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高中物理:机械能守恒定律的条件的应用

机械能守恒定律是:“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。”这里的条件只有一个“只有重力做功”,而重力做功的特点是只跟物体的始末位置的高度差有关,与物体所经过的路径无关。所以应用机械能守恒定律解答力学题比用牛顿定律解题简捷。然而对于“只有重力做功”,这一条件却是难以把握的,是不是物体只受重力作用?物体如果还受其它外力作用又如何?下面从几个方面说明这个问题。


1、在运动过程中物体只受重力作用


1、从离地面高度为100m的飞机上以40m/s的速率抛出一个质量为5kg的物体,如果不计空气阻力,求物体落地时的速率?(

解析:题目中只给出了抛出物体的速率,没有速度的方向,显然不能用牛顿定律求解。物体抛出后只受重力作用,且只有重力对物体做功,则机械能守恒。以地面为重力势能的零势面,设物体落地时的速度为

,则有:


2、除重力外物体还受其它力,但其它力不做功


2、一小球的质量为m,沿光滑的弯曲轨道滑下,轨道的形状如图1所示。与弯曲轨道相接的圆轨道的半径为R,要使小球沿光滑圆轨道通过圆的顶点,小球应从离轨道最低处多高的地方由静止开始滑下?

1

解析:小球在轨道上滑行的过程中受重力和轨道的支持力作用,但支持力始终跟小球的运动方向垂直,对小球不做功,即在整个运动过程中只有重力做功,则机械能守恒。设轨道的最低点的水平面为零势能面,小球从最低点高为h的地方开始滑下,小球运动到圆轨道最高点时的速度为

由机械能守恒定律有:

     

要小球刚好沿圆轨道通过最高点应有:

    

由①②式解得

3、物体在运动过程中所受重力是变化的,但只有重力做功


3、一根链条的总长度为l,放在光滑的水平桌面上,其中一端悬垂到桌边外面,悬垂的长度为d,开始用手拉着链条,如图2所示。不计空气阻力,求放手后链条的末端离开桌边时的速度为多少?

2

解析:链条在放手后向下落,受重力的作用做加速运动,随着悬垂部分的增加,产生加速度的重力也增大,链条做变加速运动。但在整个过程中桌面对链条的支持力不做功,只有重力做功,机械能守恒。

设链条单位长度的质量为

,其末端离开桌面的速度为v,以桌面为重力势能的零势能面,则根据机械能守恒定律有:

所以:


4、物体系统有其它力做功,但所做功的代数和为零


4、如图3所示,质量分别为2mm的可以看作质点的小球AB,用不能伸长的细线相连,跨在固定的半径为R的光滑圆柱体的两侧。开始时A球和B球与圆柱体轴心在同一直线上,用手托住A球。在释放A球后,AB球开始滑动,求当B球滑到圆柱体的最高点时对圆柱体的压力?

3

解析:本题的关键是求B球到达圆柱体的最高点时的速度。AB两个小球是细线相连的,在A球下落,B球上升的过程中细线的拉力虽然对它们做功,但拉力对A球做负功,对B球做正功,对于AB球组成的系统来说,拉力做功的代数和为零,故机械能是守恒的,则可以用机械能守恒定律来求B的速度。

由机械能守恒定律得:

解得:

小球B在圆柱体最高点时:

,解得:

得到N小于零,这说明B球到达圆柱体的最高点时已经脱离了圆柱体,即对圆柱体的压力为零。


在应用机械能守恒定律解题时,先要对物体进行受力分析,明确这些力在物体运动过程中的做功情况,如果只有重力做功,可用机械能守恒定律求解。

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