2025届高考物理一轮总复习第5单元机械能第16讲能量守恒定律课件新人教版

这是一份2025届高考物理一轮总复习第5单元机械能第16讲能量守恒定律课件新人教版，共60页。PPT课件主要包含了落实基础主干，突破命题视角，核心素养9，实验7，实验要点等内容，欢迎下载使用。
一、功能关系1.功是能量转化的量度,即做了多少功就有多少能量发生了转化,而且能的转化必须通过做功来实现。2.几种常见力做功与能量转化的关系(1)重力做功:重力势能和其他能相互转化。(2)弹簧弹力做功:弹性势能和其他能相互转化。(3)滑动摩擦力做功:机械能转化为内能。(4)电场力做功:电势能与其他能相互转化。(5)安培力做功:电能和机械能相互转化。
3.几种常见的功能关系
二、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其他物体,在转化或转移的过程中,能量的总量保持不变。2.应用能量守恒的两条基本思路(1)某种形式的能量减少,一定存在其他形式的能量增加,且减少量和增加量相等。(2)某个物体的能量减少,一定存在其他物体的能量增加,且减少量和增加量相等。
[练一练]1.判断下列说法对错(1)力对物体做了多少功,物体就具有多少能量。(　　)(2)能量在转移或转化的过程中,其总量会不断减少。(　　)(3)在物体的机械能减少的过程中,动能有可能是增大的。(　　)(4)既然能量在转移或转化的过程中是守恒的,那就没有必要节约能源。(　　)(5)节约可利用能源的目的是为了减少污染排放。(　　)(6)滑动摩擦力做功时,一定会引起机械能的转化。(　　)
2.上端固定的一根细线下面悬挂一摆球,摆球在空气中摆动,摆动的幅度越来越小,对此现象下列说法正确的是(　　)A.摆球机械能守恒B.总能量守恒,摆球的机械能逐渐减少,减少的机械能转化为内能C.能量逐渐消失D.只有动能和重力势能的相互转化
解析 摆球在空气中摆动,摆动的幅度越来越小,摆球的机械能逐渐减少,减少的机械能用于克服空气阻力做功,转化为内能,故A、D错误;根据能量守恒定律,能量是不会消失的,总能量守恒,故B正确,C错误。
3.(2023浙江湖州期末)某次战斗演习中,一士兵操控无人机从空中投掷一枚炸弹,并击中目标。已知炸弹在飞行过程中,重力对它做的功为300 J,克服空气阻力做的功为60 J,则在该过程中(　　)A.炸弹的重力势能增加了300 JB.合力对炸弹做的功为360 JC.炸弹的机械能减少了60 JD.炸弹的动能增加了300 J
解析 炸弹在飞行过程中,重力对炸弹做正功,根据mgh=-ΔEp可知,炸弹的重力势能减少,即炸弹的重力势能减少了300 J,故A错误;根据题意可知,炸弹在飞行过程中,重力做正功,空气阻力做负功,而合力所做的功等于各个力所做功的代数和,由此可得合力所做的功为W合=WG+(-W阻)=240 J,而根据动能定理,合外力所做的功等于动能的变化量,可知炸弹的动能增加了240 J,故B、D错误;若只有重力做功,则机械能守恒,除重力以外的力若做正功,机械能增加,若做负功,机械能减小,炸弹在飞行过程中,除了重力做功外,还有空气阻力做负功,因此可知机械能减少,减少量为ΔE=W克=60 J,故C正确。
考点一　功能关系的理解和应用
功能关系的选用原则(1)在应用功能关系解决具体问题的过程中,若只涉及动能的变化,则用动能定理分析。(2)只涉及重力势能的变化,用重力做功与重力势能变化的关系分析。(3)只涉及机械能变化,用除重力之外的力做功与机械能变化的关系分析。(4)只涉及电势能的变化,用电场力做功与电势能变化的关系分析。
变式练(多选)斜面倾角α=30°、足够长、光滑的斜面体固定在水平地面上,可视为质点的质量m=4 kg的物块置于斜面上足够高处,如图甲所示,t=0时在物块上施加一沿斜面向上的变化的外力,同时释放物块,利用计算机描绘了0~4 s时间内物块的速度随时间的变化图像,如图乙所示,规定沿斜面向下的方向为正方向,物块在释放点的重力势能为零,重力加速度g取10 m/s2,不计空气阻力。则(　　)
