(讲义)第1章 第5节 科学验证：机械能守恒定律-【提分教练】2023-2024学年新教材高中物理必修第二册(鲁科版2019)

第5节　科学验证：机械能守恒定律 [核心素养·明目标] 核心素养 学习目标 物理观念 (1)知道什么是机械能。 (2)知道物体的动能和势能可以相互转化。 (3)知道机械能守恒定律的内容及表达式。 (4)会描述能量守恒定律的内容。 科学思维 (1)能在熟悉的问题情境中运用机械能守恒定律，且在解决问题时建构物理模型。 (2)会分析机械能守恒的条件。 (3)能从机械能守恒的角度分析动力学问题，通过推理，获得结论。 科学探究 (1)能完成“验证机械能守恒定律”等物理实验。 (2)能提出实验中可能出现的物理问题。 (3)能在他人的帮助下设计实验方案、获取数据；能分析数据、验证机械能守恒定律。 科学态度与责任 通过对机械能守恒定律的验证，能认识科学规律的建立需要实验证据的检验；能用机械能守恒定律解释生产生活中的相关现象。 知识点一　机械能守恒定律 1．机械能 (1)定义：物体的动能与势能(弹性势能)之和称为机械能。 (2)表达式：E＝Ep＋Ek。 2．重力势能与动能的转化 如图所示，质量为m的木块，由A自由下落至C，中间经过B时速度为vB，取过C点的平面为参考平面，则 (1)在A点的机械能：EA＝EkA＋EpA＝0＋mgH＝mgH。 (2)在B点的机械能：EB＝EkB＋EpB＝mv＋mgh 由于v＝2g(H－h)，所以EB＝mgH。 (3)落至C点时的机械能：EC＝EkC＋EpC＝mv＋0 由于v＝2gH，所以EC＝mgH。 (4)结论：在只有重力做功的物体系统内，动能和重力势能可以相互转化，而总的机械能保持不变。 3．弹性势能与动能的转化 在只有弹力做功的物体系统内，动能和弹性势能可以相互转化，总的机械能保持不变。 4．机械能守恒定律及其应用 (1)内容 在只有重力或弹力做功的情况下，物体系统的动能与势能相互转化，机械能的总量保持不变。 (2)守恒定律表达式 ①mv＋mgh2＝mv＋mgh1。 ②Ek2＋Ep2＝Ek1＋Ep1。 (3)守恒条件 物体系统内只有重力或弹力做功。 　用细绳把铁锁吊在高处，并把铁锁拉到鼻子尖前由静止释放，保持头的位置不动，铁锁摆回来时，会打到鼻子吗？试试看，并解释原因。 提示：不会打到鼻子。联想伽利略的理想斜面实验，若没有阻力，铁锁刚好能回到初位置，遵循机械能守恒定律。若存在阻力，机械能损失，铁锁速度为零时的高度低于开始下落时的高度，铁锁一定不能打到鼻子。 思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)在一个运动过程中，既有重力做功，又有弹簧的弹力做功，则系统的机械能一定不守恒。 (×) (2)物体自由下落过程中经过A、B两位置，如图甲所示，此过程中物体的机械能一定守恒。 (√) 　　　 甲　　　　　乙 (3)物块沿斜面匀速下滑，如图乙所示，此过程中物块机械能守恒。 (×) 知识点二　验证机械能守恒定律 实验原理与方法：在只有重力做功的自由落体运动中，物体的重力势能和动能互相转化，但总的机械能保持不变。若物体某时刻瞬时速度为v，下落高度为h，则重力势能的减少量为mgh，动能的增加量为mv2，看它们在实验误差允许的范围内是否相等，若相等，则验证了机械能守恒定律。 　在本实验中g只能取9.8 m/s2，而不能取10 m/s2。 考点1　机械能守恒的条件 如图所示，过山车由高处在关闭发动机的情况下飞奔而下。(忽略轨道的阻力和其他阻力)过山车下滑时，过山车受哪些力作用？各做什么功？动能和势能怎么变化？机械能守恒吗？ 提示：过山车下滑时，如果忽略阻力作用，过山车受重力和轨道支持力作用；重力做正功，支持力不做功，动能增加，重力势能减少，机械能保持不变。 1．机械能守恒的条件 (1)从做功的角度看，只有重力(或弹力)做功，机械能守恒。 ①只有重力做功，单个物体的动能和重力势能相互转化，物体的机械能守恒。 ②只有弹力做功，物体的动能和弹簧的弹性势能相互转化，物体与弹簧组成的系统机械能守恒。 ③只有重力和弹力做功，物体的动能、重力势能和弹簧的弹性势能相互转化，物体和弹簧组成的系统机械能守恒。 (2)从能量转化的角度看，只有系统内动能和势能的相互转化，无其他形式能量的转化，系统机械能守恒。 2．机械能守恒的判断 (1)做功分析法(常用于单个物体) ⇒⇒⇒ (2)能量分析法(常用于多个物体组成的系统) ⇒⇒ 【典例1】　(多选)如图所示，下列关于机械能是否守恒的判断正确的是(　　) 甲　　　乙　　　丙　　　丁 A．甲图中，物体A将弹簧压缩的过程中，物体A机械能守恒 B．乙图中，A置于光滑水平面，物体B沿光滑斜面下滑，物体B机械能守恒 C．丙图中，不计任何阻力时A加速下落，B加速上升过程中，A、B组成的系统机械能守恒 D．丁图中，小球沿水平面做匀速圆锥摆运动时，小球的机械能守恒 [解题指导]　判断机械能