高中物理动量守恒与能量守恒经典题目

发布时间：2020-04-22 09:20:17

专题四动能定理与能量守恒

一、大纲解读

内容	要求
功、功率	Ⅱ
动能，做功与动能改变的关系	Ⅱ
重力势能.做功与重力势能改变的关系	Ⅱ
弹性势能	Ⅰ
机械能守恒定律	Ⅱ
能量守恒定律	II

本专题涉及的考点有：功和功率、动能和动能定理、重力做功和重力势能、弹性势能、机械能守恒定律，都是历年高考的必考内容，考查的知识点覆盖面全，频率高，题型全。动能定理、机械能守恒定律是力学中的重点和难点，用能量观点解题是解决动力学问题的三大途径之一。《大纲》对本部分考点要求为Ⅱ类有五个，功能关系一直都是高考的“重中之重”，是高考的热点和难点，涉及这部分内容的考题不但题型全、分值重，而且还常有高考压轴题。考题的内容经常与牛顿运动定律、曲线运动、动量守恒定律、电磁学等方面知识综合，物理过程复杂，综合分析的能力要求较高，这部分知识能密切联系生活实际、联系现代科学技术，因此，每年高考的压轴题，高难度的综合题经常涉及本专题知识。它的特点：一般过程复杂、难度大、能力要求高。还常考查考生将物理问题经过分析、推理转化为数学问题，然后运用数学知识解决物理问题的能力。所以复习时要重视对基本概念、规律的理解掌握，加强建立物理模型、运用数学知识解决物理问题的能力。

二、重点剖析

1、理解功的六个基本问题

（1）做功与否的判断问题：关键看功的两个必要因素，第一是力；第二是力的方向上的位移。而所谓的“力的方向上的位移”可作如下理解：当位移平行于力，则位移就是力的方向上的位的位移；当位移垂直于力，则位移垂直于力，则位移就不是力的方向上的位移；当位移与力既不垂直又不平行于力，则可对位移进行正交分解，其平行于力的方向上的分位移仍被称为力的方向上的位移。

（2）关于功的计算问题：①W=FS cosα这种方法只适用于恒力做功。②用动能定理W=ΔEk或功能关系求功。当F为变力时，高中阶段往往考虑用这种方法求功。这种方法的依据是：做功的过程就是能量转化的过程，功是能的转化的量度。如果知道某一过程中能量转化的数值，那么也就知道了该过程中对应的功的数值。

（3）关于求功率问题：① 所求出的功率是时间t内的平均功率。②功率的计算式：，其中θ是力与速度间的夹角。一般用于求某一时刻的瞬时功率。

（4）一对作用力和反作用力做功的关系问题：①一对作用力和反作用力在同一段时间内做的总功可能为正、可能为负、也可能为零；②一对互为作用反作用的摩擦力做的总功可能为零（静摩擦力）、可能为负（滑动摩擦力），但不可能为正。

（5）了解常见力做功的特点:①重力做功和路径无关，只与物体始末位置的高度差h有关：W=mgh，当末位置低于初位置时，W＞0，即重力做正功；反之重力做负功。②滑动摩擦力做功与路径有关。当某物体在一固定平面上运动时，滑动摩擦力做功的绝对值等于摩擦力与路程的乘积。在两个接触面上因相对滑动而产生的热量，其中为滑动摩擦力，为接触的两个物体的相对路程。

（6）做功意义的理解问题：做功意味着能量的转移与转化，做多少功，相应就有多少能量发生转移或转化。

2.理解动能和动能定理

（1）动能是物体运动的状态量，而动能的变化ΔEK是与物理过程有关的过程量。

(2)动能定理的表述：合外力做的功等于物体动能的变化。（这里的合外力指物体受到的所有外力的合力，包括重力）。表达式为

动能定理也可以表述为：外力对物体做的总功等于物体动能的变化。实际应用时，后一种表述比较好操作。不必求合力，特别是在全过程的各个阶段受力有变化的情况下，只要把各个力在各个阶段所做的功都按照代数和加起来，就可以得到总功。