A.1~2 s的时间内外力的大小为40 NB.0~1 s时间内与2~4 s时间内的外力大小之比为2∶19C.1 s末物块的机械能为32 JD.0~4 s的时间内物块的机械能减少了350 J
由题意可知,t=0时,物块的机械能为0,由功能关系可知,物块机械能的变化量等于整个过程中外力F所做的功,外力F做负功,0~1 s内外力做的功W1=-F1x1=-4×2 J=-8 J,即1 s末时物块的机械能为-8 J,2~4 s内外力做的功W3=-F3x3=-38×9 J=-342 J,则整个过程中物块机械能变化量大小ΔE=|W1+W3|=350 J,故C错误,D正确。
考点二　摩擦力做功与能量的关系
1.两种摩擦力做功的比较
2.板块模型的动力学和能量规律(1)两个分析角度①动力学角度:首先隔离物块和木板,分别分析受力,求出加速度,根据初速度分析两者的运动过程,画出运动轨迹图,找到位移和相对位移的关系,根据时间关系列位移等式和速度等式。②能量角度:物块在木板上滑行时,速度减小的物块动能减小,速度增大的木板动能增大,根据能量守恒,减小的动能等于增加的动能与系统产生的内能之和。(2)三种处理方法①求解对地位移可优先考虑应用动能定理。②求解相对位移可优先考虑应用能量守恒定律。③地面光滑时,求速度可优先考虑应用动量守恒定律。
3.传送带的动力学和能量规律(1)两个设问角度①动力学角度:首先要正确分析物体的运动过程,做好受力分析,然后利用运动学公式结合牛顿第二定律求物体及传送带在相应时间内的位移,找出物体和传送带之间的位移关系。②能量角度:求传送带对物体所做的功、物体和传送带由于相对滑动而产生的热量、因放上物体而使电动机多消耗的电能等,常依据功能关系或能量守恒定律求解。(2)两个功能关系①传送带电动机做的功W电=ΔEk+ΔEp+Q=Fx传。②传送带摩擦力产生的热量Q=Ff·x相对。
典例1　如图所示,木板A静止于光滑水平面上,木块B轻置于木板A上。现施加外力F拉着木块B做匀加速直线运动,木板A在摩擦力作用下也向右加速运动,但加速度小于木块B的加速度,不计空气阻力,则(　　)A.木板A所受摩擦力对木板A做负功B.木板A对木块B的摩擦力做的功与木块B对木板A的摩擦力做的功的大小相等C.木块与木板间摩擦产生的热量等于木板A对木块B的摩擦力做的功的大小减去木块B对木板A的摩擦力做的功的大小D.力F做的功等于木块B与木板A的动能增量之和
解析 木板A所受摩擦力方向与其运动方向相同,对木板A做正功,故A错误;木板A对木块B的摩擦力做的功大小W1=FfABx,木块B对木板A的摩擦力做的功大小W2=FfBAx1,由题意得FfAB的大小与FfBA的大小相等,但x>x1,所以两者做的功大小不相等,故B错误;摩擦生热的计算公式为Q=Ff·Δs,又因为Δs=x-x1,所以有Q=Ff·Δs=W1-W2,故C正确;根据能量守恒有,力F做的功等于木块B和木板A动能的增量之和,再加上A、B相对运动产生的热量,故D错误。
典例2　(2023浙江桐乡茅盾中学月考)绷紧的传送带与水平面的夹角θ=30°,传送带在电动机的带动下,始终保持1 m/s的速度顺时针运行,如图所示。现把一质量为5 kg的工件(可视为质点)轻放在传送带的底端,经过一段时间,工件与传送带达到共同速度后,继续传送到4 m高处。已知工件与传送带间的动摩擦因数为 ,重力加速度g取10 m/s2,不计空气阻力,则在此过程中,下列说法正确的是(　　)A.工件加速运动过程的时间为0.8 sB.传送带对工件做的功为200 JC.工件与传送带之间摩擦产生的热量为7.5 JD.电动机因传送工件多做的功为120 J
