D正確 4 重力做功與重力勢能變化的關(guān)系 在離地高80m處無初速度釋放一小球 小球質(zhì)量為m 200g 不計空氣阻力 g取10m s2 取最高點所在水平面為零勢能參考平面 求 1 在第2s末小球的重力勢能 答案 40J 重力勢能為 Ep mgh 0 2 10 20J 40J 1 2 3 4 答案 解析 2 3s內(nèi)重力所做的功及重力勢能的變化 答案90J減少了90J 3s內(nèi)重力做功為 W mgh 0 2 10 45J 90JW 0 所以小球的重力勢能減少 且減少了90J 1 2 3 4 答案 解析 第4章 4 2 1研究機械能守恒定律 一 機械能守恒定律及其應(yīng)用 學(xué)習(xí)目標1 知道什么是機械能 知道物體的動能和勢能可以相互轉(zhuǎn)化 2 能夠根據(jù)動能定理 重力做功與重力勢能變化間的關(guān)系 推導(dǎo)出機械能守恒定律 3 會根據(jù)機械能守恒的條件判斷機械能是否守恒 能運用機械能守恒定律解決有關(guān)問題 內(nèi)容索引 自主預(yù)習(xí)梳理 重點知識探究 當(dāng)堂達標檢測 自主預(yù)習(xí)梳理 一 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 動能 物體的轉(zhuǎn)化為 若重力對物體做負功 則物體的重力勢能 動能 物體的轉(zhuǎn)化為 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 物體的動能 彈簧的轉(zhuǎn)化為物體的 若彈力對物體做負功 則彈簧的彈性勢能 物體的動能 物體的轉(zhuǎn)化為 3 機械能 與動能統(tǒng)稱為機械能 減少 增加 重力勢能 動能 增加 減少 動能 重力勢能 減少 增加 彈性勢能 動能 增加 減少 動能 彈簧的彈性勢能 重力勢能 彈性勢能 二 機械能守恒定律1 內(nèi)容 在只有或做功的物體系統(tǒng)內(nèi) 能與能可以互相轉(zhuǎn)化 而保持不變 2 表達式 E Ek Ep 恒量 總的機械能 重力 彈力 動 勢 1 判斷下列說法的正誤 1 機械能守恒時 物體一定只受重力和彈力作用 2 合力為零 物體的機械能一定守恒 3 合力做功為零 物體的機械能保持不變 4 只有重力做功時 物體的機械能一定守恒 2 如圖1所示 桌面高為h 質(zhì)量為m的小球從離桌面高為H處自由下落 不計空氣阻力 假設(shè)桌面處的重力勢能為零 則小球落到地面前瞬間的機械能為 圖1 mgH 重點知識探究 一 機械能守恒定律 如圖2所示 質(zhì)量為m的物體自由下落的過程中 經(jīng)過高度為h1的A處時速度為v1 下落到高度為h2的B處時速度為v2 不計空氣阻力 選擇地面為參考平面 1 求物體在A B處的機械能EA EB 圖2 答案 2 比較物體在A B處的機械能的大小 答案 下落過程中重力對物體做功 重力做的功等于物體重力勢能變化量的相反數(shù) 則W mgh1 mgh2 由此可知物體在A B兩處的機械能相等 機械能守恒定律的理解1 守恒 是指系統(tǒng)能量的轉(zhuǎn)化只限于動能 重力勢能和彈性勢能 沒有其他能量參與 而且在整個過程中的任何時刻 任何位置 機械能的總量總保持不變 2 條件 1 只有重力或彈力做功 其他力不做功 注意 條件不是合力做功等于零 也不是合力等于零 2 只發(fā)生動能和勢能 重力勢能和彈性勢能 的相互轉(zhuǎn)化 無其他形式的能參與轉(zhuǎn)化 例1 多選 不計空氣阻力 下列說法中正確的是A 用繩子拉著物體勻速上升 只有重力和繩子的拉力對物體做功 物體機械能守恒B 做豎直上拋運動的物體 只有重力對物體做功 物體機械能守恒C 沿光滑斜面自由下滑的物體 只有重力對物體做功 物體機械能守恒D 用水平拉力使物體沿光滑水平面做勻加速直線運動 物體機械能守恒 