①不管是否恒力做功，也不管是否做直线运动，该定理都成立；

②对变力做功，应用动能定理要更方便、更迅捷。

③动能为标量，但仍有正负，分别表动能的增减。

3.理解势能和机械能守恒定律

（1）机械能守恒定律的两种表述

①在只有重力做功的情形下，物体的动能和重力势能发生相互转化，但机械能的总量保持不变。

②如果没有摩擦和介质阻力，物体只发生动能和重力势能的相互转化时，机械能的总量保持不变。

（2）对机械能守恒定律的理解

①机械能守恒定律的研究对象一定是系统，至少包括地球在内。通常我们说“小球的机械能守恒”其实一定也就包括地球在内，因为重力势能就是小球和地球所共有的。另外小球的动能中所用的v，也是相对于地面的速度。

②当研究对象（除地球以外）只有一个物体时，往往根据是否“只有重力做功”来判定机械能是否守恒；当研究对象（除地球以外）由多个物体组成时，往往根据是否“没有摩擦和介质阻力”来判定机械能是否守恒。

③“只有重力做功”不等于“只受重力作用”。在该过程中，物体可以受其它力的作用，只要这些力不做功。

（3）系统机械能守恒的表达式有以下三种：

①系统初态的机械能等于系统末态的机械能

即：或或

②系统重力势能的减少量等于系统动能的增加量，即：或

③若系统内只有A、B两物体，则A物体减少的机械能等于B物体增加的机械能，即：或

4．理解功能关系和能量守恒定律

（1）做功的过程是能量转化的过程，功是能的转化的量度。

功是一个过程量，它和一段位移（一段时间）相对应；而能是一个状态量，它与一个时刻相对应。两者的单位是相同的（J），但不能说功就是能，也不能说“功变成了能”。

（2）要研究功和能的关系，突出“功是能量转化的量度”这一基本概念。①物体动能的增量由外力做的总功来量度，即：； ②物体重力势能的增量由重力做的功来量度，即：；③物体机械能的增量由重力以外的其他力做的功来量度，即：，当时，说明只有重力做功，所以系统的机械能守恒；④一对互为作用力反作用力的摩擦力做的总功，用来量度该过程系统由于摩擦而减小的机械能，也就是系统增加的内能。，其中为滑动摩擦力，为接触物的相对路程。

三、考点透视

考点1：平均功率和瞬时功率

例1、物体m从倾角为α的固定的光滑斜面由静止开始下滑，斜面高为h，当物体滑至斜面底端时，重力做功的功率为（）

A. B. C. D.

解析：由于光滑斜面，物体m下滑过程中机械能守恒，滑至底端是的瞬时速度，根据瞬时功率。

图1

由图1可知，的夹角则滑到底端时重力的功率是，故C选项正确。

答案：C

　点拨：计算功率时，必须弄清是平均功率还是瞬时功率，若是瞬时功率一定要注意力和速度之间的夹角。瞬时功率（为，的夹角）当，有夹角时，应注意从图中标明，防止错误。

考点2:会用解物理问题

例2如图4-2所示，小车的质量为，后端放一质量为的铁块，铁块与小车之间的动摩擦系数为，它们一起以速度沿光滑地面向右运动，小车与右侧的墙壁发生碰撞且无能量损失，设小车足够长，则小车被弹回向左运动多远与铁块停止相对滑动？铁块在小车上相对于小车滑动多远的距离？

图4-2

解析：小车反弹后与物体组成一个系统满足动量守恒，规定小车反弹后的方向作向左为正方向，设共同速度为，则：

解得：

以车为对象，摩擦力始终做负功，设小车对地的位移为，

则：

即：；

系统损耗机械能为：

；

点拨：两个物体相互摩擦而产生的热量Q（或说系统内能的增加量）等于物体之间滑动摩擦力f与这两个物体间相对滑动的路程的乘积，即.利用这结论可以简便地解答高考试题中的“摩擦生热”问题。

四、热点分析

热点1：机械能守恒定律

例2、如图7所示，在长为L的轻杆中点A和端点B各固定一质量均为m的小球，杆可绕无摩擦的轴O转动，使杆从水平位置无初速释放摆下。求当杆转到竖直位置时，轻杆对A、B两球分别做了多少功?

