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第八章机械能守恒定律
第四节机械能守恒定律
[核心素养·明目标]
核心素养
学习目标
物理观念
围绕功能关系的基本线索,建立“通过做功的多少,定量的研究能量及其相互转化”的观念,进而理解机械能守恒定律。
科学思维
初步学会从能量守恒的角度来解释物理现象,分析物理问题。
科学探究
体会自然界中“守恒”思想和利用“守恒”思想解决问题的方法。
科学态度与责任
通过机械能守恒的学习,使学生树立科学观点,理解和利用自然规律,解决实际问题。
知识点一机械能守恒的理解与判断
1.机械能
(1)定义:物体的动能与重力势能(弹性势能)之和称为机械能。
(2)表达式:E=Ep+Ek,其中E表示机械能。
2.机械能守恒定律
(1)内容:在只有重力或弹力这类力做功的情况下,物体系统的动能与势能相互转化,但机械能的总量保持不变。
(2)表达式:eq\f(1,2)mveq\o\al(2,2)+mgh2=eq\f(1,2)mveq\o\al(2,1)+mgh1或Ek2+Ep2=Ek1+Ep1。
3.机械能的理解
(1)机械能eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(动能:Ek=\f(1,2)mv2,势能\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(重力势能:Ep=mgh,弹性势能))))
(2)机械能的性质
①状态量:做机械运动的物体在某一位置时,具有确定的机械能。
②相对性:其大小与参考系、零势能面的选取有关。
③系统性:是物体、地球和弹性系统所共有的。
(3)动能和势能可以相互转化。
4.守恒条件的理解
只有重力或弹力做功的物体系统,可从三个方面理解:
(1)受力:物体系统只受重力或弹力作用。
(2)做功:物体系统存在其他力作用,但其他力不做功,只有重力或弹力做功。
(3)转化:相互作用的物体组成的系统只有动能和势能的相互转化,无其他形式能量的转化。
注意:“只有重力或弹力做功”并非“只受重力或弹力作用”,也不是合力的功等于零,更不是某个物体所受的合力等于零。
知识点二机械能守恒定律的应用
1.公式的证明
如图,质量为m的小球从光滑曲面上滑下。当它到达高度为h1的位置A时,速度的大小为v1,滑到高度为h2的位置B时,速度的大小为v2。在由高度h1滑到高度h2的过程中(不计空气阻力,重力加速度为g):
研究小球的能量变化
(1)重力势能的减少量为
ΔEp=mgh1-mgh2。
(2)动能增加量为ΔEk=eq\f(1,2)mveq\o\al(2,2)-eq\f(1,2)mveq\o\al(2,1)。
(3)机械能守恒,表达式为mgh1+eq\f(1,2)mveq\o\al(2,1)=mgh2+eq\f(1,2)mveq\o\al(2,2)。
(4)由(3)变形可知mgh1-mgh2=eq\f(1,2)mveq\o\al(2,2)-eq\f(1,2)mveq\o\al(2,1),即小球重力势能减少量等于动能增加量。
2.机械能守恒定律的三种表达形式
表达角度
表达式
意义
注意事项
守恒观点
E2=E1或Ek1+Ep1=Ek2+Ep2
初状态的动能与势能之和等于末状态的动能与势能之和
初、末状态必须选择同一零势能参考平面
转化观点
ΔEp增=ΔEk减或ΔEp减=ΔEk增
势能的增加(或减少)量等于动能的减少(或增加)量
关键是确定势能的减少量或增加量
转移观点
ΔEA增=ΔEB减或ΔEA减=ΔEB增
A物体机械能的增加(或减少)量等于B物体机械能的减少(或增加)量
常用于解决两个物体组成的系统的机械能守恒问题
3.应用机械能守恒定律解题的一般步骤
(1)正确选取研究对象(物体或系统),确定研究过程。
(2)进行受力分析,考查守恒条件。
(3)选取零势能参考平面,确定初、末状态的机械能。
(4)运用守恒定律,列出方程求解。
知识点三功能关系及其应用
1.功能关系概述
(1)不同形式的能量之间的转化是通过做功实现的,做功的过程就是能量之间转化的过程。
(2)功是能量转化的量度。做了多少功,就有多少能量发生转化。
2.功与能的关系:由于功是能量转化的量度,某种力做功往往与某一种具体形式的能量转化相联系,具体功能关系如下表:
功
能量转化
关系式
重力做功
重力势能的改变
WG=-ΔEp
弹力做功
弹性势能的改变
WF=-ΔEp
合力做功
动能的改变
W合=ΔEk
除重力、系统内弹力以外的其他力做功
机械能的改变
W=ΔE机
两物体间滑动摩擦力对物体系统做功
内能的改变
f·s相对=Q
知识点四能量守恒定律及其应用
1.能量守恒定律
(1)内容
能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种形式转化为另一种形式,或者从一个物体转移到另一个物体,在转化或转移的过程中
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