2020年高考物理专题精准突破 机械能守恒定律的理解及应用(解析版)

2020年高考物理专题精准突破

专题机械能守恒定律的理解及应用

【专题诠释】

一、机械能守恒的理解与判断

1．利用机械能的定义判断：分析动能和势能的和是否变化．

2．利用做功判断：若物体或系统只有重力(或弹簧的弹力)做功，或有其他力做功，但其他力做功的代数和为零，则机械能守恒．

3．利用能量转化来判断：若物体或系统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，则物体或系统机械能守恒．

二．机械能守恒定律的表达式

三、多个物体的机械能守恒问题，往往涉及“轻绳模型”“轻杆模型”以及“轻弹簧模型”．

(1)轻绳模型

三点提醒

①分清两物体是速度大小相等，还是沿绳方向的分速度大小相等．

①用好两物体的位移大小关系或竖直方向高度变化的关系．

①对于单个物体，一般绳上的力要做功，机械能不守恒；但对于绳连接的系统，机械能则可能守恒．

(2)轻杆模型

三大特点

①平动时两物体线速度相等，转动时两物体角速度相等．

①杆对物体的作用力并不总是沿杆的方向，杆能对物体做功，单个物体机械能不守恒．

①对于杆和球组成的系统，忽略空气阻力和各种摩擦且没有其他力对系统做功，则系统机械能守恒．

(3)轻弹簧模型“四点”注意

①含弹簧的物体系统在只有弹簧弹力和重力做功时，物体的动能、重力势能和弹簧的弹性势能之间相互转化，物体和弹簧组成的系统机械能守恒，而单个物体和弹簧机械能都不守恒．

①含弹簧的物体系统机械能守恒问题，符合一般的运动学解题规律，同时还要注意弹簧弹力和弹性势能的特点．

①弹簧弹力做的功等于弹簧弹性势能的减少量，而弹簧弹力做功与路径无关，只取决于初、末状态弹簧形变量的大小．

①由两个或两个以上的物体与弹簧组成的系统，当弹簧形变量最大时，弹簧两端连接的物体具有相同的速度；弹簧处于自然长度时，弹簧弹性势能最小(为零)．

【高考领航】

【2019·新课标全国Ⅱ卷】从地面竖直向上抛出一物体，其机械能E总等于动能E k与重力势能E p之和。取地面为重力势能零点，该物体的E总和E p随它离开地面的高度h的变化如图所示。重力加速度取10 m/s2。由图中数据可得（）

A ．物体的质量为2 kg

B ．h =0时，物体的速率为20 m/s

C ．h =2 m 时，物体的动能E k =40 J

D ．从地面至h =4 m ，物体的动能减少100 J

【答案】AD

【解析】A ．E p –h 图像知其斜率为G ，故G =80J

4m

=20 N ，解得m =2 kg ，故A 正确B ．

h =0时，E p =0，E k =E 机–E p =100 J–0=100 J ，故21

2

mv =100 J ，解得：v =10 m/s ，故B 错误；C ．h =2 m 时，E p =40 J ，

E k =E 机–E p =85 J–40 J=45 J ，故C 错误；D ．h =0时，E k =E 机–E p =100 J–0=100 J ，h =4 m 时，E k ′=E 机–E p =80 J–80 J=0 J ，故E k –E k ′=100 J ，故D 正确。

【2017·新课标全国Ⅲ卷】如图，一质量为m ，长度为l 的均匀柔软细绳PQ 竖直悬挂。用外力将绳的下端Q 缓慢地竖直向上拉起至M 点，M 点与绳的上端P 相距。重力加速度大小为g 。在此过程中，外力做的功 为（ ）