图7

本题简介：本题考查学生对机械能守恒的条件的理解，并且机械能守恒是针对A、B两球组成的系统，单独对A或B球来说机械能不守恒. 单独对A或B球只能运用动能定理解决。

解析：设当杆转到竖直位置时，A球和B球的速度分别为和。如果把轻杆、地球、两个小球构成的系统作为研究对象，那么由于杆和小球的相互作用力做功总和等于零，故系统机械能守恒。

若取B的最低点为零重力势能参考平面，可得： ①

又因A球对B球在各个时刻对应的角速度相同,故 ②

由①②式得：.

根据动能定理，可解出杆对A、B做的功。

对于A有：，即：

对于B有：，即：.

答案：、

反思：绳的弹力是一定沿绳的方向的，而杆的弹力不一定沿杆的方向。所以当物体的速度与杆垂直时，杆的弹力可以对物体做功。机械能守恒是针对A、B两球组成的系统，单独对系统中单个物体来说机械能不守恒. 单独对单个物体研究只能运用动能定理解决。学生要能灵活运用机械能守恒定律和动能定理解决问题。.

热点3：能量守恒定律

例3、如图4-4所示，质量为M，长为L的木板（端点为A、B，中点为O）在光滑水平面上以v0的水平速度向右运动，把质量为m、长度可忽略的小木块置于B端（对地初速度为0），它与木板间的动摩擦因数为μ，问v0在什么范围内才能使小木块停在O、A之间？

图4-4

本题简介：本题是考查运用能量守恒定律解决问题，因为有滑动摩擦力做功就有一部分机械能转化为内能。在两个接触面上因相对滑动而产生的热量，其中为滑动摩擦力，为接触物的相对路程。

解析：木块与木板相互作用过程中合外力为零，动量守恒.

设木块、木板相对静止时速度为 v，则 (M +m)v = Mv0 ①

能量守恒定律得： ②

滑动摩擦力做功转化为内能： ③

④

由①②③④式得： v0 的范围应是：

≤v0≤.

答案：≤v0≤

反思：只要有滑动摩擦力做功就有一部分机械能转化为内能，转化的内能：，其中为滑动摩擦力，为接触物的相对路程。

五、能力突破

1．作用力做功与反作用力做功

例1下列是一些说法中，正确的是（　　）

A．一质点受两个力作用且处于平衡状态(静止或匀速)，这两个力在同一段时间内的冲量一定相同;

B．一质点受两个力作用且处于平衡状态(静止或匀速)，这两个力在同一段时间内做的功或者都为零，或者大小相等符号相反;

C．在同样的时间内，作用力和反作用力的功大小不一定相等，但正负号一定相反;

D．在同样的时间内，作用力和反作用力的功大小不一定相等，但正负号也不一定相反;

解析：说法A不正确，因为处于平衡状态时，两个力大小相等方向相反，在同一段时间内冲量大小相等，但方向相反。由恒力做功的知识可知，说法B正确。关于作用力和反作用力的功要认识到它们是作用在两个物体上，两个物体的位移可能不同，所以功可能不同，说法C不正确，说法D正确。正确选项是BD。

反思：作用力和反作用是两个分别作用在不同物体上的力，因此作用力的功和反作用力的功没有直接关系。作用力可以对物体做正功、负功或不做功，反作用力也同样可以对物体做正功、负功或不做功。

2．机车的启动问题

例2汽车发动机的功率为60KW，若其总质量为5t，在水平路面上行驶时，所受的阻力恒为5.0×103N，试求：

（1）汽车所能达到的最大速度。

（2）若汽车以0.5m/s2的加速度由静止开始匀加速运动,求这一过程能维持多长时间?

解析：(1)汽车在水平路面上行驶,当牵引力等于阻力时,汽车的速度最大，最大速度为：

（2）当汽车匀加速起动时，由牛顿第二定律知：

而

所以汽车做匀加速运动所能达到的最大速度为：

所以能维持匀加速运动的时间为

反思：机车的两种起动方式要分清楚,但不论哪一种方式起动,汽车所能达到的最大速度都是汽车沿运动方向合外力为零时的速度,此题中当牵引力等于阻力时,汽车的速度达到最大；而当汽车以一定的加速度起动时，牵引力大于阻力，随着速度的增大，汽车的实际功率也增大，当功率增大到等于额定功率时，汽车做匀加速运动的速度已经达到最大，但这一速度比汽车可能达到的最大速度要小。