答案 例2 多選 如圖3所示 彈簧固定在地面上 一小球從它的正上方A處自由下落 到達B處開始與彈簧接觸 到達C處速度為0 不計空氣阻力 則在小球從B到C的過程中A 彈簧的彈性勢能不斷增加B 彈簧的彈性勢能不斷減少C 小球和彈簧組成的系統(tǒng)機械能不斷減少D 小球和彈簧組成的系統(tǒng)機械能保持不變 解析從B到C 小球克服彈力做功 彈簧的彈性勢能不斷增加 A正確 B錯誤 對小球 彈簧組成的系統(tǒng) 只有重力和系統(tǒng)內(nèi)彈力做功 系統(tǒng)機械能守恒 C錯誤 D正確 答案 解析 圖3 二 機械能守恒定律的應(yīng)用 例3如圖4所示 質(zhì)量m 70kg 包括雪具 的運動員以10m s的速度從高h 10m的滑雪場A點沿斜坡自由滑下 以最低點B所在的水平面為零勢能面 一切阻力可忽略不計 求運動員 g 10m s2 1 在A點時的機械能 答案10500J 圖4 答案 解析 2 到達最低點B時的速度大小 答案 解析 3 相對于B點能到達的最大高度 答案15m 答案 解析 解析運動員從A點運動到斜坡上最高點的過程中 由機械能守恒定律得E mgh 1 機械能守恒定律的應(yīng)用步驟首先對研究對象進行正確的受力分析 判斷各個力是否做功 并分析是否符合機械能守恒的條件 若機械能守恒 則根據(jù)機械能守恒定律列出方程 或再輔以其他方程進行求解 2 機械能守恒定律常用的三種表達式 1 從不同狀態(tài)看 Ek1 Ep1 Ek2 Ep2 或E1 E2 此式表示系統(tǒng)的兩個狀態(tài)的機械能總量相等 2 從能的轉(zhuǎn)化角度看 Ek Ep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 EA增 EB減 此式表示系統(tǒng)A部分機械能的增加量等于系統(tǒng)B部分機械能的減少量 針對訓(xùn)練某游樂場過山車簡化模型如圖5所示 光滑的過山車軌道位于豎直平面內(nèi) 該軌道由一段斜軌道和與之相切的圓形軌道連接而成 圓形軌道的半徑為R 可視為質(zhì)點的過山車從斜軌道上某處由靜止開始下滑 然后沿圓形軌道運動 答案2 5R 答案 解析 圖5 1 若要求過山車能通過圓形軌道最高點 則過山車初始位置相對于圓形軌道底部的高度至少要多少 解析設(shè)過山車總質(zhì)量為M 從高度h1處開始下滑 恰能以v1通過圓形軌道最高點 由 式得 h1 2 5R即高度至少為2 5R 2 考慮到游客的安全 要求全過程游客受到的支持力不超過游客自身重力的7倍 過山車初始位置相對于圓形軌道底部的高度不得超過多少 答案3R 答案 解析 解析設(shè)從高度h2處開始下滑 游客質(zhì)量為m 過圓周最低點時速度為v2 游客受到的支持力最大是N 7mg 由 式得 h2 3R即高度不得超過3R 當(dāng)堂達標檢測 1 機械能是否守恒的判斷 多選 下列物體中 機械能守恒的是A 做平拋運動的物體B 被勻速吊起的集裝箱C 光滑曲面上自由運動的物體D 以g的加速度豎直向上做勻減速運動的物體 1 2 3 答案 1 2 3 答案 解析 2 機械能守恒定律的應(yīng)用 如圖6所示 從光滑的圓弧槽的最高點靜止滑下的小物塊 滑出槽口時速度沿水平方向 槽口與一個半球頂點相切 半球底面在水平面內(nèi) 若要使小物塊滑出槽口后不沿半球面下滑 已知圓弧軌道的半徑為R1 半球的半徑為R2 則R1與R2的關(guān)系為A R1 R2B R1 R2 圖6 1 2 3 要使小物塊滑出槽口后不沿半球面下滑 即做平拋運動 則 3 機械能守恒定律的應(yīng)用 如圖7所示 裝置由一理想彈簧發(fā)射器及兩個軌道組成 其中軌道 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 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 