A ．

B ．

C ．

D ． 【答案】A

【解析】将绳的下端Q 缓慢地竖直向上拉起至M 点，PM 段绳的机械能不变，MQ

段绳的机械能的增加量

1

3

l 19mgl 16mgl 13mgl 1

2

mgl

为，由功能关系可知，在此过程中，外力做的功，故选A 。

【方法技巧】

1.守恒表达式的选用技巧

(1)在处理单个物体机械能守恒问题时通常应用守恒观点和转化观点，转化观点不用选取零势能面． (2)在处理连接体问题时，通常应用转化观点和转移观点，都不用选取零势能面． 2.多个物体机械能守恒问题的分析方法

(1)对多个物体组成的系统要注意判断物体运动过程中，系统的机械能是否守恒． (2)注意寻找用绳或杆连接的物体间的速度关系和位移关系． (3)列机械能守恒方程时，一般选用ΔE k ＝－ΔE p 的形式．

【最新考向解码】

【例1】(2019·安徽芜湖高三上学期期末)用长为L 的细线系着一个质量为m 的小球(可以看做质点)，以细线端点O 为圆心，在竖直平面内做圆周运动。P 点和Q 点分别为轨迹的最低点和最高点，不考虑空气阻力，小球经过P 点和Q 点时所受细线拉力的差值为( )

A ．2mg

B ．4mg

C ．6mg

D ．8mg 【答案】 C

【解析】 根据牛顿第二定律，在Q 点，有F 1＋mg ＝m v 21L ，在P 点，有F 2－mg ＝m v 22

L

，从最高点到最低点

过程，根据机械能守恒定律，有mg ·(2L )＝12mv 22－12mv 2

1，联立三式，解得小球经过P 点和Q 点时所受细线拉力的差值为F 2－F 1＝6mg ，C 正确。

21211()()36339E mg l mg l mgl ∆=---=1

9

W mgl

=

【例2】(2019·山东日照模拟)蹦极是一项非常刺激的户外休闲活动．北京青龙峡蹦极跳塔高度为68米，身系弹性蹦极绳的蹦极运动员从高台跳下，下落高度大约为50米．假定空气阻力可忽略，运动员可视为质点．下列说法正确的是()

A．运动员到达最低点前加速度先不变后增大

B．蹦极过程中，运动员的机械能守恒

C．蹦极绳张紧后的下落过程中，动能一直减小

D．蹦极绳张紧后的下落过程中，弹力一直增大

【答案】：D

【解析】：蹦极绳张紧前，运动员只受重力，加速度不变，蹦极绳张紧后，运动员受重力、弹力，开始时重力大于弹力，加速度向下，后来重力小于弹力，加速度向上，则蹦极绳张紧后，运动员加速度先减小为零再反向增大，故A错误；蹦极过程中，运动员和弹性绳的机械能守恒，故B错误；蹦极绳张紧后的下落过程中，运动员加速度先减小为零再反向增大，运动员速度先增大再减小，运动员动能先增大再减小，故C 错误；蹦极绳张紧后的下落过程中，弹性绳的伸长量增大，弹力一直增大，故D正确．

【例3】(2019·河北定州中学模拟)如图所示，A、B两小球由绕过轻质定滑轮的细线相连，A放在固定的光滑斜面上，B、C两小球在竖直方向上通过劲度系数为k的轻质弹簧相连，C球放在水平地面上．现用手控制住A，并使细线刚刚拉直但无拉力作用，并保证滑轮左侧细线竖直、右侧细线与斜面平行．已知A的质量为4m，B、C的质量均为m，重力加速度为g，细线与滑轮之间的摩擦不计，开始时整个系统处于静止状态．释放A后，A沿斜面下滑至速度最大时C恰好离开地面．下列说法正确的是()

A．斜面倾角α＝60°

B．A获得的最大速度为2g m 5k

C．C刚离开地面时，B的加速度最大

D．从释放A到C刚离开地面的过程中，A、B两小球组成的系统机械能守恒【答案】：B

【解析】：C 刚离开地面时，对C 有kx 2＝mg ，此时B 有最大速度，即a B ＝a C ＝0，则对B 有F T －kx 2－mg ＝0，对A 有4mg sin α－F T ＝0，由以上方程联立可解得sin α＝1