易错提醒1.无论是计算滑动摩擦力做功,还是计算静摩擦力做功,都应代入物体相对于接触面的位移。摩擦生热Q=Ffl相对中,若物体在接触面上做往复运动,则l相对为总的相对路程。2.曲面上的摩擦力做功一般不能直接用力乘以物体的位移或路程来计算,物体在运动过程中的摩擦力大小是不断变化的。曲面上的摩擦力做功多结合圆周运动问题,需运用动能定理求解摩擦力做的功。
考点三　涉及弹簧的能量问题
从能量的角度看,弹簧是储能元件。处理涉及弹簧的能量问题时,要特别注意:(1)当涉及弹簧的弹力做功时,由于弹簧的弹力是变力,故一般不直接采用功的定义式求解。中学阶段通常根据动能定理、机械能守恒定律或能量守恒定律来间接求解弹簧弹力做的功或弹簧储存的弹性势能。(2)弹簧的弹性势能与弹簧的规格和形变程度有关,对同一根弹簧而言,无论是处于伸长状态还是压缩状态,只要形变量相同,其储存的弹性势能就相同。
典例　(2023浙江杭州高三二模)某游戏装置由光滑平台、轨道AB、竖直圆管道BCDEC'(管道口径远小于管道半径)、水平轨道C'F、光滑直轨道FG平滑连接组成,B、C、C'为切点,A、F连接处小圆弧长度不计,A点上方挡片可使小滑块无能量损失地进入轨道AB,如图所示。圆管道半径R=0.2 m,管道中,内侧粗糙,外侧光滑。小滑块与轨道AB、C'F的动摩擦因数均为0.5,AB轨道长度l=0.4 m,倾角θ=37°,C'F长度L=2 m,FG高度差h=0.8 m,平台左侧固定一轻质弹簧,第一次压缩弹簧后释放小滑块,恰好可以使滑块运动到与圆管道圆心等高的D点,第二次压缩弹簧使弹性势能为0.36 J时释放小滑块,小滑块运动到圆管道最高处E时的速度vE=1 m/s,已知小滑块质量m=0.1 kg,可视为质点,重力加速度g取10 m/s2,sin 37°=0.6,cs 37°=0.8,不计空气阻力。
(1)求第一次释放小滑块后,小滑块首次运动到圆管道上的C点时受到的弹力大小。(2)求第二次释放小滑块后,小滑块从C点运动到E点的过程,圆管道对滑块的摩擦力做的功。(3)若第三次压缩弹簧使弹性势能为Ep时释放小滑块,要求小滑块在圆管道内运动时不受到摩擦力且全程不脱轨,最终停在C'F上。写出小滑块在C'F上运动的总路程s与Ep之间的关系式,并指出Ep的取值范围。
答案 (1)3 N (2)-0.03 J (3)s=(2Ep+0.24) m　0.38 J≤Ep≤1.68 J
又有从C点运动到E点的过程,由动能定理可得-2mgR=EkE-EkC解得Ep≥0.38 J,EkC≥0.5 J不从右侧斜面飞出需满足EkC-μmgL-mgh≤0解得Ep≤1.68 J、EkC≤1.8 J返回,若不过圆心等高处,可得EkC-2μmgL-mgR≤0解得EkC≤2.2 J、Ep≤2.08 J故0.38 J≤Ep≤1.68 J从开始到静止,有EkC-μmgs=0则s=(2Ep+0.24) m其中0.38 J≤Ep≤1.68 J。
核心素养9　能量守恒与功能关系STSE问题(科学态度与责任)
功和能中的STSE问题主要有:科技生活、体育娱乐、能源转化等。解决的方法一般是提炼相关物理模型,利用功和能、能量守恒定律及其相关知识解答。
角度1　科技生活有一种叫作“压电陶瓷”的电子元件,当对它挤压或拉伸时,它的两端就会形成一定的电压,这种现象称为压电效应。一种燃气打火机,就是应用该元件的压电效应制成的。只要用大拇指压一下打火机上的按钮,压电陶瓷片就会产生10 kV~20 kV的高压,形成火花放电,从而点燃可燃气体。上述过程中,压电陶瓷片完成的能量转化是(　　)A.化学能转化为电能B.内能转化为电能C.光能转化为电能D.机械能转化为电能
解析 压电陶瓷片进行能量转化前要消耗机械能(大拇指压一下打火机上的按钮),转化后得到了电能(产生10 kV~20 kV的高压,形成火花放电),D正确。