3．动能定理与其他知识的综合

例3：静置在光滑水平面上坐标原点处的小物块，在水平拉力F作用下，沿x轴方向运动，拉力F随物块所在位置坐标x的变化关系如图5所示，图线为半圆．则小物块运动到x0处时的动能为( )

A．0 B． C． D．

解析由于水平面光滑,所以拉力F即为合外力，F随位移X的变化图象包围的面积即为F做的功，由图线可知，半圆的半径为：

设x0处的动能为EK，由动能定理得：

即：，有：，

解得：，所以本题正确选项为C、D。

反思：不管是否恒力做功，也不管是否做直线运动，该动能定理都成立；本题是变力做功和力与位移图像相综合，对变力做功应用动能定理更方便、更迅捷，平时应熟练掌握。

4动能定理和牛顿第二定律相结合

例4、如图10所示，某要乘雪橇从雪坡经A点滑到B点，接着沿水平路面滑至C点停止。人与雪橇的总质量为。右表中记录了沿坡滑下过程中的有关数据，开始时人与雪橇距水平路面的高度，请根据右表中的数据解决下列问题：

（1）人与雪橇从A到B的过程中，损失的机械能为多少？

（2）设人与雪橇在BC段所受阻力恒定，求阻力的大小。

（3）人与雪橇从B运动到C的过程中所对应的距离。（取）

位置	A	B	C
速度（m/s）	2.0	12.0	0
时刻（s）	0	4.0	10.0

图10

解析：（1）从A到B的过程中，人与雪橇损失的机械能为

代入数据解得:

（2）人与雪橇在BC段做减速运动的加速度大小：

根据牛顿第二定律有

解得 N

（3）人与雪橇从B运动到C的过程中由动能定得得：

代入数据解得：

反思：动能定理是研究状态，牛顿第二定律是研究过程。动能定理不涉及运动过程中的加速度和时间，用它来处理问题要比牛顿定律方便，但要研究加速度就必须用牛顿第二定律。

5．机械能守恒定律和平抛运动相结合

例5、小球在外力作用下，由静止开始从A点出发做匀加速直线运动，到B点时消除外力。然后，小球冲上竖直平面内半径为R的光滑半圆环，恰能维持在圆环上做圆周运动，到达最高点C后抛出，最后落回到原来的出发点A处，如图11所示，试求小球在AB段运动的加速度为多大？

图11

解析：本题的物理过程可分三段：从A到孤匀加速直线运动过程；从B沿圆环运动到C的圆周运动，且注意恰能维持在圆环上做圆周运动，在最高点满足重力全部用来提供向心力；从C回到A的平抛运动。

根据题意，在C点时，满足： ①

从B到C过程，由机械能守恒定律得： ②

由①、②式得：

从C回到A过程，做平抛运动：

水平方向： ③

竖直方向： ④

由③、④式可得s=2R

从A到B过程，由匀变速直线运动规律得： ⑤

即：

反思：机械能守恒的条件：在只有重力做功的情形下，物体的动能和重力势能发生相互转化，但机械能的总量保持不变。平抛运动的处理方法：把平抛运动看作为两个分运动的合动动：一个是水平方向（垂直于恒力方向）的匀速直线运动，一个是竖直方向（沿着恒力方向）的匀加速直线运动。

二、典型习题讲解：

如下图所示，光滑的半径R=10cm半圆形导轨BC与AB相切于点B，现有一质量为m=2kg的物体从A点出发，其恰好能够通过C点，若AB=50cm，其动摩擦因数为μ=0.4，（g=10N/kg）求：

(1)物体的最小初速度v0；

(2)在B点，轨道对物体的支持力的大小；

(3)物体通过C点后，落点D与B的距离。

【解析】：

（1）过程分析：

在AB段，物体做匀加速直线运动，只受到摩擦力的作用，故可以应用能量守恒定律（物体的初动能=物体的末动能+摩擦力做功）或者用动能定理（摩擦力做功=物体的末动能-物体的初动能）；

在BC段，物体做圆周运动，在这个过程中，只有重力做功，故可以应用机械能守恒定律（B点的动能+B点的势能=C点的动能+C点的势能）；在CD段，物体只受到重力的作用，做平抛运动，可以将物体的运动分解成水平方向和竖直方向来进行求解。

