第4章 5.机械能守恒定律-【金版新学案】2025-2026学年高中物理必修第二册同步课堂高效讲义配套课件（教科版）

该高中物理课件聚焦“机械能及其守恒定律”，通过过山车、荡秋千等情境导入，引导学生分析力做功与能量转化，结合动能定理推导守恒定律，构建从动能势能转化到守恒条件的知识支架。 其亮点在于以情境探究和问题链驱动科学思维，通过实例（如铁链下滑、弹簧问题）培养模型建构与科学推理能力，强化能量观念。采用“自主学习-课堂探究-针对训练”模式，帮助学生掌握守恒判断与应用，教师可直接用于课堂教学提升效率。

5．机械能守恒定律 　　　　 第四章　机械能及其守恒定律 1．知道什么是机械能，知道物体的动能和势能可以相互转化。 2．能够根据动能定理、重力做功与重力势能变化间的关系，推导出机械能守恒定律。 3．会根据机械能守恒的条件判断机械能是否守恒，能运用机械能守恒定律解决有关问题。 素养目标 知识点一　机械能守恒定律 1 知识点二　机械能守恒定律的应用 2 知识点三　非质点类物体机械能守恒的处理方法 3 课时测评 5 随堂演练 4 内容索引 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 知识点一　机械能守恒定律 返回 自主学习 情境导入　如图为大型游乐场中的翻滚过山车在关闭发动 机的情况下由高处飞奔而下的情景。若忽略过山车受到的 摩擦力和空气阻力，请回答下列问题。 (1)过山车受哪些力作用？各做什么功？ 提示：过山车受重力和轨道的弹力作用，重力做正功，弹力不做功。 (2)过山车下滑时，动能和势能怎样变化？ 提示：过山车的重力势能减小，动能增加，重力势能转化为动能。 教材梳理(阅读教材P102－P106完成下列填空) 1．机械能：动能和势能(包括重力势能和弹性势能)统称为机械能。 2．动能和重力势能间的转化 以荡秋千的情景为例：下降过程，重力势能______，动能______。 上升过程，重力势能______，动能______。 3．动能和弹性势能间的转化 以运动员击球的情景为例：网球触拍减速时，网线的弹性势能______，网球的动能______。网球反弹加速时，网线的弹性势能______，网球的动能______。 减少 增加 增加 减少 增大 减少 减少 增大 4．机械能守恒定律 (1)内容：在只有重力或弹力做功的系统内，动能和势能会发生__________，但总机械能保持不变。 (2)表达式：Ep1＋Ek1＝Ep2＋Ek2。 5．关于机械能转化与守恒的实验观察 (1)摆球实验中，细线对小球的拉力与小球的运动方向______，拉力不做功。 (2)只有重力做功或系统内弹力做功是机械能守恒的条件，只有重力对物体做功时，物体的机械能一定守恒；只有重力或系统内弹力做功时，系统的机械能一定守恒。 相互转化 垂直 课堂探究 师生互动　根据情境导学中的情境回答以下问题： 任务1.在运动过程中，过山车处在任两个位置时，机械能相等吗？ 提示：相等。 任务2.此情景中过山车所受的合力为零吗？ 提示：过山车做曲线运动，合力不为零。 任务3.试根据此情境总结机械能守恒的条件。 提示：只有重力做功。 如图所示，下列关于机械能是否守恒的判断正确的是 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，物体A置于光滑水 平面上，物体B沿光滑斜面下 滑，物体B机械能守恒 C．丙图中，不计任何阻力和滑 轮质量时物体A加速下落、物体 B加速上升过程中，A、B系统机械能守恒 D．丁图中，系在橡皮条一端的小球向下摆动时，小球的机械能守恒 例1 √ 若不计空气阻力，题图甲中 只有重力和弹力做功，物体 A和弹簧组成的系统机械能守 恒，但物体A机械能不守恒， 选项A错误；题图乙中物体B 除受重力外，还受弹力，弹力对B做负功，机械能不守恒，但A、B组成的系统机械能守恒，选项B错误；题图丙中绳子张力对物体A做负功，对物体B做正功，代数和为零，A、B系统机械能守恒，选项C正确；题图丁中小球的重力势能转化为小球的动能和橡皮条的弹性势能，小球的机械能不守恒，选项D错误。 机械能是否守恒的三种判断方法 1．利用机械能守恒的定义判断(直接判断)：若物体动能、势能均不变，则其机械能不变。若一个物体动能不变、势能变化，或势能不变、动能变化，或动能和势能同时增加(减小)，其机械能一定变化。 2．用做功判断：若物体系统只有重力(或弹簧的弹力)做功，或虽受其他力作用，但其他力不做功，或其他力做功的代数和为零，则机械能守恒。 3．用能量转化来判断：若物体系统中只有动能和势能的相互转化而无机械能与其他形式的能的转化，则物体系统机械能守恒。 探究归纳 针对练1.