2，α＝30°，故A 错误；初始系统静止，且线

上无拉力，对B 有kx 1＝mg ，可知x 1＝x 2＝mg

k ，则从释放A 至C 刚离开地面时，弹性势能变化量为零，由

机械能守恒定律得4mg (x 1＋x 2)sin α＝mg (x 1＋x 2)＋1

2(4m ＋m )v B m 2，由以上方程联立可解得v B m ＝2g

m

5k

，所以A 获得的最大速度为2g

m

5k

，故B 正确；对B 球进行受力分析可知，刚释放A 时，B 所受合力最大，此时B 具有最大加速度，故C 错误；从释放A 到C 刚离开地面的过程中，A 、B 、C 及弹簧组成的系统机械能守恒，故D 错误．

【微专题精练】

1.(2019·哈尔滨六中检测)如图所示，物体A 的质量为M ，圆环B 的质量为m ，通过绳子连接在一起，圆环套在光滑的竖直杆上，开始时连接圆环的绳子处于水平，长度l ＝4 m ，现从静止释放圆环．不计定滑轮和空气的阻力，g 取10 m/s 2，若圆环下降h ＝3 m 时的速度v ＝5 m/s ，则A 和B 的质量关系为( )

A ．M m ＝35

29

B ．M m ＝79

C ．M m ＝3925

D ．M m ＝1519

【答案】A

【解析】：圆环下降3 m 后的速度可以按如图所示分解，故可得v A ＝v cos θ＝

vh

h 2＋l 2

，A 、B 和绳子看成一个整体，整体只有重力做功，机械能守恒，当圆环下降h ＝3 m 时，根据机械能守恒可得mgh ＝Mgh A ＋1

2mv 2

＋12Mv 2A ，其中h A ＝h 2＋l 2－l ，联立可得M m ＝3529

，故A 正确．

2.(2019·山东烟台模拟)如图所示，可视为质点的小球A 和B 用一根长为0.2 m 的轻杆相连，两球质量均为1 kg ，开始时两小球置于光滑的水平面上，并给两小球一个大小为2 m/s ，方向水平向左的初速度，经过一段时间，两小球滑上一个倾角为30°的光滑斜面，不计球与斜面碰撞时的机械能损失，重力加速度g 取10 m/s 2，在两小球的速度减小为零的过程中，下列判断正确的是( )

A ．杆对小球A 做负功

B ．小球A 的机械能守恒

C ．杆对小球B 做正功

D ．小球B 速度为零时距水平面的高度为0.15 m 【答案】D

【解析】：由于两小球组成的系统机械能守恒，设两小球的速度减为零时，B 小球上升的高度为h ，则由机械能守恒定律可得mgh ＋mg (h ＋L sin 30°)＝1

2·2mv 20，其中L 为轻杆的长度，v 0为两小球的初速度，代入数据解得h ＝0.15 m ，选项D 正确；在A 球沿斜面上升过程中，设杆对A 球做的功为W ，则由动能定理可得－mg (h ＋L sin 30°)＋W ＝0－12mv 20，代入数据解得W ＝0.5 J ，选项A 、B 错误；设杆对小球B 做的功为W ′，对

小球B ，由动能定理可知－mgh ＋W ′＝0－1

2mv 20

，代入数据解得W ′＝－0.5 J ，选项C 错误．

3.(2019·哈尔滨模拟)将质量分别为m 和2m 的两个小球A 和B ，用长为2L 的轻杆相连，如图所示，在杆的中点O 处有一固定水平转动轴，把杆置于水平位置后由静止自由释放，在B 球顺时针转动到最低位置的过程中(不计一切摩擦)( )