（2）解答过程：

第一，在AB段，由动能定理，得：

或者，由能量守恒定律，得：

第二，在BC段，由机械能守恒定律，得：

或者，由动能定理，得：

或者，由能量守恒定律，得：

第三，在CD段，物体做平抛运动，物体的运动可分为水平方向和竖直方向：

水平方向：

竖直方向：

【答案】：

（1）

（2）

（3）

六、规律整合

1.应用动能定理解题的步骤

⑴选取研究对象，明确它的运动过程。

⑵分析研究对象的受力情况。明确物体受几个力的作用，哪些力做功，哪些力做正功，哪些力做负功。

⑶明确物体的初、末状态，应根据题意确定物体的初、末状态，及初、末状态下的动能。

⑷依据动能定理列出方程：

⑸解方程，得出结果。

友情提醒：⑴动能定理适合研究单个物体，式中应指物体所受各外力对物体做功的代数和，是指物体末态动能和初态动能之差。

⑵在应用动能定理解题时，如果物体在某个运动过程中包含有几个运动性质不同的分过程（例如加速、减速过程），此时也可分段考虑，也可对全程考虑，如能对整个过程列式，则可以使问题简化，在把各力的功代入公式：时，要把它们的数值连同符号代入，解题要分清各过程中各个力的做功情况。

⑶动能定理问题的特征

①动力学和运动学的综合题：需要应用牛顿运动定律和运动学公式求解的问题，应用动能定理比较简便。

②变力功的求解问题和变力作用的过程问题：变力作用过程是应用牛顿运动定律和运动学公式难以求解的问题，变力的功也是功的计算式难以解决的问题，都可以应用动能定理来解决。

2．应用机械能守恒定律解题的基本步骤

⑴根据题意，选取研究对象。

⑵明确研究对象的运动过程，分析研究对象在过程中的受力情况，弄清各力做功的情况，判断是否符合机械能守恒的条件。

⑶恰当地选取参考平面，确定研究对象在过程中初状态和末状态的机械能(包括动能和势能)。

⑷根据机械能守恒定律列方程，进行求解。

友情提醒：1．重力做功和重力势能：(1)重力势能具有相对性，随着所选参考平面的不同，重力势能的数值也不同。(2)重力势能是标量、是状态量，但也有正负。正值表示物体在参考平面上方，负值表示物体在参考平面下方。(3)重力对物体所做的功只跟始末位置的高度差有关，而跟物体运动路径无关。(4)重力对物体做正功，物体重力势能减小，减少的重力势能等于重力所做的功；重力做负功(物体克服重力做功)，重力势能增加，增加的重力势能等于克服重力所做的功。即WG=-ΔEp

2．机械能守恒定律：单个物体和地球(含弹簧)构成的系统机械能守恒定律：在只有重力（或）（和）弹簧的弹力做功的条件下，物体的能量只在动能和重力势能（弹性势能）间发生相互转化，机械能总量不变，机械能守恒定律的存在条件是：(1) 只有重力（或）（和）弹簧的弹力做功；(2)除重力（或）（和）弹簧的弹力做功外还受其它力的作用，但其它力做功的代数和等于零。

七、家庭作业

一、选择题（共10小题，在每小题给出的四个选项中，有的小题只有一个选项正确，有的小题有多个选项正确。全部选对的得4分，选不全的得2分，有选错的或不答的得0分）

1.一物体在竖直平面内做圆匀速周运动，下列物理量一定不会发生变化的是( )

A．向心力 B．向心加速度 C．动能 D．机械能

2.一个质量为的物体，以的加速度竖直向下运动，则在此物体下降高度过程中，物体的（）

A．重力势能减少了 B．动能增加了

C．机械能保持不变 D．机械能增加了

3．如图1所示，在匀速转动的圆筒内壁上，有一物体随圆筒一起转动而未滑动。当圆筒的角速度增大以后，下列说法正确的是（）

A、物体所受弹力增大，摩擦力也增大了

B、物体所受弹力增大，摩擦力减小了

C、物体所受弹力和摩擦力都减小了

D、物体所受弹力增大，摩擦力不变

4.质量为m的物体静止在粗糙的水平地面上，若物体受水平力F的作用从静止开始通过位移时的动能为E1，当物体受水平力2F作用，从静止开始通过相同位移，它的动能为E2，则( )