(多选)不计空气阻力，下列说法正确的是 A．用绳子拉着物体匀速上升，只有重力和绳子的拉力对物体做功，机械能守恒 B．做竖直上抛运动的物体，只有重力对它做功，机械能守恒 C．沿固定的光滑斜面自由下滑的物体，只有重力对物体做功，机械能 守恒 D．用水平拉力使物体沿光滑水平面做匀加速直线运动，机械能守恒 √ √ 用绳子拉着物体匀速上升，绳子的拉力对物体做正功，物体的机械能增大，A错误；做竖直上抛运动的物体，只有重力对它做功，物体的机械能守恒，B正确；沿固定的光滑斜面自由下滑的物体，只有重力对物体做功，物体的机械能守恒，C正确；用水平拉力使物体沿光滑水平面做匀加速直线运动，水平拉力做正功，物体的机械能增大，D错误。 针对练2.(多选)按压式圆珠笔内装有一根小弹簧，尾部有一个小帽，压一下小帽，笔尖就伸出来。如图所示，使笔的尾部朝下，将笔向下按到最低点，使小帽缩进，然后放手，笔将向上弹起至一定的高度。忽略摩擦和空气阻力。笔从最低点运动至最高点的过程中 A．笔的动能先增大后减小 B．笔的重力势能与弹簧的弹性势能总和一直减小 C．弹簧的弹性势能减少量等于笔的动能增加量 D．弹簧的弹性势能减少量等于笔的动能和重力势能增加量 √ √ 弹簧的弹力先大于笔的重力，此过程中笔做加速运动， 动能增大，当弹力等于笔的重力时，动能达到最大，之 后弹力继续减小，笔开始做减速运动，动能减小，故A正 确；由于笔的动能先增大后减小，根据机械能守恒定律 可知，笔的重力势能与弹簧的弹性势能总和先减小后增 大，故B错误；根据机械能守恒定律可知，弹簧的弹性势 能减少量等于笔的动能和重力势能增加量，故C错误，D正确。 返回 知识点二　机械能守恒定律的应用 返回 机械能守恒定律的不同表达式 项 目 表达式 物理意义 说明 从守恒的角度看 Ek1＋Ep1＝Ek2＋Ep2或E初＝E末 初状态的机械能等于末状态的机械能 必须先选零势能面 从转化的角度看 Ek2－Ek1＝Ep2－Ep1或ΔEk＝－ΔEp 动能的增加量等于势能的减少量 不必选零势能面 从转移的角度看 EA2－EA1＝EB2－EB1或ΔEA＝－ΔEB 系统只有A、B两物体时，A增加的机械能等于B减少的机械能 角度1　弹簧弹力作用下的机械能守恒 如图所示，在高1.5 m的光滑平台上有一个质量为2 kg的小球被细线拴在墙上，球与墙之间有一根被压缩的轻质弹簧。当烧断细线时，小球被弹出，小球落地时的速度方向与水平方向成60°角，则弹簧被压缩时具有的弹性势能为(g＝10 m/s2) A．10 J B．15 J C．20 J D．25 J 例2 √ 角度2　重力作用下的机械能守恒 如图所示，质量m＝70 kg的运动员以10 m/s的速度从高h＝10 m的滑雪场A点沿斜坡自由滑下，以最低点B所在的水平面为参考平面，一切阻力可忽略不计。(g取10 m/s2)求运动员： (1)在A点时的机械能； 答案：10 500 J 例3 运动员在A点时的机械能 (2)到达最低点B时的速度大小； (3)相对于B点能到达的最大高度。 答案：15 m 应用机械能守恒定律解题的一般步骤 1．选取研究对象——物体系统。 2．根据研究对象所经历的物理过程，进行受力、做功分析，判断机械能是否守恒。 3．恰当地选取参考平面，确定研究对象初、末状态的机械能。 4．根据机械能守恒定律列方程，进行求解。 探究归纳 针对练1.竖直放置的轻质弹簧下端固定在地面上，上端与轻质平板相连，平板与地面间的距离为H1，如图所示。现将一质量为m的物块轻轻放在平板中心，让它从静止开始往下运动，直至物块速度为零，此时平板与地面的距离为H2，则此时弹簧的弹性势能Ep为 A．mgH1 B．mgH2 C．mg(H1－H2) D．mg(H1＋H2) √ 选物块、平板和弹簧组成的系统为研究对象，从物块开始运动到速度为零的过程中，只有重力和弹簧的弹力做功，系统的机械能守恒，弹性势能增加量应等于重力势能的减少量，即Ep＝mg(H1－H2)，故C正确。 针对练2.某大型露天游乐场中过山车的质量为1 t，从轨道一侧的顶点A处由静止释放，到达底部B处后又冲上环形轨道，使乘客头朝下通过C点，再沿环形轨道到达底部B处，最后冲上轨道另一侧的顶端D处，已知D与A在同一水平面上，其轨道简图如图所示。A、B间的高度差为20 m，圆环半径为5 m，如果不考虑车与轨道间的摩擦和空气阻力，g取10 m/s2。试求： (1)过山车通过B点时的动能； 答案：2×105 J (2)过山车通过C点时的速度； 同理可得，过山车从A点运动到C点时有 (3)过山车通过D点时的机械能。(取过B点的水平面为参考平面) 答案：2×105 J 由机械能守恒定律可知，过山车在D点时的机械能等于在A点时的机械能，取过B点的水平面为参考平面，则有ED＝EA＝mghAB 解得ED＝2×105 J。 