专题5 机械能守恒定律 专项提升练 -2024届高考物理三轮复习情境试题习题+答案

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随着国家教育政策和考试评价体系的不断变化，情境化试题已成为高考物理命题的必然趋势.情境化试题通过创设真实的生产生活、科技创新、体育运动等情境，提出实际问题，让学生在实际问题的解决过程中展现自己的核心素养，既为高校选拔出具有发展潜能的高素质人才，也为知识取向教学转向素养导向教学、落实立德树人教育根本任务指引了方向.
科技情境类试题频繁出现在高考物理试题和一些省市的模拟试题中，这类试题以科技领域的真实情境为测试载体，以物理学科核心素养为测试宗旨，聚焦关键能力、学科素养和思维品质的考查，能较好地契合新课程改革理念及新高考评价体系的要求，也能反映科技领域最新的研究成果，从而引导考生树立民族自信心与自豪感。
一．功的计算
1．（2024•天河区一模）图甲中的辘轳是古代民间提水设施，由辘轳头、支架、井绳、水桶等部分构成。图乙为工作原理简化图，辘轳绕绳轮轴半径r＝0.1m，水桶的质量M＝0.5kg，井足够深，忽略井绳质量和因绳子缠绕导致轮轴的半径变化。某次从井中汲取m＝2kg的水，轮轴由静止开始绕中心轴转动从而竖直向上提水桶，其角速度随时间变化规律如图丙所示，重力加速度g＝10m/s2，则（ ）
A．10s末水桶的速度大小为20m/s
B．水桶的速度大小随时间变化规律为v＝2t
C．0～10s内水柚上升的高度为20m
D．0～10s内井绳拉力所做的功为255J
二．功率、平均功率和瞬时功率
2．（2024•重庆模拟）长征途中，为了突破敌方关隘，战士爬上陡峭的山头，居高临下向敌方工事内投掷手榴弹。战士在同一位置先后投出甲、乙两颗质量均为m的手榴弹，手榴弹从投出的位置到落地点的高度差为h，在空中的运动可视为平抛运动，轨迹如图所示，重力加速度为g。下列说法正确的有（ ）
A．甲在空中的运动时间比乙的长
B．两手榴弹在落地前瞬间，甲重力的功率比乙大
C．从投出到落地，每颗手榴弹的动能增加量为mgh
D．从投出到落地，每颗手榴弹的机械能改变量为mgh
（多选）3．（2024•吉林一模）如图甲所示，“水上飞人”是一种水上娱乐运动。喷水装置向下持续喷水，总质量为M的人与喷水装置，受到向上的反冲作用力腾空而起，在空中做各种运动。一段时间内，人与喷水装置在竖直方向运动的v﹣t图像如图乙所示，水的反冲作用力的功率恒定，规定向上的方向为正，忽略水管对喷水装置的拉力以及空气的阻力，重力加速度为g，下列说法正确的是（ ）
A．t1～t2时间内，水的反冲作用力越来越大
B．水的反冲作用力的功率为Mgv2
C．t1时刻，v﹣t图像切线的斜率为v2−v1v1g
D．t1﹣t2时间内人与喷水装置在竖直方向的运动高度为v2(t2−t1)−12g(v22−v12)
4．（2024•厦门模拟）太极柔力球运动融合了太极拳和现代竞技体育特征，是一项具有民族特色的体育运动项目。某次训练时，运动员舞动球拍，球拍带动小球在竖直平面内做匀速圆周运动，小球始终与球拍保持相对静止，其运动过程如图乙所示，小球做圆周运动的半径为0.8m，A点为圆周最高点，B点与圆心O等高，C点为最低点。已知小球质量为0.1kg，在C点时球与球拍间的弹力大小为3.0N，重力加速度g取10m/s2，不计空气阻力，求：