A ．A 、

B 两球的线速度大小始终不相等 B ．重力对B 球做功的瞬时功率先增大后减小

C ．B 球转动到最低位置时的速度大小为 2

3

gL D ．杆对B 球做正功，B 球机械能不守恒 【答案】BC

【解析】：A 、B 两球用轻杆相连共轴转动，角速度大小始终相等，转动半径相等，所以两球的线速度大小也相等，选项A 错误；杆在水平位置时，重力对B 球做功的瞬时功率为零，杆在竖直位置时，B 球的重力方向和速度方向垂直，重力对B 球做功的瞬时功率也为零，但在其他位置重力对B 球做功的瞬时功率不为零，因此，重力对B 球做功的瞬时功率先增大后减小，选项B 正确；设B 球转动到最低位置时速度为v ，两球线速度大小相等，对A 、B 两球和杆组成的系统，由机械能守恒定律得2mgL －mgL ＝12(2m )v 2＋1

2mv 2，

解得v ＝

23gL ，选项C 正确；B 球的重力势能减少了2mgL ，动能增加了2

3

mgL ，机械能减少了，所以杆对B 球做负功，选项D 错误．

4.(2019·北京模拟)将一个物体以初动能E 0竖直向上抛出，落回地面时物体的动能为E 0

2.设空气阻力恒定，如

果将它以初动能4E 0竖直上抛，则它在上升到最高点的过程中，重力势能变化了( ) A ．3E 0 B ．2E 0 C ．1.5E 0 D ．E 0

【答案】A.

【解析】：设动能为E 0，其初速度为v 0，上升高度为h ；当动能为4E 0，则初速度为2v 0，上升高度为h ′.由于在上升过程中加速度相同，根据v 2＝2gh 可知，h ′＝4h 根据动能定理设摩擦力大小为f ，则f ×2h ＝E 0

2，因此

f ×4h ＝E 0.因此在升到最高处其重力势能为3E 0，所以答案为A.

5.(2019·无锡模拟)如图所示，斜劈劈尖顶着竖直墙壁静止于水平面上，现将一小球从图示位置静止释放，不计一切摩擦，则在小球从释放到落至地面的过程中，下列说法正确的是( )

A ．斜劈对小球的弹力不做功

B ．斜劈与小球组成的系统机械能守恒

C ．斜劈的机械能守恒

D ．小球重力势能减少量等于斜劈动能的增加量 【答案】B.

【解析】：不计一切摩擦，小球下滑时，小球和斜劈组成的系统只有小球的重力做功，小球重力势能减少量等于斜劈和小球的动能增加量，系统机械能守恒，B 正确，C 、D 错误；斜劈对小球的弹力与小球位移间夹角大于90°，故弹力做负功，A 错误．

6.如图所示，有一光滑轨道ABC ，AB 部分为半径为R 的1

4圆弧，BC 部分水平，质量均为m 的小球a 、b 固

定在竖直轻杆的两端，轻杆长为R ，不计小球大小．开始时a 球处在圆弧上端A 点，由静止释放小球和轻杆，使其沿光滑轨道下滑，则下列说法正确的是( )

A ．a 球下滑过程中机械能保持不变

B ．b 球下滑过程中机械能保持不变

C ．a 、b 球滑到水平轨道上时速度大小为2gR

D ．从释放a 、b 球到a 、b 球滑到水平轨道上，整个过程中轻杆对a 球做的功为mgR

2

【答案】：D

【解析】：a 、b 球和轻杆组成的系统机械能守恒，A 、B 错误；由系统机械能守恒有mgR ＋2mgR ＝12×2mv 2，

解得a 、b 球滑到水平轨道上时速度大小为v ＝3gR ，C 错误；从释放a 、b 球到a 、b 球滑到水平轨道上，对a 球，由动能定理有W ＋mgR ＝12mv 2，解得轻杆对a 球做的功为W ＝mgR

2

，D 正确．

7.(2019·甘肃兰州模拟)如图所示，竖直面内光滑的3

4圆形导轨固定在一水平地面上，半径为R .一个质量为m

的小球从距水平地面正上方h 高处的P 点由静止开始自由下落，恰好从N 点沿切线方向进入圆轨道．不考虑空气阻力，则下列说法正确的是( )

