2019-2020学年新教材高中物理 第1章 功和机械能 第4节 势能及其改变课件 鲁科版必修第二册

第4节势能及其改变[课标要求]1．知道重力势能的概念，知道重力势能具有相对性、重力势能的变化具有绝对性；知道重力做功与运动路径无关；知道重力做的功是物体重力势能变化的量度；了解弹性势能。2．能用重力势能的表达式计算重力势能；理解重力做功与重力势能的关系，并能用这一结论解决一些简单的实际问题。3.通过简单实验，探究影响小球势能大小的因素；通过简单实验，认识弹性势能。一、重力势能1．填一填(1)定义物体因为处于一定的而具有的能量。(2)公式Ep＝。(3)单位，符号。(4)标矢性重力势能是量，但有正负之分。高度mgh焦耳标J(5)相对性①零势能参考平面：把高度规定为零的水平面。任何物体在该平面上的重力势能为。零势能参考平面的选取是任意的，通常情况下选取为零势能参考平面。②相对性：物体的重力势能是相对的，它是相对于而言的。物体的重力势能可以取正、零、负值，其正、负不表示方向，只表示物体位于零势能参考平面的或。地面零零势能参考平面上方下方2．判一判(1)物体的质量越大，重力势能一定越大。()(2)物体越高，重力势能一定越大。()(3)处在零势能参考平面上的物体重力势能均为零。()××√3．想一想如图，小球质量为m，重力加速度为g，选择桌面为零势能参考平面，小球重力势能是多少？选择地面为零势能参考平面，小球的重力势能是多少？提示：选择桌面为零势能参考平面，小球的重力势能为mgh，选择地面为零势能参考平面，小球的重力势能为mg(H＋h)。二、重力做功与重力势能改变的关系1．填一填(1)重力做功的特点重力做功与路径无关，只与初、末位置有关。(2)关系式WG＝＝。(3)两者关系重力对物体做了正功，则物体的重力势能；反之，如果重力对物体做了负功，则物体的重力势能一定。高度差Ep1－Ep2－ΔEp减小增加2．判一判(1)从山顶选择不同的路径下山，重力所做的功一定不同。()(2)物体克服重力做功时，物体的重力势能一定增加。()(3)重力做正功，重力势能一定减少。()×√√3．选一选一物体在自由下落过程中，重力做了2J的功，则()A．该物体重力势能减少，减少量等于2JB．该物体重力势能减少，减少量大于2JC．该物体重力势能减少，减少量小于2JD．该物体重力势能增加，增加量等于2J解析：物体下落时重力做正功，重力势能减少，减少量等于重力做的功，故A正确。答案：A三、弹性势能及其改变1．填一填(1)定义物体因为发生而具有的能量。(2)影响弹性势能的因素一个物体的越大，具有的弹性势能也就越大。(3)弹力做功与弹性势能变化的关系如果弹力对外做了多少功，就减少多少；如果克服弹力做了多少功，就会增加多少。(4)势能由物体间的相对位置决定的能量，包括重力势能和。弹性形变弹性形变弹性势能弹性势能弹性势能2．判一判(1)对于弹性势能，一般地，物体的弹性形变量越大，弹性势能越大。()(2)弹力做了多少功就有多少弹性势能发生变化。()(3)弹簧弹力做正功过程，是弹簧恢复原长的过程，弹性势能减少。()√√√3．想一想弹弓是一种兵器，也是一种儿童玩具。它是由两根橡皮筋和一个木叉制成的。如图所示，拉伸橡皮筋，可以把“子弹”射出去。拉伸的橡皮筋为什么可以把“子弹”射出去？提示：拉伸的橡皮筋具有弹性势能。突破点一重力势能的理解与计算[学透用活]重力势能的“四性”系统性重力势能是物体和地球所组成的系统共同具有的能量，不是地球上的物体单独具有的相对性重力势能Ep＝mgh与零势能参考平面的选择有关，式中的h是物体重心到零势能参考平面的高度。重力势能是标量，只有大小而无方向，但有正负之分。当物体在零势能参考平面上方时，Ep为正值；当物体在零势能参考平面下方时，Ep为负值。注意物体重力势能的正负是表示比零势能大，还是比零势能小任意性视处理问题的方便而定，一般选择地面或物体运动时所达到的最低点为零势能参考平面绝对性物体从起点运动到终点的过程中，重力势能的变化量与零势能参考平面的选取无关，是绝对的[典例1]如图所示，桌面高为h，质量为m的小球从离桌面高H处自由落下，不计空气阻力，假设以桌面处为参考平面，则小球落到地面前瞬间的重力势能及整个过程中重力势能的变化量为()A．