上升到B點 當(dāng)彈簧壓縮量為2d時 恰能使滑塊沿軌道 上升到C點 g取10m s2 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 圖7 答案0 1J2m s 1 2 3 答案 解析 1 2 3 解析以A點所在的水平面為參考平面 由機械能守恒定律可得E彈 Ek Ep mgh1 0 05 10 0 2J 0 1J 2 求滑塊與軌道BC間的動摩擦因數(shù) 答案0 5 解析由E彈 d2可得 Ek E彈 4E彈 4mgh1由動能定理可得 mg h1 h2 mgL Ek 解得 0 5 答案 解析 1 2 3 3 當(dāng)彈簧壓縮量為d時 若沿軌道 運動 滑塊能否上升到B點 請通過計算說明理由 答案不一定 原因見解析 由機械能守恒定律有v v0 2m s得Rm 0 4m當(dāng)R 0 4m時 滑塊能上升到B點 當(dāng)R 0 4m時 滑塊不能上升到B點 答案 解析 1 2 3 第4章 4 2 2研究機械能守恒定律 二 實驗探究 驗證機械能守恒定律 學(xué)習(xí)目標1 理解實驗的設(shè)計思路 明確實驗中需要直接測量的物理量 2 知道實驗中選取測量點的有關(guān)要求 會根據(jù)紙帶測定物體下落的高度 掌握測量瞬時速度的方法 3 能正確進行實驗操作 分析實驗數(shù)據(jù)得出結(jié)論 能定性地分析產(chǎn)生誤差的原因 內(nèi)容索引 自主預(yù)習(xí)梳理 重點知識探究 當(dāng)堂達標檢測 自主預(yù)習(xí)梳理 一 實驗原理只有重力對物體做功的過程 比較物體重力勢能的變化量與動能變化量 若滿足 則說明機械能守恒 Ep Ek 二 兩種驗證方案方案一用單擺和DIS裝置驗證機械能守恒1 實驗步驟 1 如圖1 在鐵架臺上端用鐵架懸掛一個擺球 2 在方格紙上確定4至5個點作為測量點 3 安裝光電傳感器 并使之與數(shù)據(jù)采集器相連接 4 讓擺球從某一高度向下擺動 分別測定擺球在擺動過程中任意時刻的動能和重力勢能 5 研究每一個測量點上機械能的總量有什么特點 圖1 2 注意事項 1 小球運動時 應(yīng)使其軌跡在一豎直面內(nèi) 避免做圓錐擺運動 2 調(diào)整帶方格紙的木板 應(yīng)使其豎線在豎直方向上 3 為準確測定小球在各位置的瞬時速度 可在小球下部安置一塊擋光片 并確保擋光片在豎直面內(nèi) 方案二用自由落下的重物和打點計時器驗證機械能守恒1 實驗步驟 1 安裝置 按圖2甲把打點計時器安裝在鐵架臺上 用導(dǎo)線把打點計時器與電源連接好 圖2 2 打紙帶 在紙帶的一端把重物用夾子固定好 另一端穿過打點計時器的限位孔 用手豎直提起紙帶使重物?？吭诖螯c計時器附近 先接通電源后放手 讓重物拉著紙帶自由下落 重復(fù)幾次 得到3 5條打好點的紙帶 3 選紙帶 從打好點的紙帶中挑選點跡清晰且開始的兩點間距接近2mm的一條紙帶 在起始點標上0 以后任取間隔相同時間的點依次標上1 2 3 4 測距離 用刻度尺測出0到1 2 3 的距離 即為對應(yīng)下落的高度h1 h2 h3 2 數(shù)據(jù)處理 2 機械能守恒定律驗證方法一 利用起始點和第n點 方法二 任取兩點A B 方法三 圖像法 如圖3所示 圖3若在實驗誤差允許范圍內(nèi)圖線是一條過原點且斜率為g的直線 則驗證了機械能守恒定律 3 誤差分析本實驗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動中的空氣阻力及打點計時器的摩擦阻力引起的系統(tǒng)誤差 4 實驗注意事項 1 打點計時器安裝要穩(wěn)固 并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 增大重力可使阻力的影響相對減小 增大密度可以減小體積 