角度2　体育娱乐(2023浙江青田中学模拟)发光弹弓飞箭是游乐场常见的儿童玩具,其大致原理是利用弹弓将发光的飞箭弹出,若某人将飞箭(视为质点)从水平地面竖直向上弹出,飞箭落回地面时动能大小为E,设飞箭在运动过程中所受空气阻力的大小不变,且飞箭上升过程中克服空气阻力做的功为0.2E,以地面为零势能参考平面,下列说法正确的是(　　)A.飞箭刚飞出时的初动能为1.2EB.飞箭下落过程中重力做功为0.6EC.飞箭在最高点具有的机械能为1.4ED.飞箭所受重力与空气阻力大小之比为6∶1
解析 飞箭上升阶段和下降阶段克服空气阻力做的功相等,设飞箭的初动能为E0,由能量守恒定律得,E0=E+0.2E+0.2E=1.4E,故A错误;飞箭下落过程,设重力做功为W,由能量守恒定律得,W-0.2E=E,解得W=1.2E,故B错误;设飞箭在最高点的机械能为E最高,飞箭下降过程,由能量守恒定律得,E最高=0.2E+E=1.2E,故C错误;设飞箭所受空气阻力为Ff,下落高度为h,飞箭下落过程重力与空气阻力之比
角度3　能源转化如图甲所示,一台风力发电机的叶片长度为L,当风吹过叶片时,由于空气动力的效应带动叶轮转动,叶轮通过主轴连结齿轮箱带动发电机发电。图乙是该风力发电机的扫风面积示意图(风叶旋转扫过的面积在垂直于风向的投影面积,是风力发电机截留风能的面积)。已知空气的密度为ρ,当地风速为v,风的动能转化为电能的效率为η,则该风力发电机的功率为(　　)
实验7验证机械能守恒定律
二、注意事项1.打点计时器要竖直:安装打点计时器时要竖直架稳,使其两限位孔在同一竖直平面内以减少摩擦阻力。2.重物密度要大:重物应选用质量大、体积小、密度大的材料。3.操作顺序:应先接通电源,让打点计时器正常工作,后松开纸带让重物下落。5.误差分析:由于重物和纸带下落过程中要克服阻力做功,故动能的增加量 必定稍小于重力势能的减少量ΔEp=mghn,改进办法是调整器材的安装,尽可能地减小阻力。
考点一　实验原理与实验操作本实验是利用自由落体运动验证机械能守恒定律,测出物体下落的高度及初、末位置的速度是实验的关键,操作上注意三点:(1)重物要靠近打点计时器。(2)纸带要保持竖直。(3)先接通电源再放开纸带。
典例　(2023浙江嘉兴期末)在做“验证机械能守恒定律”实验中:(1)已有电磁打点计时器、复写纸、导线、铁架台、重锤、纸带、毫米刻度尺,还必须选取的器材是图中的　　　　。 
(2)在该实验过程中,以下操作正确的是　　　　。 A.实验前,应先平衡阻力B.应先释放纸带再接通电源C.释放纸带时,手应拿在纸带上紧靠打点计时器的部位D.实验时,应调节打点计时器使它的限位孔与纸带处在同一竖直线上(3)某次实验中所用电源的频率为50 Hz,打出的纸带如图所示,1至5是计时器连续打下的五个点,图中3号点的刻度尺读数为　　　 cm,打点计时器打计数点3时重物的速度为　　　　 m/s(计算结果保留三位有效数字)。 
解析 (1)实验中,应让重锤自由下落,所以不需要钩码,故A错误;由于验证机械能守恒定律的式子中可以把质量约掉,所以不需要天平测量质量,故B错误;打点计时器可以记录运动时间,不需要秒表计时,故C错误;电磁打点计时器使用的电源为低压交流电源,所以需要学生电源,故D正确。(2)本实验不需要平衡阻力,故A错误;打点计时器使用时应先接通电源,再释放纸带,故B错误;释放纸带时,手应拿在纸带远离打点计时器的一端,故C错误;实验时,应调节打点计时器使它的限位孔与纸带处在同一竖直线上,故D正确。(3)3号点的读数为9.00 cm;打点计时器打计数点3时重物的速度为
考点二　数据处理与误差分析1.速度计算
(2)要用实验数据求速度,不能用理论推导式v=gt求速度。
2.处理实验数据的方法有图像法和计算法(1)本实验可以采用图像法验证机械能守恒。通过图像验证机械能是否守恒,要根据机械能守恒定律写出图像对应的函数表达式,弄清图像斜率的物理意义,如v2-h图像、v2-2h图像,根据图像计算出重力加速度,计算结果与当地重力加速度比较,根据二者是否在误差允许的范围内相等判断机械能是否守恒。(2)本实验也可以利用计算法验证机械能守恒。计算法需要知道当地的重力加速度,通过计算重力势能的减少量与动能的增加量是否相等验证机械能守恒。