返回 知识点三　非质点类物体机械能守恒的处理方法 返回 1．在应用机械能守恒定律处理实际问题时，经常遇到像“链条”“液柱”类的物体，其在运动过程中将发生形变，其重心位置相对物体也发生变化，因此这类物体不能再看成质点来处理。 2．物体虽然不能看成质点来处理，但因只有重力做功，物体整体机械能守恒。一般情况下，根据质量分布均匀的规则物体的重心位置在其几何中心的原则，可将物体分段处理，根据初、末状态物体重力势能的变化建立机械能守恒关系求解。 如图所示，总长为L的光滑匀质铁链跨过一个光滑的轻质小滑轮，开始时下端A、B相平齐，当略有扰动时其一端下落，则当铁链刚脱离滑轮的瞬间，铁链的速度为多大？ 例4 法一(取整个铁链为研究对象) 法二(将铁链看成两段) 铁链由初始状态到刚离开滑轮时，等效于左侧铁链BB′部分移到AA′ 位置 针对练1.如图所示，AB为光滑的水平面，BC是倾角为α且足够长的光滑斜面，斜面体固定不动，AB、BC间用一小段光滑圆弧轨道相连。一条长为L的均匀柔软链条开始时静止地放在ABC面上，其一端D至B的距离为L－a，其中a未知，现自由释放链条，当链条的D端滑到B点时链条的速率为v，求a。 设链条质量为m，可以认为始、末状态的重力势能变化是由L－a段下降引起的 针对练2.如图所示，粗细均匀、两端开口的U形管内装有同种液体，开始时两边液面高度差为h，管中液柱总长度为4 h，后来让液体自由流动，当两液面高度相等时，右侧液面下降的速度为 √ 返回 随堂演练 返回 √ 1．(多选)下列几个实例中，满足机械能守恒的是 A．做匀速直线运动的物体 B．如图甲，在固定的光滑圆弧面上自由滑动的物体 C．如图乙，在光滑的水平面上压缩弹簧的小球 D．在光滑的水平面上被细线拉住做匀速圆周运动的小球 √ 做匀速直线运动的物体，动能保持不变， 但如果高度发生变化，则重力势能发生变 化，故机械能发生变化，选项A错误；物体 沿固定的光滑圆弧自由滑动，重力做功， 弧面对物体的弹力不做功，故物体的机械能守恒，选项B正确；在小球压缩弹簧的过程中，弹簧的弹性势能在增加，小球的机械能在减少，但小球和弹簧组成的系统机械能守恒，选项C错误；小球在光滑的水平面上运动，受到重力、水平面对小球的支持力和细线对小球的拉力，这些力皆与小球的运动方向垂直，不做功，所以小球在运动过程中无能量转化，机械能守恒，选项D正确。 √ 2．(多选)(粤教版教材P114T3)如图所示，人站在自动扶梯上不动，随扶梯匀速上升的过程中 A．人克服重力做功，重力势能增加 B．支持力对人做正功，人的动能增加 C．合外力对人不做功，人的动能不变 D．合外力对人不做功，人的机械能不变 √ 人上升的过程中，重力做负功，即克服重力做功，重力势能增加，故A正确；人站在自动扶梯上不动，支持力做正功，重力做负功，合外力不做功，随扶梯匀速上升的过程中，动能不变，故B错误，C正确；人的动能不变，重力势能增加，则机械能增加，故D错误。 √ 3．如图所示，在地面上以速度v0抛出质量为m的物体，抛出后物体落到比地面低h的海平面上。若以海平面为参考平面，且不计空气阻力，则下列说法正确的是 (1)物体在A点时的速度； (2)物体离开C点后还能上升的高度。 答案：3.5R 以C点为参考点，则根据机械能守恒定律得 解得h＝3.5R。 返回 课 时 测 评 返回 1．(2024·四川绵阳高一三台中学校考期末)下列关于机械能守恒的说法正确的是 A．所受合力为零的物体机械能守恒 B．所受合力做功为零的物体机械能守恒 C．运动物体只要不受摩擦力作用，其机械能就守恒 D．物体只发生动能和重力势能、弹性势能的相互转化时，其机械能一定守恒 √ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 物体所受合力为零，加速度为零，则物体做匀速直线运动，只是动能不变，不能确定其势能是否变化，故机械能不一定守恒，故A错误；所受合力做功为零的物体，只是动能不变，不能确定其势能是否变化，故机械能不一定守恒，故B错误；运动物体不受摩擦力时也可能还有除重力外的其他力对物体做功，机械能仍可能不守恒，故C错误；物体只发生动能与势能的相互转化时，机械能既不转化为其他形式的能量，也无其他形式的能量转化为机械能，故机械能一定保持不变，故D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 √ 2．