可使空氣阻力相對減小 3 實驗時 應(yīng)先接通電源 讓打點計時器正常工作后再松開紙帶讓重物下落 4 本實驗中的兩種驗證方法均不需要測重物的質(zhì)量m 重點知識探究 一 實驗原理及基本操作 例1在利用自由落體運動驗證機械能守恒定律的實驗中 電源的頻率為50Hz 依次打出的點為0 1 2 3 4 n 則 1 如用第2點到第6點之間的紙帶來驗證 必須直接測量的物理量為 必須計算出的物理量為 驗證的表達式為 第2點 到第6點之間的距離h26 第1點到第3點之間的距離h13 第5點到第7點 之間的距離h57 第2點的瞬時速度v2 第6點的 瞬時速度v6 答案 解析 2 下列實驗步驟操作合理的排列順序是 填寫步驟前面的字母 A 將打點計時器豎直安裝在鐵架臺上 B 先接通電源 再松開紙帶 讓重物自由下落 C 取下紙帶 更換新紙帶 或?qū)⒓垘Х瓊€面 重新做實驗 D 將重物固定在紙帶的一端 讓紙帶穿過打點計時器 用手提著紙帶 E 選擇一條紙帶 用刻度尺測出物體下落的高度h1 h2 h3 hn 計算出對應(yīng)的瞬時速度v1 v2 v3 vn ADBCEF 處理實驗問題 要明確實驗原理 根據(jù)原理設(shè)計實驗步驟 有針對性的分析問題 針對訓(xùn)練 多選 用自由落體法驗證機械能守恒定律 就是看是否等于mghn n為計數(shù)點的編號 下列說法中正確的是A 打點計時器打第一個點0時 重物的速度為零B hn是計數(shù)點n到起始點0的距離C 必須測量重物的質(zhì)量D 用vn gtn計算vn時 tn n 1 T T為打點周期 答案 解析 解析本實驗的原理是利用重物的自由落體運動來驗證機械能守恒定律 因此打點計時器打第一個點時 重物運動的速度應(yīng)為零 A正確 hn與vn分別表示打第n個點時重物下落的高度和對應(yīng)的瞬時速度 B正確 二 數(shù)據(jù)處理及誤差分析 例2某實驗小組 用落體法驗證機械能守恒定律 實驗裝置如圖4甲所示 實驗中測出重物自由下落的高度h及對應(yīng)的瞬時速度v 計算出重物減少的重力勢能mgh和增加的動能mv2 然后進行比較 如果兩者相等或近似相等 即可驗證重物自由下落過程中機械能守恒 請根據(jù)實驗原理和步驟完成下列問題 圖4 1 關(guān)于上述實驗 下列說法中正確的是 A 重物最好選擇密度較小的木塊B 重物的質(zhì)量可以不測量C 實驗中應(yīng)先接通電源 后釋放紙帶D 可以利用公式v 來求解瞬時速度 答案 解析 解析重物最好選擇密度較大的鐵塊 受到的阻力較小 故A錯誤 2 如圖乙是該實驗小組打出的一條點跡清晰的紙帶 紙帶上的O點是起始點 選取紙帶上連續(xù)的點A B C D E F作為計數(shù)點 并測出各計數(shù)點到O點的距離依次為27 94cm 32 78cm 38 02cm 43 65cm 49 66cm 56 07cm 已知打點計時器所用的電源是50Hz的交流電 重物的質(zhì)量為0 5kg 則從計時器打下點O到打下點D的過程中 重物減小的重力勢能 Ep J 重物增加的動能 Ek J 兩者不完全相等的原因可能是 重力加速度g取9 8m s2 計算結(jié)果保留三位有效數(shù)字 2 14 2 12 重物下落過程中受到阻力作用 答案 解析 解析重力勢能減小量 Ep mgh 0 5 9 8 0 4365J 2 14J 利用勻變速直線運動的推論 由于存在阻力作用 所以減小的重力勢能大于動能的增加 3 實驗小組的同學(xué)又正確計算出圖乙中打下計數(shù)點A B C D E F各點的瞬時速度v 以各計數(shù)點到A點的距離h 為橫軸 v2為縱軸作出圖像 如圖丙所示 根據(jù)作出的圖線 能粗略驗證自由下落的物體機械能守恒的依據(jù)是 圖像的斜率等于19 52m s2 約為重力加速度g的兩倍 故能驗證 當(dāng)圖像的斜率為重力加速度的2倍時 即可驗證機械能守恒 