（1）小球在C点的速度大小；
（2）小球从C运动到A的过程中，球拍对小球做功的平均功率；
（3）小球运动到B点时，球拍对小球的作用力大小。
三．动能定理
5．（2024•香坊区校级二模）2022年8月1日，中国东北地区首条智轨线路哈尔滨新区智轨有轨电车投入运营。假设有轨电车质量为m，某次测试中有轨电车由静止出发在水平面做加速度为a的匀加速直线运动，有轨电车所受的阻力恒定为f，达到发动机的额定功率P后，有轨电车保持额定功率做变加速运动，再经时间t速度达到最大，然后以最大速度匀速运动，对此下列说法正确的是（ ）
A．有轨电车匀速运动的速度为P(ma+f)
B．有轨电车做匀加速运动的时间为P(ma+f)a
C．从静止到加速到速度最大的过程牵引力所做的功为Pt
D．有轨电车保持额定功率做变加速运动时间t内的位移为Ptf−mP22f3
6．（2024•吉林一模）我国航天员翟志刚、王亚平、叶光富于2022年4月16日9时56分搭乘神舟十三号载人飞船返回舱在东风着陆场成功着陆。返回舱在离地面约6000m的高空打开主伞（降落伞），在主伞的作用下返回舱速度从80m/s降至10m/s，此后可视为匀速下降，当返回舱在距离地面1m时启动反推发动机，速度减至0后恰落到地面上。设主伞所受的空气阻力为f＝kv，其中k为定值，v为速率，其余阻力不计。已知返回舱（含宇航员）总质量为3000kg，主伞的质量忽略不计，忽略返回舱质量的变化，重力加速度g取10m/s2，设全过程为竖直方向的运动。求：
（1）在主伞打开后的瞬间，返回舱的加速度大小；
（2）若在反推发动机工作时主伞与返回舱之间的绳索处于松弛状态，则反推发动机在该过程中对返回舱做的功。
7．（2024•淄博一模）临淄的蹴鞠是有史料记载的最早足球活动，图甲是某蹴鞠活动的场景。如图乙所示，某校举行蹴鞠比赛的场地为一长方形ABCD，长AD＝10m，宽AB＝8m，E、E′、F、F′分别为各边中点，O为EE′和FF′交点，EE′上竖直插有两根柱子，两柱之间挂一张大网，网的正中间有一圆形的球洞名为“风流眼”，两支球队分别在网的两侧，若蹴鞠穿过“风流眼”后落地，射门的球队得分。圆形“风流眼”的圆心Q在O点正上方，Q、O之间的高度h＝3.75m。甲、乙两位运动员在某次配合训练中，甲将静止在地面F点的蹴鞠斜向上踢出，经时间t＝0.5s恰好到达最高点P，P在场地上的投影为P′，P′到FF′的距离为1.5m，P′到AB的距离为2m。乙运动员紧接着从P点将蹴鞠斜向上踢出，恰好经过“风流眼”中的Q点且经过Q点时速度方向水平，穿过“风流眼”后蹴鞠落到EE′CD区域的K点（蹴鞠第一次着地的位置，图中未画出），蹴鞠的质量为0.6kg，蹴鞠可看作质点，忽略空气阻力，重力加速度大小为g＝10m/s2。求：
（1）甲运动员对蹴鞠做的功W；
（2）K点到EE′的距离d。
四．机械能
8．（2024•沙坪坝区模拟）如图所示，“夸父一号”卫星先被发射到椭圆轨道Ⅰ上，在A处通过变轨转移至圆轨道Ⅱ上运行，圆轨道Ⅱ距离地面720km。A、B分别为椭圆轨道Ⅰ的远地点和近地点，已知地球同步卫星距离地面36000km，则（ ）
A．卫星沿轨道Ⅰ、Ⅱ经过A点时的加速度相等
B．卫星沿轨道Ⅱ运行的周期大于地球同步卫星的周期
C．卫星沿轨道Ⅱ运行的机械能小于地球同步卫星的机械能
D．卫星经过B点时的速度小于沿轨道Ⅱ经过A点时的速度
五．机械能守恒定律