A ．适当调整高度h ，可使小球从轨道最高点M 飞出后，恰好落在轨道右端口N 处

B ．若h ＝2R ，则小球在轨道最低点对轨道的压力为5mg

C ．只有h 大于等于2.5R 时，小球才能到达圆轨道的最高点M

D ．若h ＝R ，则小球能上升到圆轨道左侧离地高度为R 的位置，该过程重力做功为mgR 【答案】：BC

【解析】：若小球从M 到N 做平抛运动，则有R ＝v M t ，R ＝12

gt 2，可得v M ＝

gR

2

，而球到达最高点M 时速度至少应满足mg ＝m v 02R ，解得v 0＝gR ，故A 错误；从P 点到最低点过程由机械能守恒可得2mgR ＝1

2mv 2，

由向心力公式得F N －mg ＝m v 2

R ，解得F N ＝5mg ，由牛顿第三定律可知小球对轨道的压力为5mg ，故B 正确；

由机械能守恒得mg (h －2R )＝1

2mv 02，代入v 0＝gR 解得h ＝2.5R ，故C 正确；若h ＝R ，则小球能上升到圆

轨道左侧离地高度为R 的位置，该过程重力做功为0，D 错误．

8.(2019·浙江舟山模拟)如图所示，一个小环沿竖直放置的光滑圆环形轨道做圆周运动．小环从最高点A 滑到最低点B 的过程中，小环线速度大小的平方v 2随下滑高度h 的变化图象可能是( )

【答案】：AB

【解析】：对小环由机械能守恒定律得mgh ＝12mv 2－12mv 02，则v 2＝2gh ＋v 02，当v 0＝0时，B 正确；当v 0≠0

时，A 正确．

9.(2019·山东潍坊模拟)如图所示，将一质量为m 的小球从A 点以初速度v 斜向上抛出，小球先后经过B 、C 两点．已知B 、C 之间的竖直高度和C 、A 之间的竖直高度都为h ，重力加速度为g ，取A 点所在的平面为

参考平面，不考虑空气阻力，则( )

A ．小球在

B 点的机械能是

C 点机械能的两倍 B ．小球在B 点的动能是C 点动能的两倍

C ．小球在B 点的动能为12mv 2＋2mgh

D ．小球在C 点的动能为12

mv 2－mgh 【答案】：D

【解析】：不计空气阻力，小球在斜上抛运动过程中只受重力作用，运动过程中小球的机械能守恒，则小球在B 点的机械能等于在C 点的机械能，选项A 错误；小球在B 点的重力势能大于在C 点重力势能，根据机械能守恒定律知，小球在B 点的动能小于在C 点的动能，选项B 错误；小球由A 到B 过程中，根据机械能

守恒定律有mg ·2h ＋E k B ＝12mv 2，解得小球在B 点的动能为E k B ＝12

mv 2－2mgh ，选项C 错误；小球由B 到C 过程中，根据机械能守恒定律有mg ·2h ＋E k B ＝mgh ＋E k C ，解得小球在C 点的动能为E k C ＝E k B ＋mgh ＝12

mv 2－mgh ，选项D 正确．

10.把质量是0.2 kg 的小球放在竖立的弹簧上，并把球往下按至A 的位置，如图甲所示．迅速松手后，弹簧把球弹起，球升至最高位置C (图丙)．途中经过位置B 时弹簧正好处于自由状态(图乙)．已知B 、A 的高度差为0.1 m ，C 、B 的高度差为 0.2 m ，弹簧的质量和空气阻力都可以忽略，重力加速度g ＝10 m/s 2.则下列说法正确的是( )

A ．小球从A 上升至

B 的过程中，弹簧的弹性势能一直减小，小球的动能一直增加

B ．小球从B 上升到

C 的过程中，小球的动能一直减小，势能一直增加

C ．小球在位置A 时，弹簧的弹性势能为0.6 J

D ．小球从位置A 上升至C 的过程中，小球的最大动能为 0.4 J

【答案】BC.