因此能粗略驗證自由下落的物體機械能守恒 答案 解析 當(dāng)堂達標檢測 1 實驗器材及誤差分析 如圖5為驗證機械能守恒定律的實驗裝置示意圖 現(xiàn)有的器材為 帶鐵夾的鐵架臺 電磁打點計時器 紙帶 帶鐵夾的重錘 回答下列問題 1 為完成此實驗 除了所給的器材 還需要的器材有 填入正確選項前的字母 A 米尺B 秒表C 低壓直流電源D 低壓交流電源 圖5 解析在處理數(shù)據(jù)時需要測量長度 故需要米尺 電磁打點計時器工作時需要使用低壓交流電源 所以選項A D正確 1 2 答案 解析 2 實驗中產(chǎn)生誤差的原因有 寫出兩個原因即可 解析造成誤差的原因有 紙帶和打點計時器之間有摩擦 用米尺測量紙帶上點的位置時讀數(shù)有誤差 計算勢能變化時 選取始末位置過近 交流電頻率不穩(wěn)定 1 2 紙帶和打點計時器之間有摩擦 用米尺測量紙帶上點的位置時讀數(shù)有誤差 計算勢能變化時 選取始末位置過近 交流電頻率不穩(wěn)定 任選其二 答案 解析 3 實驗中由于打點計時器兩限位孔不在同一豎直線上 使紙帶通過時受到較大阻力 這樣將造成 解析由于阻力作用 物體重力勢能的減少量大于動能的增加量 即mgh mv2 選項B正確 1 2 答案 解析 1 2 2 實驗原理及誤差分析 如圖6所示 兩個質(zhì)量各為m1和m2的小物塊A和B 分別系在一條跨過定滑輪的軟繩兩端 已知m1 m2 現(xiàn)要利用此裝置驗證機械能守恒定律 1 若選定物塊A從靜止開始下落的過程中進行測量 則需要測量的物理量有 填序E號 物塊的質(zhì)量m1 m2 物塊A下落的距離及下落這段距離所用的時間 物塊B上升的距離及上升這段距離所用的時間 繩子的長度 圖6 或 答案 2 為提高實驗結(jié)果的準確程度 某小組同學(xué)對此實驗提出以下建議 軟繩的質(zhì)量要輕 在 輕質(zhì)繩 的前提下 繩子越長越好 盡量保證物塊只沿豎直方向運動 不要搖晃 兩個物塊的質(zhì)量之差要盡可能小 以上建議中確實對提高準確度有作用的是 填序號 3 寫出一條上面沒有提到的對提高實驗結(jié)果準確度有益的建議 例如 對同一高度進行多次測量取平均值 選取受力后相對伸長量盡量小的繩 盡量減小滑輪的質(zhì)量 對滑輪轉(zhuǎn)動軸進行潤滑 等等 任選一個即可 1 2 答案 第4章 4 3能量的轉(zhuǎn)化與守恒4 4能源與可持續(xù)發(fā)展 學(xué)習(xí)目標1 掌握能量守恒定律 知道能量守恒定律是最基本 最普遍的自然規(guī)律之一 2 了解能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的方向性 認識人類珍惜和保護能源和資源的必要性 3 了解我國能源狀況 認識能源與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的必要性 4 掌握各種功能關(guān)系 會應(yīng)用功能關(guān)系和能量守恒定律解決問題 內(nèi)容索引 自主預(yù)習(xí)梳理 重點知識探究 當(dāng)堂達標檢測 自主預(yù)習(xí)梳理 一 能量的轉(zhuǎn)化與守恒1 能量的多樣性 自然界中能量的形式有多種 如 機械能 電磁能 化學(xué)能 核能 生物能等 各種不同形式的能量可以相互 2 能量守恒定律 1 內(nèi)容 能量既不能憑空產(chǎn)生 也不能憑空消失 它只能從一種形式 為另一種形式 或者從一個物體到另一個物體 在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中其 2 能量守恒定律是自然界中最基本 最普遍的規(guī)律 它宣布第一類永動機 不消耗能量而連續(xù)不斷地對外做功 或者消耗少量能量而做大量的功的機器 是 填 可能 或 不可能 制成的 內(nèi)能 光能 轉(zhuǎn)化 