9．（2024•西城区校级模拟）北京冬奥会高台滑雪场地示意如图。一运动员（含装备）的质量为m，从助滑坡上A点由静止沿坡（曲线轨道）下滑，经最低点B从坡的末端C起跳，在空中飞行一段时间后着陆于着陆坡上D点。已知A、C的高度差为h1，C、D的高度差为h2，重力加速度大小为g，摩擦阻力和空气阻力不能忽略，运动员可视为质点。则下列判定正确的是（ ）
A．运动员在B点处于失重状态
B．运动员起跳时的速率vC＞2gℎ1
C．运动员着陆前瞬间的动能EkD＝mg（h1+h2）
D．运动员在空中飞行的时间t＞2ℎ2g
10．（2024•天津模拟）如图甲所示，2024年1月9日，我国在西昌卫星发射中心使用长征二号丙运载火箭，成功将爱因斯坦探针卫星发射升空，卫星顺利进入预定轨道，发射任务获得圆满成功。假设爱因斯坦探针卫星发射简化过程如图乙所示，先将卫星送入圆形轨道Ⅰ，在a点发动机点火加速，由轨道Ⅰ变为椭圆轨道Ⅱ上，飞船在轨道Ⅱ上经过c点再变轨到圆轨道Ⅲ，则下列说法正确的是（ ）
A．探针卫星在轨道Ⅰ上经过a点的速度大于在轨道Ⅱ上经过a点的速度
B．探针卫星在轨道Ⅱ上由a点运动到c点机械能减少
C．探针卫星在轨道Ⅱ上经过c点的加速度等于在轨道Ⅲ上经过c点的加速度
D．探针卫星在轨道Ⅰ上运行的角速度小于在轨道Ⅲ上运行的角速度
11．（2024•延边州一模）在足球场上罚任意球时，防守运动员会在球门与罚球点之间站成一堵“人墙”，以增加防守面积，防守运动员会在足球踢出瞬间高高跃起，以增加防守高度。如图所示，虚线是某次射门时足球的运动轨迹，足球恰好擦着横梁下沿进入球门，忽略空气阻力和足球的旋转，下列说法正确的是（ ）
A．足球上升到最高点时的速度为0
B．足球下降过程中重力的功率一直在增大
C．足球在飞行过程中机械能先减小后增大
D．只要防守运动员跳起的最大高度超过轨迹最高点，就一定能“拦截”到足球
12．（2024•拉萨一模）摩托车骑手从一斜坡冲出在空中飞越的情景如图所示，不计空气阻力影响，假设摩托车发动机油门关闭，摩托车在空中飞行的过程中（ ）
A．若要研究某时刻骑手的动作，可以把摩托车和骑手看作质点
B．若不考虑转动的影响，在最高点，骑手的动能为零
C．若不考虑转动的影响，骑手的机械能先减小再增大
D．若不考虑转动的影响，骑手的加速度不变
13．（2024•泉州模拟）唐代诗人丁仙芝的诗句“更闻枫叶下，淅沥度秋声”，通过枫叶掉落的淅沥声，带来了秋天的讯息。如图为枫叶在秋风中下落的景色，若其中一片枫叶从高度为6m的树枝上由静止飘落，经3s落到水平地面上，取重力加速度大小为10m/s2。则该枫叶（ ）
A．下落过程做自由落体运动
B．落地时速度大小一定为30m/s
C．在竖直方向上运动的平均速度大小为2m/s
D．在下落过程中机械能守恒
14．（2024•甘孜州模拟）2023年5月30日16时29分，神舟十六号载人飞船入轨后，成功对接于空间站天和核心舱径向端口，形成了三舱三船组合体，此次任务将带去航天员驻留和消耗物资、维修备件、推进剂和应用任务载荷样品，并带回在轨废弃物。飞船发射后会在停泊轨道（Ⅰ）上进行数据确认，后择机经转移轨道（Ⅱ）完成与中国空间站的交会对接，其变轨过程可简化如下图所示，已知停泊轨道半径近似为地球半径R，中国空间站轨道距地面的平均高度为h，飞船在停泊轨道上的周期为T1，则（ ）
A．飞船在停泊轨道（Ⅰ）上的速度大于7.9km/s