典例　在“验证机械能守恒定律”实验中,小王用如图甲所示的装置,让重物从静止开始下落,打出一条清晰的纸带,其中的一部分如图乙所示。O点是打下的第一个点,A、B、C和D为另外4个连续打下的点。
(1)为了减小实验误差,对体积和形状相同的重物,实验时选择密度大的理由是　　　　　　　　 　　　　　　　。 (2)已知交流电源频率为50 Hz,重物质量为200 g,当地重力加速度g取9.80 m/s2,则从O点到C点,重物的重力势能变化量的绝对值|ΔEp|=　　　 J,C点的动能EkC=　　　 J(计算结果均保留3位有效数字)。比较EkC与|ΔEp|的大小,出现这一结果的原因可能是　　　　。 A.工作电压偏高B.存在空气阻力和摩擦力C.接通电源前释放了纸带
阻力与重力之比更小(或其他合理解释)
解析 (1)在做验证机械能守恒定律的实验时阻力越小越好,因此密度大的重物阻力与重力之比更小。(2)由图中可知OC之间的距离为xOC=27.90 cm,因此机械能的减少量|ΔEp|=mgxOC=0.2×9.80×0.279 0 J=0.547 J;匀变速运动中间时刻的速度等的误差,存在摩擦力会使重力势能的减少量大于动能的增加量,只有提前释放了纸带,纸带的初速度不为零,下落到同一位置的速度偏大才会导致动能的增加量大于重力势能的减少量,故选C。
考点三　实验的改进与创新在浙江选考实验中往往以课本实验为背景,通过改变实验条件、实验仪器设置题目,不脱离教材而又不拘泥教材,体现开放性、探究性、创新性等特点,如以下拓展创新角度。
典例　一位同学利用数字计时器等器材做验证机械能守恒定律的实验,如图甲所示。有一直径为d、质量为m的金属小球从A处由静止释放,下落过程中能通过A处正下方、固定于B处的光电门,测得A、B间的距离为H(H≫d),数字计时器记录下小球通过光电门的时间为t,当地的重力加速度为g。则:
(1)如图乙所示,用20分度的游标卡尺测得小球的直径d=　　　　 mm。 (2)小球经过光电门B时的速度表达式为v=　　　　。 
(3)多次改变高度H,重复上述实验,作出 随H的变化图像如图丙所示,当图中已知量t0、H0和重力加速度g及小球的直径d满足表达式　　　　　 　时,可判断小球下落过程中机械能守恒。 (4)实验中发现动能增加量ΔEk总是稍　　　　(选填“大于”或“小于”)重力势能减少量ΔEp,增大下落高度后,则ΔEp-ΔEk将　　　　(选填“增大”“减小”或“不变”)。 
解析 (1)小球的直径d=7 mm+3×0.05 mm=7.15 mm。
(4)由于空气阻力的作用,使得动能增加量ΔEk总是稍小于重力势能减少量ΔEp;根据功能关系可知ΔEp-ΔEk=FfH,所以H增大后,ΔEp-ΔEk将增大。
变式练 阿特伍德机是用于测量加速度及验证运动定律的装置。现对该装置加以改进,利用改进后的装置(如图所示)验证机械能守恒定律。轻绳两端系着质量均为m0的物块A(含挡光片)、物块B(含挂钩),物块B上放一质量为m的金属片C,铁架台上固定一金属圆环,圆环处在物块B的正下方,金属片C不能穿过圆环而物块B可以穿过,金属片C到圆环的高度为h,固定在物块A上的挡光片到光电门的竖直距离也为h,挡光片的宽度为d。
(1)为了完成实验还需要记录或测量的物理量是　　　　。 A.物块B运动到圆环处的时间tB.挡光片到圆环的竖直距离lC.刚刚释放时物块A、B之间的距离ΔhD.挡光片穿过光电门的时间Δt
(2)为了减小实验误差进行多次实验,改变物块B的初始位置,使物块B从不同的高度由静止下落穿过圆环,记录每次金属片C与圆环间的高度h以及挡光片穿过光电门的时间Δt,通过描点作图,为了得到一条过原点的直线,则应该绘制的图像是　　　　　　( ),则该直线的斜率k=　　　 　(用字母m、g、m0、d表示)。