轉(zhuǎn)化 轉(zhuǎn)移 總量不變 不可能 二 能源與可持續(xù)發(fā)展1 能量的轉(zhuǎn)化效率 1 任何機器都 填 可能 或 不可能 將輸入的能量全部轉(zhuǎn)化為有用的能量 2 能量的轉(zhuǎn)化效率 3 機器的能量轉(zhuǎn)化效率 填 一定小于 或 可以等于 100 2 能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的方向性研究和事實都表明 能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移具有性 或者說 能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移具有性 不可能 一定小于 方向 不可逆 3 第二類永動機 填 違反 或 不違反 能量守恒定律 但 填 違反 或 不違反 能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的不可逆性 因此不可能制成 4 能源開發(fā) 利用與環(huán)境保護 1 煤 天然氣等化石燃料是目前所用的主要能源 是 填 可以 或 不可 再生的 2 能源的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略 盡可能地開發(fā)和利用各種 千方百計地提高不可再生能源的合理和轉(zhuǎn)化效率 并且厲行節(jié)約 避免浪費 利用率 不違反 違反 石油 不可 新能源 1 判斷下列說法的正誤 1 任何能量之間的轉(zhuǎn)化都遵循能量守恒定律 2 因為能量守恒 所以我們不需要節(jié)能 3 能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移具有不可逆性 4 任何機器的能量轉(zhuǎn)化效率都低于100 5 第一類永動機不能制成是因為違反了能量守恒定律 6 第二類永動機不可能制成是因為違反了能量守恒定律 2 一個質(zhì)量為60kg的登山運動員 他登山時平均每小時登高500m 豎直高度 已知人體內(nèi)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能的效率為25 那么他在3h內(nèi)消耗的化學(xué)能為 J g取10m s2 3 6 106 解析3h內(nèi)增加的機械能 E mgh 60 10 500 3J 9 105J 答案 解析 重點知識探究 一 能量守恒定律的理解 1 在驗證機械能守恒定律的實驗中 計算結(jié)果發(fā)現(xiàn) 重物減少的重力勢能的值總大于增加的動能的值 即機械能的總量在減少 機械能減少的原因是什么 減少的部分機械能是消失了嗎 答案機械能減少的原因是由于要克服摩擦阻力和空氣阻力做功 機械能轉(zhuǎn)化成了內(nèi)能 不是 答案 2 請說明下列現(xiàn)象中能量是如何轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的 植物進行光合作用 答案光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能 答案 放在火爐旁的冰融化變熱 答案內(nèi)能由火爐轉(zhuǎn)移到冰 電流通過燈泡 燈泡發(fā)光 答案電能轉(zhuǎn)化為光能 1 適用范圍 能量守恒定律是貫穿物理學(xué)的基本規(guī)律 是各種自然現(xiàn)象中普遍適用的一條規(guī)律 2 能量守恒定律的理解某種形式的能減少 一定存在其他形式的能增加 且減少量和增加量一定相等 某個物體的能量減少 一定存在其他物體的能量增加 且減少量和增加量一定相等 例1 多選 從光滑斜面上滾下的物體 最后停止在粗糙的水平面上 說明A 在斜面上滾動時 只有動能和勢能的相互轉(zhuǎn)化B 