mgh，mg(H＋h)B．mgH，－mg(H＋h)C．mg(h＋H)，mg(H－h)D．－mgh，－mg(H＋h)[解析]以桌面为零势能参考平面，初始位置在桌面上方H处，落地位置在桌面下方h处，则小球在初始位置的重力势能为Ep1＝mgH，小球落到地面前瞬间的重力势能为Ep2＝－mgh；小球从开始释放到落地过程中重力势能的变化量为ΔEp＝Ep2－Ep1＝－mgh－mgH＝－mg(h＋H)，故选项D正确。[答案]D[规律方法]重力势能的计算方法(1)确定零势能参考平面；(2)明确物体重心的位置，找出重心相对零势能参考平面的高度；(3)利用Ep＝mgh计算重力势能，当物体位于零势能参考平面之下时，h为负值，则重力势能为负值，书写时要带负号。[对点练清]1．下列关于重力势能的说法正确的是()A．重力势能的大小只由物体本身决定B．所处位置高的物体，则重力势能就大C．在地面上的物体，它具有的重力势能一定等于零D．重力势能实际上是物体和地球所共有的解析：重力势能的大小不仅与物体的质量有关，还与零势能参考平面的选取及物体所处的高度有关，选项A、B错误；重力势能具有相对性，零势能参考平面的选取是任意的，地面不一定是零势能参考平面，选项C错误；重力是物体与地球间的作用力，重力势能实际上也是地球与物体共有的，重力势能具有系统性，选项D正确。答案：D2．(2019·济南高一检测)一实心铁球与一实心木球质量相等，将它们放在同一水平地面上，下列说法中正确的是()A．铁球的重力势能大于木球的重力势能B．铁球的重力势能等于木球的重力势能C．铁球的重力势能小于木球的重力势能D．上述三种情况都有可能解析：由于铁球和木球的密度不同，所以质量相等的实心铁球和木球比较，木球的体积较大，放在同一水平地面上时，木球的重心高，因此木球的重力势能大于铁球的重力势能，C正确。答案：C3.[多选]如图所示，一棵树上的每个苹果质量均为0.4kg，熟透的苹果会从树上落到地面C，或者滚入沟底D，已知AC、CD的高度分别为2.2m和3.0m，以地面C为零势能参考平面，A、B、C、D、E平面之间竖直距离如图所示，g＝10m/s2，则下列说法正确的是()A．一个苹果在D处的重力势能是－12JB．两个苹果从A处落下到D处的过程中重力势能的减少量为20.8JC．在C处，人和落在地面C处的苹果的重力势能与零势能参考平面的选取有关D．以任何位置为零势能参考平面，苹果在C处的重力势能都为零解析：以地面C为零势能参考平面，故一个苹果在D处的重力势能是Ep＝－mghCD＝－0.4×10×3J＝－12J，A正确；两个苹果从A处下落到D处重力做的功WG＝2mghAD＝2×0.4×10×5.2J＝41.6J，故重力势能减少41.6J，B错误；人和落在地面C处的苹果的重力势能与零势能参考平面的选取有关，C正确；以不同位置为零势能参考平面，苹果在C处的重力势能不同，D错误。答案：AC突破点二重力做功与重力势能变化的关系[学透用活]1．重力做功与重力势能的比较重力做功重力势能物理意义重力对物体做功由物体与地球的相互作用产生，且由它们之间的相对位置决定的能表达式WG＝mgΔhEp＝mgh影响大小的因素重力mg和初、末位置的高度差Δh重力mg和相对参考面的高度h重力做功重力势能特点只与初、末位置的高度差有关，与路径及参考平面的选择无关与参考平面的选择有关，同一位置的物体，选择不同的参考平面，其重力势能的值不同过程量状态量联系重力做功过程是重力势能改变的过程，重力做正功，重力势能减少，重力做负功，重力势能增加，且重力做了多少功，重力势能就改变多少，即WG＝Ep1－Ep2＝－ΔEp2．重力做功与重力势能变化的关系(1)无论物体是否受其他力的作用，无论物体做何种运动，关系式WG＝－ΔEp总是成立的。