第八章 第4节 机械能守恒定律（Word教参）-【优化指导】2023-2024学年新教材高中物理必修第二册（人教版2019）

第4节　机械能守恒定律 物理观念 科学思维 科学态度与责任 1．会用能量观念分析具体实例中动能与势能(包括弹性势能)之间的相互转化。 2．理解机械能守恒定律的推导过程。 3．会从做功和能量转化的角度判断机械能是否守恒，能应用机械能守恒定律解决有关问题。 　　通过机械能守恒定律的学习，初步建立能量观念、体会守恒思想。 　　体会利用机械能守恒定律解决问题的便利性。 [对应学生用书P124] 一、动能与势能的相互转化 1．追寻守恒量：能量对于科学研究和日常生活有着巨大的影响，但要用一句话说清楚能量究竟是什么却非易事。 (1)如果不采用能量的概念，我们也可以利用以前的语言来描述伽利略的斜面实验，为了把小球从桌面提高到斜面上的某个位置，伽利略施加了与重力相反的力；当他释放小球时，重力使小球滚下斜面A；在斜面的底部，小球由于惯性而滚上斜面B。 (2)上面的描述不能直接表达一个最重要的事实：如果空气阻力和摩擦力小到可以忽略，小球必将准确地终止于它开始运动时的高度，不会更高一点，也不会更低一点。这说明某种“东西”在小球运动的过程中是不变的。 2．重力势能与动能的转化 (1)物体沿光滑斜面滑下时，重力对物体做正功，物体的重力势能减少，物体的动能增加；具有一定速度的物体沿光滑斜面上升时，重力对物体做负功，物体的动能减少，重力势能增加。 (2)重力势能可以与动能相互转化。 3．弹性势能可以与动能相互转化。被压缩的弹簧具有弹性势能，当弹簧恢复原来形状时，就把跟它接触的物体弹出去。这一过程中，弹力做正功，弹簧的弹性势能减少，而物体得到一定的速度，动能增加。弹簧的弹性势能转化成了物体的动能。 ↑ 4．机械能：重力势能、弹性势能与动能都是机械运动中的能量形式，统称为机械能。 二、机械能守恒定律 1．推导：从A到B过程，由动能定理得mg(h1－h2)＝mv22－mv12， 整理得mgh1＋mv12＝mgh2＋mv22。等式左边为物体初状态动能与势能之和，等式右边为物体末状态动能与势能之和。 2．内容：在只有重力或弹力做功的物体系统内，动能和势能可以相互转化，而总的机械能保持不变，这叫作机械能守恒定律。 3．应用机械能守恒定律解决问题只需考虑运动的初状态和末状态，不必考虑两个状态间过程的细节，即可以简化计算。 1．(物理与生活)如图所示的是正在运行的翻滚过山车，若它运行到最高处时关闭发动机，则在飞奔而下(忽略一切阻力)的过程中，判断下列说法的正误。(对的画“√”，错的画“×”) (1)通过重力做功，过山车动能和重力势能可以相互转化。(　　√　　) (2)过山车只受重力和弹力作用，其机械能守恒。(　　√　　) (3)过山车所受合力为零时，其机械能才守恒。(　　×　　) (4)只有重力做功，物体的机械能一定守恒。(　　√　　) (5)若过山车匀速下滑，则其机械能守恒。(　　×　　) 2．(教材拓展P92)“图8.4－4”滑雪者沿斜面下滑 (1)下滑时，滑雪者的机械能是否守恒？ (2)物体运动过程中有其他力做功，其他力做功的代数和为零。其机械能是否守恒？ 提示：(1)不守恒。 (2)不一定守恒。 [对应学生用书P125] 探究点一 动能与势能的相互转化 撑竿跳高是一项运动员经过持竿助跑，借助撑竿的支撑腾空，在完成一系列复杂的运动后越过横竿的运动。在体育比赛中，撑竿跳运动员起跳后在空中上升运动的过程如图所示。 [问题设计] 运动员的动能、弹性势能和重力势能如何变化？ 提示：动能减小，重力势能增加，弹性势能先增加后减小。 1．动能与势能的相互转化 由动能定理可知，所有外力做功会改变动能，即动能的改变等于合力做的功。 重力势能的变化仅由重力做功决定，重力做多少正功，重力势能就减少多少；重力做多少负功，重力势能就增加多少。 弹性势能的改变仅由弹簧弹力做功决定，弹力做多少正功，弹性势能就减少多少；弹力做多少负功，弹性势能就增加多少。 在只有重力做功的情况下，仅有动能与重力势能的相互转化；在只有弹力做功的情况下，仅有动能和弹性势能的相互转化。 2．机械能 (1)机械能是状态量，做机械运动的物体在某一位置时，具有确定的速度，也就有确定的动能和势能，即具有确定的机械能。 (2)机械能具有相对性，其大小与参考系、参考平面的选取有关。 (3)机械能是标量。 【例1】 (2023·山东临沂高一入学考试)如图所示，物理学习小组在空旷的室外测试某型号无人机负重飞行能力。测试时将重20 N的物体A固定在无人机上，并控制无人机完成以3 m/s的速度匀速上升、在空中悬停、以2 m/s的速度匀速下降三个阶段的测试项目，同时利用系统软件记录多次测量的相关信息，并做出测评报告。下列说法中(　　) ①匀速上升阶段，物体A相对于地面是运动的 ②匀速上升阶段，物体A的机械能不变 ③匀速下降