在斜面上滾動時 有部分勢能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能C 在水平面上滾動時 總能量正在消失D 在水平面上滾動時 機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 總能量守恒 解析在斜面上滾動時 只有重力做功 只發(fā)生動能和勢能的相互轉(zhuǎn)化 在水平面上滾動時 有摩擦力做功 機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 總能量是守恒的 答案 解析 二 能量守恒定律的應(yīng)用 1 能量守恒定律的表達式 1 從不同狀態(tài)看 E初 E末 2 從能的轉(zhuǎn)化角度看 E增 E減 3 從能的轉(zhuǎn)移角度看 EA增 EB減 2 能量守恒定律應(yīng)用的關(guān)鍵步驟 1 明確研究對象和研究過程 2 找全參與轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的能量 明確哪些能量增加 哪些能量減少 3 列出增加量和減少量之間的守恒式 例2如圖1所示 皮帶的速度是3m s 兩圓心的距離s 4 5m 現(xiàn)將m 1kg的小物體輕放在左輪正上方的皮帶上 物體與皮帶間的動摩擦因數(shù) 0 15 電動機帶動皮帶將物體從左輪運送到右輪正上方時 求 g取10m s2 1 小物體獲得的動能Ek 圖1 答案4 5J 解析設(shè)小物體與皮帶達到共同速度時 物體相對地面的位移為s 答案 解析 2 這一過程摩擦產(chǎn)生的熱量Q 答案4 5J 解析由 mg ma得a 1 5m s2 由v at得t 2s 則Q mg vt s 0 15 1 10 6 3 J 4 5J 解析 3 這一過程電動機消耗的電能E 答案9J 解析由能量守恒知E電 Ek Q 4 5J 4 5J 9J 三 功能關(guān)系的理解與應(yīng)用 1 功能關(guān)系概述 1 不同形式的能量之間的轉(zhuǎn)化是通過做功實現(xiàn)的 做功的過程就是能量之間轉(zhuǎn)化的過程 2 功是能量轉(zhuǎn)化的量度 做了多少功 就有多少能量發(fā)生轉(zhuǎn)化 2 功與能的關(guān)系 由于功是能量轉(zhuǎn)化的量度 某種力做功往往與某一種具體形式的能量轉(zhuǎn)化相聯(lián)系 具體功能關(guān)系如下 例3如圖2所示 在豎直平面內(nèi)有一半徑為R的圓弧軌道 半徑OA水平 OB豎直 一個質(zhì)量為m的小球自A的正上方P點由靜止開始自由下落 小球沿軌道到達最高點B時恰好對軌道沒有壓力 已知AP 2R 重力加速度為g 則小球從P到B的運動過程中A 重力做功2mgRB 機械能減少mgRC 合外力做功mgRD 克服摩擦力做功mgR 圖2 答案 解析 解析重力做功與路徑無關(guān) 所以WG mgR 選項A錯 克服摩擦力做的功等于機械能的減少量 故選項D對 例4如圖3所示 在光滑的水平面上 有一質(zhì)量為M的長木塊以一定的初速度向右勻速運動 將質(zhì)量為m的小鐵塊無初速度地輕放到長木塊右端 小鐵塊與長木塊間的動摩擦因數(shù)為 當(dāng)小鐵塊在長木塊上相對長木塊滑動L時與長木塊保持相對靜止 此時長木塊對地的位移為l 求這個過程中 1 小鐵塊增加的動能 答案 mg l L 解析畫出這一過程兩物體位移示意圖 如圖所示 根據(jù)動能定理得 mg l L Ek即小鐵塊動能的增加量等于滑動摩擦力對小鐵塊做的功 圖3 答案 解析 2 長木塊減少的動能 答案 mgl 解析摩擦力對長木塊做負功 根據(jù)功能關(guān)系得 EkM mgl 即長木塊減少的動能等于長木塊克服摩擦力做的功 mgl 答案 解析 3 系統(tǒng)機械能的減少量 答案 