A．E2=E1 B. E2=2E1 C. E2＞2E1 D. E1＜E2＜2E1

5．如图2所示，传送带以的初速度匀速运动。将质量为m的物体无初速度放在传送带上的A端，物体将被传送带带到B端，已知物体到达B端之间已和传送带相对静止，则下列说法正确的是（）

A．传送带对物体做功为

B．传送带克服摩擦做功

C．电动机由于传送物体多消耗的能量为

D．在传送物体过程产生的热量为

6．利用传感器和计算机可以测量快速变化的力的瞬时值。如图3中的右图是用这种方法获得的弹性绳中拉力随时间的变化图线。实验时，把小球举高到绳子的悬点O处，然后放手让小球自由下落。由此图线所提供的信息，以下判断正确的是（）

A.t2时刻小球速度最大

B.t1~t2期间小球速度先增大后减小

C.t3时刻小球动能最小

D.t1与t4时刻小球速度一定相同

7．如图4所示，斜面置于光滑水平地面上，其光滑斜面上有一物体由静止沿斜面下滑，在物体下滑过程中，下列说法正确的是 ( )

A. 物体的重力势能减少，动能增加

B. 斜面的机械能不变

C．斜面对物体的作用力垂直于接触面，不对物体做功

D．物体和斜面组成的系统机械能守恒

8．如图6所示,在竖直平面内有一半径为1m的半圆形轨道，质量为2kg的物体自与圆心O等高的A点由静止开始滑下，通过最低点B时的速度为3m/s，物体自A至B的过程中所受的平均摩擦力为( )

A．0N B．7N C．14N D．28N

二、填空题（共2小题，共18分，把答案填在题中的横线上）

11. 某一在离地面10m的高处把一质量为2kg的小球以10m/s的速率抛出，小球着地时的速率为15m/s。g取10m/s2，人抛球时对球做功是 J，球在运动中克服空气阻力做功是 J

12. 质量m=1.5kg的物块在水平恒力F作用下，从水平面上A点由静止开始运动，运动一段距离撤去该力，物块继续滑行t=2.0s停在B点，已知A、B两点间的距离s=5.0m，物块与水平面间的动摩擦因数μ=0.20，恒力F等于 (物块视为质点g取10m/s2).

三、计算题（共6小题，共92分，解答下列各题时，应写出必要的文字说明、表达式和重要步骤。只写最后答案的不得分。有数值计算的题，答案中必须明确写出数值和单位。）

13. (12分)某市规定：卡车在市区内行驶速度不得超过40km/h，一次一辆卡车在市区路面紧急刹车后，量得刹车痕迹s=18m，假设车轮与路面的滑动摩擦系数为0.4。问这辆车是否违章？试通过计算预以证明。

14. (15分)一半径R=1米的1/4圆弧导轨与水平导轨相连，从圆弧导轨顶端A静止释放一个质量m=20克的木块，测得其滑至底端B的速度vB=3米/秒，以后又沿水平导轨滑行BC=3米而停止在C点，如图8所示，试求（1）圆弧导轨摩擦力的功；（2）BC段导轨摩擦力的功以及滑动摩擦系数（取g=10米/秒2）

15 (16分).如图9所示，在水平桌面的边角处有一轻质光滑的定滑轮K，一条不可伸长的轻绳绕过K分别与A、B连，A、B的质量分别为、，开始时系统处于静止状态．现用一水平恒力F拉物体A，使物体B上升．已知当B上升距离时，B的速度为．求此过程中物体A克服摩擦力所做的功．重力加速度为．

18．(19分)质量为的汽车，沿倾角为的斜坡由静止开始运动，汽车在运动过程中所受摩擦阻力大小恒为，汽车发动机的额定输出功率为，开始时以的加速度做匀加速运动（）。求：（1）汽车做匀加速运动的时间；（2）汽车所能达到的最大速率；（3）若斜坡长，且认为汽车达到坡顶之前，已达到最大速率，则汽车从坡底到坡顶需多少时间？