如图所示，以下实例中均不考虑空气阻力，系统机械能守恒的是 人上楼、跳绳都是人体的化学能转化为机械能，故系统机械能不守恒，故A、B错误；水滴石穿，水滴的机械能转化为内能，故机械能不守恒，故C错误；箭射出时，动能、弹性势能与重力势能相互转化，系统机械能守恒，故D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 √ 3．如图所示，在水平台面上的A点，一个质量为m的物体以初速度v0抛出，不计空气阻力，以水平地面为参考平面，则当物体到达B点时的机械能为 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 √ 4．为了取出筒中的最后一只羽毛球，先将球筒从某一高处由静止竖直释放，球筒碰到地面后，速度立即减小到零，而内部的羽毛球恰能匀减速至球筒下端口。不考虑空气阻力，则羽毛球从静止到下端口的过程中 A．机械能先增大后减少 B．动能先增大后减小 C．加速度一直减小 D．所受摩擦力始终大于其重力 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 羽毛球从静止到下端口的过程中，在球筒碰到地面前，只有重力做功，机械能守恒，在球筒碰到地面后，除重力做功外，摩擦力做负功，机械能减小，故A错误；羽毛球从静止到下端口的过程中，速度先增大后减小，则动能先增大后减小，故B正确；羽毛球从静止到下端口的过程中，在球筒碰到地面前，加速度为重力加速度不变，在球筒碰到地面后，加速度由重力和摩擦力的合力决定，此过程中加速度也不变，故C错误；球筒竖直静止时，羽毛球受竖直向下的重力和竖直向上的摩擦力，二者大小相等，故D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 √ 5．(2024·成都外国语学校高一校考期末)如图所示，竖直面内固定一光滑圆环，质量为m的珠子(可视为质点)穿在环上做圆周运动。已知珠子通过圆环最高点时，对环向上的压力大小为3mg(g为重力加速度)，圆环半径为R，则珠子在最低点的速度大小为 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 √ 6．(2024·四川乐山高一统考期末)如图是运动员某次踢球后，足球从A位置落到等高点C位置的运动轨迹图，其中B为轨迹的最高点。空中运动过程中足球可视为质点，下列说法正确的是 A．AB段竖直方向的加速度大于BC段竖直方向的加速度 B．AB段和BC段的运动时长相同 C．A、C等高，足球在C点的动能大于在A点的动能 D．整个运动过程中足球机械能守恒 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 由于AB段水平位移和BC段水平位移不相等，所以 足球运动过程中受空气阻力作用，且AB段足球上 升，竖直方向既有向下的重力也有向下的阻力的分 力，而BC段足球下降，竖直方向有向下的重力和向上的阻力的分力，所以AB段竖直方向的加速度大于BC段竖直方向的加速度，故A正确；由于AB段和BC段的竖直位移大小相等，AB段竖直方向的加速度大于BC段的竖直方向的加速度，所以AB段运动时间小于BC段运动时间，故B错误；由于足球在运动过程中受到空气阻力的作用，所以足球的机械能减小；A、C等高，所以足球在A、C的重力势能相等，则足球在C点的动能小于在A点的动能，故C、D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 √ 7．(2024·四川省泸县第一中学校考期末)如图所示，竖直轻质弹簧上端固定在天花板上，下端拴接小球，轻质弹簧处于原长，小球从静止开始释放至小球到达最低点过程中，弹簧始终处于弹性限度内，不计空气阻力，则 A．小球的动能一直增大 B．小球的动能与弹簧弹性势能之和一直增大 C．小球的动能与弹簧弹性势能之和一直减小 D．小球与地球构成的系统机械能守恒 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 将小球从静止开始释放至小球到达最低点过程中，开始时重力大于弹力，小球加速向下运动，后来重力小于弹力，小球减速向下运动，则小球的动能先增大后减小，A错误；小球重力势能一直减小，小球的动能与弹簧弹性势能之和一直增大，B正确，C错误；小球和弹簧与地球构成的系统机械能守恒，D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 √ 8．一质量为m的小球，从距地面高H处以初速度v0水平抛出(不计空气阻力)，Ek、Ep和E分别表示下落过程中的动能、重力势能和机械能，h为下落的高度。