mgL 解析系統(tǒng)機械能的減少量等于系統(tǒng)克服摩擦力做的功 E mgL 4 系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量 答案 mgL 解析m M間相對滑動的位移為L 根據(jù)能量守恒定律 有Q mgL 即摩擦力對系統(tǒng)做的總功等于系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量 也等于系統(tǒng)減少的機械能 答案 解析 當(dāng)堂達標檢測 1 能源的利用 關(guān)于能源的開發(fā)和應(yīng)用 下列說法中正確的是A 能源應(yīng)用的過程就是內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能的過程B 化石能源的能量歸根結(jié)底來自于太陽能 因此化石能源永遠不會枯竭C 在廣大的農(nóng)村推廣沼氣前景廣闊 意義重大 既變廢為寶 減少污染 又大量節(jié)約能源D 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 煤炭資源將取之不盡 用之不竭 1 2 3 答案 解析 解析能源應(yīng)用過程并不單純是將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能的過程 各種轉(zhuǎn)化形式均可為人類服務(wù) A錯誤 化石能源的能量雖然來自太陽能 但要經(jīng)過數(shù)億年的地質(zhì)演變才能形成 且儲量有限 為不可再生能源 B錯誤 在廣大農(nóng)村推廣沼氣對改善農(nóng)村環(huán)境 節(jié)約能源意義重大 功在當(dāng)代 利在千秋 C正確 無論技術(shù)先進與否 煤炭資源不可能取之不盡 用之不竭 D錯誤 故選C 1 2 3 1 2 3 答案 解析 2 功能關(guān)系 多選 如圖4所示 質(zhì)量為M的木塊放在光滑的水平面上 質(zhì)量為m的子彈以速度v0沿水平方向射中木塊 并最終留在木塊中與木塊一起以速度v運動 已知當(dāng)子彈相對木塊靜止時 木塊前進距離為l 子彈進入木塊的深度為d 若木塊對子彈的阻力f視為恒定 則下列關(guān)系式中正確的是 圖4 解析畫出運動過程示意圖 從圖中不難看出 當(dāng)木塊前進距離為l 子彈進入木塊的深度為d時 子彈相對于地面發(fā)生的位移為l d 由牛頓第三定律知 子彈對木塊的作用力大小也為f 木塊對子彈的作用力對子彈做負功 由動能定理得 所以 本題正確選項為A C D 1 2 3 3 能量守恒定律的應(yīng)用 如圖5所示 一物體質(zhì)量m 2kg 在傾角 37 的斜面上的A點以初速度v0 3m s下滑 A點距彈簧上端B的距離AB 4m 當(dāng)物體到達B后將彈簧壓縮到C點 最大壓縮量BC 0 2m 然后物體又被彈簧彈上去 彈到最高位置為D點 D點距A點AD 3m 擋板及彈簧質(zhì)量不計 g取10m s2 sin37 0 6 cos37 0 8 求 小數(shù)點后保留兩位小數(shù) 1 物體與斜面間的動摩擦因數(shù) 答案0 52 1 2 3 答案 解析 圖5 1 2 3 解析物體從開始位置A點到最后D點的過程中 彈性勢能沒有發(fā)生變化 動能和重力勢能減少 物體克服摩擦力產(chǎn)生的熱量為Q fs 其中s為物體的路程 即s 5 4mf mgcos37 由能量守恒定律可得 E Q 由 式解得 0 52 2 彈簧的最大彈性勢能Epm 答案24 46J 重力勢能減少 Ep mglACsin37 摩擦生熱Q flAC mgcos37 lAC 由能量守恒定律得彈簧的最大彈性勢能為Epm Ek Ep Q 聯(lián)立 解得Epm 24 46J 答案 解析 解析物體由A到C的過程中 1 2 3