B．飞船在停泊轨道（Ⅰ）与组合体在空间站轨道（Ⅲ）上的速率之比为（R+h）：R
C．飞船在转移轨道（Ⅰ）上正常运行的周期为T＝T1•(1+ℎ2R)3
D．飞船在转移轨道（Ⅱ）上正常运行时，在Q点的机械能和在空间站轨道（Ⅲ）上在Q点的机械能相同
六．功能关系
15．（2024•西城区校级模拟）“神舟十六号”载人飞船安全着陆需经过分离、制动、再入和减速四个阶段。如图所示，在减速阶段，巨型降落伞为返回舱提供阻力，假设返回舱做直线运动，则在减速阶段（ ）
A．伞绳对返回舱的拉力大于返回舱对伞绳的拉力
B．伞绳对返回舱的拉力小于返回舱对伞绳的拉力
C．合外力对返回舱做的功等于返回舱机械能的变化
D．除重力外其他力对返回舱做的总功等于返回舱机械能的变化
16．（2024•正定县校级三模）如图甲所示，水平桌面上有一算盘。中心带孔的相同算珠（可视为质点）可穿在固定的杆上滑动，算珠与杆之间的动摩擦因数恒定，使用时发现某一根杆上有A、B两颗算珠未在归零位。A、B相隔s1＝3.5cm，B与上边框相隔s2＝2cm，现用手指将A以某一初速度拨出，在方格纸中作出A、B运动的v﹣t图像如图乙所示（实线代表A，虚线代表B）。忽略A、B碰撞的时间，g取10m/s2，则下列说法中正确的是（ ）
A．算珠A、B均能回到自己的归零位
B．算珠A在碰撞前运动了0.2s
C．算珠与杆之间的动摩擦因数为0.1
D．算珠A与算珠B在碰撞过程中机械能守恒
17．（2024•门头沟区一模）2024年2月10日是“天问一号”火星环绕器环火三周年纪念日。3年前“天问一号”火星探测器成功实施制动捕获后，进入环绕火星椭圆轨道，成为中国第一颗人造火星卫星。要完成探测任务探测器需经历如图所示变轨过程，轨道Ⅰ为圆轨道，轨道Ⅱ、轨道Ⅲ为椭圆轨道。关于探测器，下列说法正确的是（ ）
A．在轨道Ⅰ上的周期大于在轨道Ⅱ上的周期
B．在轨道Ⅰ上的机械能大于在轨道Ⅱ上的机械能
C．在轨道Ⅰ上经过P点的速度小于轨道Ⅱ上经过P点的速度
D．在轨道Ⅰ上经过P点的加速度小于轨道Ⅱ上经过P点的加速度
18．（2024•丰台区一模）出现暴风雪天气时，配备航空燃油发动机的某型号“除雪车”以20km/h的速度匀速行驶，进行除雪作业。直径约为30cm的吹风口向侧面吹出速度约30m/s、温度约700℃，密度约1.0kg/m3的热空气。已知航空燃油的热值为4×107J/kg。根据以上信息可以估算出以下哪个物理量（ ）
A．除雪车前进时受到的阻力
B．除雪车吹出热空气时受到的反冲力
C．除雪车进行除雪作业时消耗的功率
D．除雪车进行除雪作业时单位时间消耗的燃油质量
19．（2024•五华区校级模拟）蹦极是一项深受年轻人喜爱的极限运动。为了研究蹦极运动过程，做以下简化（如图甲）：将游客视为质点，他的运动始终沿竖直方向。弹性绳的一端固定在O点，另一端和游客相连。游客从O点开始下落到最低点的过程中，位移一时间（x﹣t）图像如图乙所示，其中t1为游客速度最大的时刻，t2为游客运动到最低点的时刻，空气阻力不计。下列说法正确的是（ ）
A．t1时刻游客的加速度大小为g
B．t2时刻游客的加速度为0
C．0～t1时间内游客的机械能保持不变
D．t1～t2时间内游客所受合力的大小逐渐变大