(2)利用关系式WG＝－ΔEp可由重力做功的正负及大小判断重力势能的增减及大小，反之也可以由重力势能的增减及大小判断重力做功的正负及大小。[典例2](2019·济宁高一检测)质量为m的木球从离水面高度为h处由静止释放，落入水中后，在水中运动的最大深度是h′，最终木球停止在水面上，若木球在水中运动时，受到因运动而产生的阻力恒为f。求：(1)木球释放后的整个运动过程重力做的功是多少？(2)它的重力势能变化了多少？[解析]因为重力做功与路径无关，只与过程初、末状态的高度有关，所以整个运动过程尽管木球在水下做了往复运动，但所做的功由高度差h的大小决定，即WG＝mgh，木球的重力势能减少了mgh。[答案](1)mgh(2)减少了mgh[规律方法]重力势能变化的分析方法(1)重力做功与路径无关，只与初、末位置的高度有关。(2)重力做功的多少与物体运动过程中受到的其他力也无关。(3)重力势能的变化量决定于重力所做的功，重力做正功，重力势能减少，重力做负功，重力势能增加。[对点练清]1．(广东学业水平测试)如图所示，质量为m的小孩，从长为l倾角为30°的固定斜面顶端下滑至底端，此过程重力对小孩做的功为()A．mglB．mgltan30°C．mglcos30°D．mglsin30°解析：重力做功只跟始、末位置有关，跟路径无关，已知小孩质量为m，下落的高度为lsin30°，则重力对小孩所做的功为mglsin30°，故D正确。答案：D2.如图所示，直杆长为2L，中点有一转轴O，两端分别固定质量为2m、m的小球a和b，当杆从水平位置转到竖直位置时，小球a和b构成的系统重力势能如何变化？变化了多少？解析：b球重力势能增加mgL，a球重力势能减少2mgL，所以系统的重力势能减少了mgL。答案：减少了mgL突破点三弹性势能及其[学透用活]1．弹性势能的产生及影响因素2．弹性势能与弹力做功的关系如图所示，O为弹簧处于原长时的末端。(1)弹力做负功：如物体由O向A运动(压缩)或者由O向A′运动(伸长)时，弹性势能增大，其他形式的能转化为弹性势能。(2)弹力做正功：如物体由A向O运动或者由A′向O运动时，弹性势能减小，弹性势能转化为其他形式的能。(3)弹力做功与弹性势能变化的关系：弹性势能的变化量总等于弹力对外做功的负值，表达式为W弹＝－ΔEp。[典例3](2018·浙江11月学考)奥运会比赛项目撑杆跳高如图所示。下列说法不正确的是()A．加速助跑过程中，运动员的动能增加B．起跳上升过程中，杆的弹性势能一直增加C．起跳上升过程中，运动员的重力势能增加D．越过横杆后下落过程中，运动员的重力势能减少动能增加[解析]加速助跑过程中，运动员的速度增大，动能增加，A正确；起跳上升过程中，杆先被压弯，后又复原，所以杆的弹性势能先增加后减少，运动员的重力势能一直增加，B错误，C正确；越过横杆后运动员加速下落，重力势能减少，动能增加，D正确。[答案]B[规律方法]确定弹性势能变化的技巧(1)弹性势能具有相对性，但其变化量具有绝对性，因此，在判断弹性势能的变化时不必考虑零势能位置。(2)弹性势能的变化只与弹力做功有关，弹力做负功，弹性势能增加，反之则减少，因此弹性势能的变化量总等于弹力做功的负值。[对点练清]1.如图所示，在光滑水平面上有一物体，它的左端连一弹簧，弹簧的另一端固定在墙上，在力F的作用下物体处于静止状态，当撤去F后，物体将向右运动。在物体向右运动的过程中，下列说法正确的是()A．弹簧的弹性势能逐渐减小B．弹簧的弹性势能逐渐增大C．弹簧的弹性势能先增大后减小D．弹簧的弹性势能先减小后增大解析：弹性势能的变化是由弹力做功引起的，弹力做正功，弹性势能减小；弹力做负功，弹性势能增加。在力F作用下物体处于静止状态时，弹簧处于压缩状态，撤去F后，在物体向右运动的过程中，弹簧的弹力对物体先做正功后做负功，故弹簧的弹性势能先减小后增大。答案：D2.(广东学业水平测试)如图所示，跳水运动员向下压跳板，随跳板一起从位置P1运动到位置P2，则此过程中()A．运动员受到的重力对他做负