若以地面为零势能面，则下落过程中图像关系正确的是 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 √ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 √ √ 10．(多选)(2024·四川成都高一统考期末)近年来，高空坠物事件频发，危害巨大。假设一物体从高空由静止坠落，其受到的空气阻力大小与速率v成正比。用Ek表示坠物的动能、Ep表示其重力势能、E表示其机械能、x表示其位移、t表示其坠落时间，取地面为零势能面，则下列图像可能正确的是 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 11．(8分)质量m＝5 kg的小球系于弹簧的一端，套在光滑竖直圆环上，弹簧的另一端固定在环上的A点，环半径R＝0.5 m，弹簧原长L0＝R＝0.5 m。当球从图中位置C滑至最低点B时，测得vB＝3 m/s，g取10 m/s2，求在B点时弹簧的弹性势能Ep的大小。 答案：15 J 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 小球在C点时，由几何关系可知，弹簧处于原长状态，在小球从C运动到B的过程中，小球和弹簧系统机械能守恒，选B点所在水平面为零势能面，则由机械能守恒定律得 代入数据可得Ep＝15 J。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 12．(10分)(2024·上海市闵行区期末)如图为用内表面光滑的圆管弯成的曲线型轨道，固定在竖直平面内，中部为一个直径为1.6 m的圆，左端口A距地面0.8 m，右端口B距地面1.2 m。质量为0.02 kg、可视为质点的小球表面光滑，可以通过左端口A进入光滑轨道，经过C、D，到达右端口B。重力加速度g取10 m/s2。请通过计算回答： 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 (1)若小球以2 m/s的速度从A进入管中，则其到达轨道底部C时的动能为 多大？ 答案：0.2 J 解得EkC＝0.2 J。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 (2)若使小球能从右端口B离开轨道，小球应至少以多大的速度进入左端 口A? 答案：4 m/s 代入数据解得vA′＝4 m/s。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 13．(12分)如图所示，竖直平面内有一管道口径很小的光滑圆弧轨道，其半径为R＝0.5 m，平台与轨道的最高点等高。一质量m＝0.8 kg、可看作质点的小球从平台边缘的A处平抛，恰能沿圆弧轨道上P点的切线方向进入轨道内侧，轨道半径OP与竖直线的夹角为53°，已知sin 53°＝0.8，cos 53°＝0.6，g取10 m/s2。试求： (1)小球从A点开始做平抛运动到P点所需的时间t。 答案：0.4 s 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 从A到P过程中，小球做平抛运动，在竖直方向上做自由落体运动，所以有 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 (2)小球从A点做平抛运动的速度大小v0和A点到圆轨道入射点P之间的水平距离l。 答案：3 m/s　1.2 m 解得v0＝3 m/s 在水平方向上有l＝v0t，解得l＝1.2 m。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 (3)小球到达圆弧轨道最低点时的速度大小。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 (4)小球沿轨道通过圆弧的最高点Q时对轨道的内壁还是外壁有弹力？并求出弹力的大小。 答案：外壁　6.4 N 小球从A到达Q点时，根据机械能守恒定律可知vQ＝v0＝3 m/s 根据牛顿第三定律可知，小球对外壁有弹力 N′＝N＝6.4 N。 返回 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 谢 谢 观 看 ！ 第四章　 　机械能及其守恒定律 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 4．(鲁科版教材P35T7)如图所示，质量为m的物体，以 某一初速度v0从A点向下在光滑的轨道中运动。不计空 气阻力，若物体通过B点时的速度为3，求： $