20．（2024•南充模拟）蹦极是跳跃者把一端固定的长弹性绳绑在踝关节等处，从几十米高处跳下的一种极限运动、如图为蹦极运动的示意图。弹性绳的一端固定在O点，另一端和质量为60kg的跳跃者相连，跳跃者从距离地面45m的高台站立着从O点自由下落，到B点弹性绳自然伸直，C点加速度为零，D为最低点，然后弹起。运动员可视为质点，不计弹性绳的质量，整个过程中忽略空气阻力。则下列说法正确的是（ ）
A．跳跃者从O到B的运动为变加速直线运动
B．跳跃者从B运动到C的过程，始终处于失重状态
C．跳跃者从B运动到C的过程，减少的重力势能等于弹性绳增加的弹性势能
D．假设弹性绳索长20m，劲度系数为1000N/m，可以得到C点与O点的距离是26m
21．（2024•西城区校级模拟）如图所示，质量为2000kg的电梯的缆绳发生断裂后向下坠落，电梯刚接触井底缓冲弹簧时的速度为4m/s，缓冲弹簧被压缩2m时电梯停止了运动，下落过程中安全钳总共提供给电梯17000N的滑动摩擦力。已知弹簧的弹性势能为Ep=12kx2（k为弹簧的劲度系数，x为弹簧的形变量），安全钳提供的滑动摩擦力等于最大静摩擦力，重力加速度g＝10m/s2，下列说法正确的是（ ）
A．弹簧的劲度系数为3000N/m
B．整个过程中电梯的加速度一直在减小
C．电梯停止在井底时受到的摩擦力大小为17000N
D．从电梯接触弹簧到速度最大的过程中电梯和弹簧组成的系统损失的机械能约为4636J
22．（2024•长沙模拟）图甲为使用风簸的情景。风簸是清谷的农用工具，主要用于筛选精谷粒和瘪谷粒。图乙为其工作原理示意图：匀速摇动扇叶（图中未画出），在AB和CD间形成持续稳定的风力场，风速水平向左，开启斗仓下方的狭缝S1，轻重显著不同的谷粒由狭缝进入风力场，在风力和重力作用下经由具有一定宽度的出谷口S2或S3离开风力场后被收集。现考查同时进入风力场的精谷粒a和瘪谷粒b这两粒谷子，设它们所受风力相同，忽略初速度和空气阻力的影响，那么（ ）
A．a比b先到达出谷口
B．到达出谷口时a的速度较大，b的速度较小
C．a经由S3离开风力场，b经由S2离开风力场
D．离开出谷口时，a的机械能增量较小，b的机械能增量较大
23．（2024•天河区一模）弹弓是孩子们喜爱的弹射类玩具，其构造原理如图所示，橡皮筋两端点A、B固定在把手上，橡皮筋处于ACB时恰好为原长状态，在C处（AB连线的中垂线上）放一固体弹丸，一手执把，另一手将弹丸拉至D点放手，弹丸就会在橡皮筋的作用下发射出去，打击目标。现将弹丸竖直向上发射，已知E是CD中点，则（ ）
A．从D到C过程中，弹丸的机械能守恒
B．从D到C过程中，弹丸的动能一直在增大
C．从D到C过程中，橡皮筋的弹性势能先增大后减小
D．从D到E过程橡皮筋对弹丸做功大于从E到C过程
（多选）24．（2024•绵阳模拟）如图甲所示的等双翼式传输机，其两侧等长的传送带倾角可以在一定范围内调节，方便不同工况下的货物传送作业，工作时两传送带匀速转动且速度相同。图乙为等双翼式传输机工作示意图，M1、M2代表两传送带。第一次调整M1倾角为30°，M2倾角为45°；第二次调整M1倾角为45°，M2倾角为30°，两次分别将同一货物无初速放在M1的最低端，都能传到M2的最高端。货物与M1和M2的接触面粗糙程度相同，两次运输中货物均在M1上就已与传送带达共速，先后两次传输机运行速度相同，则（ ）
A．两次运送货物经过的时间相等
B．第一次运送货物的时间较短
C．传输机因运送物件而多消耗的能量，两次相等
D．传输机因运送物件而多消耗的能量，第二次较多