【解析】：小球从A 上升到B 的过程中，弹簧的形变量越来越小，弹簧的弹性势能一直减小，小球在A 、B 之间某处的合力为零，速度最大，对应动能最大，选项A 错误；小球从B 上升到C 的过程中，只有重力做功，机械能守恒，动能减少，势能增加，选项B 正确；根据机械能守恒定律，小球在位置A 时，弹簧的弹性势能为E p ＝mgh AC ＝0.2×10×0.3 J ＝0.6 J ，选项C 正确；小球在B 点时的动能为E k ＝mgh BC ＝0.4 J ＜E km ，选项D 错误．

11．(2019·温州高三模拟)如图所示，在竖直平面内半径为R 的四分之一圆弧轨道AB 、水平轨道BC 与斜面CD 平滑连接在一起，斜面足够长．在圆弧轨道上静止着N 个半径为r (r ①R )的光滑小球(小球无明显形变)，小球恰好将圆弧轨道铺满，从最高点A 到最低点B 依次标记为1、2、3…、N .现将圆弧轨道末端B 处的阻挡物拿走，N 个小球由静止开始沿轨道运动，不计摩擦与空气阻力，下列说法正确的是( )

A ．N 个小球在运动过程中始终不会散开

B ．第1个小球从A 到B 过程中机械能守恒

C ．第1个小球到达B 点前第N 个小球做匀加速运动

D ．第1个小球到达最低点的速度v

【答案】AD.

【解析】：在下滑的过程中，水平面上的小球要做匀速运动，而曲面上的小球要做加速运动，则后面的小球对前面的小球有向前挤压的作用，所以小球之间始终相互挤压，冲上斜面后后面的小球把前面的小球往上压，所以小球之间始终相互挤压，故N 个小球在运动过程中始终不会散开，故A 正确；第一个小球在下落过程中受到挤压，所以有外力对小球做功，小球的机械能不守恒，故B 错误；由于小球在下落过程中速度

发生变化，相互间的挤压力变化，所以第N 个小球不可能做匀加速运动，故C 错误；当重心下降R 2

时，根据机械能守恒定律得：12mv 2＝mg ·R 2，解得：v ＝gR ；同样对整体在AB 段时，重心低于R 2

，所以第1个小球到达最低点的速度v

12.如图所示，质量为m ＝2 kg 的小球以初速度v 0沿光滑的水平面飞出后，恰好无碰撞地从A 点进入竖直平面内的光滑圆弧轨道，其中B 点为圆弧轨道的最低点，C 点为圆弧轨道的最高点，圆弧AB 对应的圆心角θ＝53°，圆半径R ＝0.5 m ．若小球离开水平面运动到A 点所用时间t ＝0.4 s ，求：(sin 53°＝0.8，cos 53°＝0.6，

g 取10 m/s 2)

(1)小球沿水平面飞出的初速度v 0的大小．

(2)到达B 点时，小球对圆弧轨道的压力大小．

(3)小球能否通过圆弧轨道的最高点C ？说明原因．

【答案】：(1)3 m/s (2)136 N (3)能，理由见解析

【解析】：(1)小球离开水平面运动到A 点的过程中做平抛运动，有v y ＝gt

根据几何关系可得tan θ＝v y v 0

代入数据，解得v 0＝3 m/s

(2)由题意可知，小球在A 点的速度v A ＝v y sin θ

小球从A 点运动到B 点的过程，满足机械能守恒定律，有

12mv A 2＋mgR (1－cos θ)＝12

mv B 2 设小球运动到B 点时受到圆弧轨道的支持力为F N ，根据牛顿第二定律有F N －mg ＝m v B 2R 代入数据，解得F N ＝136 N

由牛顿第三定律可知，小球对圆弧轨道的压力F N ′＝F N ＝136 N

(3)假设小球能通过最高点C ，则小球从B 点运动到C 点的过程，满足机械能守恒定律，有 12mv B 2＝mg ·2R ＋12

mv C 2 在C 点有F 向＝m v C 2R

代入数据，解得F向＝36 N>mg 所以小球能通过最高点C.