2019-2020学年高中物理 第四章 机械能和能源 第3节 势能课件 教科版必修2

第四章机械能和能源第3节势能第四章机械能和能源1．理解重力势能的概念，会用重力势能的定义式进行计算．(重点)2．理解重力势能的变化和重力做功的关系，知道重力做功与路径无关．(重点＋难点)3．明确弹性势能的含义，知道弹性势能与哪些量有关．一、重力势能1．定义：物体由于__________而具有的能量．2．重力的功(1)特点：跟物体运动的路径______，仅由物体的______和______两个位置的高度决定．(2)表达式：WG＝____________________，其中h1、h2分别表示物体的始、末位置的高度．位于高处无关质量始末mgh1－mgh23．大小：等于物体受到的______和它的______的乘积．4．表达式：Ep＝________．5．单位：______，与功的单位相同．6．具有相对性：它总是相对于选定的__________而言的(该平面称为零势能面)，但物体在两个不同位置之间势能的差值是确定的，与参考平面无关．重力高度mgh焦耳参考平面二、弹性势能1．定义：物体由于发生__________而具有的能量．2．大小：物体的形变越大，弹性势能越___．三、势能是系统所共有的1．重力势能是______与受重力作用的物体组成的系统所共有的．2．弹性势能是__________与受弹力作用的物体组成的系统所共有的．弹性形变大地球弹力装置将同一物体从同一高度以平抛、上抛、下抛三种不同的方式抛出，落到同一地面上，则三种情况相比较，其重力做功、重力势能变化量是否相同？提示：重力做功与经过的路径无关，同一物体下落高度相同，三种方式重力做功相同，由于重力做的功等于重力势能的变化量，所以三种方式下重力势能的变化量也相同．对重力势能的理解1．重力势能的几个特点(1)相对性：因为Ep＝mgh，高度h的相对性决定了重力势能具有相对性．如图所示，若选择桌面为参考平面，物体的重力势能为0，选择地面为参考平面，物体的重力势能为正值，选择桌面上方的某一高度处为参考面，物体的重力势能为负值．(2)系统性：重力是地球与物体相互吸引引起的，如果没有地球对物体的吸引，就不会有重力，也不存在重力势能，所以重力势能是这个系统共同具有的，平时所说的“物体”的重力势能只是一种简化的说法．(3)标量：物体的重力势能为负值表示物体的重力势能比在参考面上时具有的重力势能要少，这跟用正负表示温度高低是相似的．2．重力做功与重力势能的区别与联系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力和它们之间的相对位置决定的能表达式WG＝G·Δh＝mgΔhEp＝mgh重力做功重力势能影响大小的因素重力mg和初末位置的高度差Δh重力mg和某一位置的高度h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会有不同值过程量状态量重力做功重力势能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＝－ΔEp(1)Ep＝mgh，h表示物体重心相对参考平面的高度，物体在参考平面上方，h0，在参考平面下方，h0．(2)重力势能的变化只取决于物体的重力所做功的情况，与物体除重力外是否还受其他力作用以及除重力做功外是否还有其他力做功等因素均无关．如图所示，桌面距地面0．8m，一物体质量为2kg，放在距桌面0．4m的支架上，取g＝10m/s2．(1)以地面为参考平面，计算物体具有的重力势能，并计算物体由支架下落到桌面的过程中，重力势能减少了多少？(2)以桌面为参考平面，计算物体具有的重力势能，并计算物体由支架下落到桌面的过程中，重力势能减少了多少？[解析](1)以地面为参考平面，物体的高度h1＝1．2m，因此物体的重力势能为Ep1＝mgh1＝2×10×1．2J＝24J物体落至桌面时的重力势能为Ep2＝mgh2＝2×10×0．8J＝16J物体重力势能的减少量ΔEp＝Ep1－Ep2＝(24－16)J＝8J．(2)同理以桌面为参考平面时：Ep1′＝8J，Ep2′＝0，则物体落至桌面时重力势能的减少量ΔEp′＝8J．[答案](1)24J8J(2)8J8J求重力势能及重力势能变化的思路首先要选择某一高度为参考平面，确定出物体相对参考平面的高度值，物体在参考平面上方，高度为正，在下方，高度为负．其次根据重力势能的表达式Ep＝mgh求出物体的重力势能，最后代入ΔEp＝Ep2－Ep1求重力势能的变化量，ΔEp0，表示重力势能增加，ΔEp0，表示重力势能减少．【通关练习】1．(多选)有关重力势能的变化，下列说法中正确的是()A．物体受拉力和重力作用向上运动，拉力做功是1J，但物体重力势能的增加量有可能不是1JB．从同一高度将某一物体以相同的速率平抛或斜抛，落到地面上时，物体重力势能的变化是相同的C．从同一高度落下的物体到达地面，考虑空气阻力和不考虑空气阻力的情况下重力势能的减少量是相同的D．物体运动中重力做功是－1J，但物体重力势能的增加量不是1J解析：选ABC．对于A选项，当物体加速运动时克服重力做功少于1J，重力势能增加量少于1J，物体减速运动时，克服重力做功即重力势能增加量大于1J，只有物体匀速向上运动时，克服重力做功即重力势能增加量才是1J，A对．据重力做功的特点：与经过路径无关，与是否受其他力无关，只取决于始、末位置的高度差，再根据重力做功等于重力势能的减少量可知B、C对，D错．2．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为()A．mghB．mgHC．mg(h＋H)D．－mgh解析：选D．重力势能的大小是相对参考平面而言的，参考平面的选择不同，物体的相对高度就不同，重力势能的大小也不同．本题中已选定桌面为参考平面，则小球在最高点时的高度为H，小球在与桌面相平时的高度为零，小球在地面时的高度为－h，所以小球落到地面前的瞬间，它的重力势能为Ep＝－mgh．对弹性势能的理解1．弹性势能的产生原因（1）物体发生了弹性形变（2）各部分间的弹力作用2．弹性势能的影响因素（1）弹簧的形变量x（2）弹簧的劲度系数k3．弹性势能与弹力做功的关系如图所示，O为弹簧的原长处(1)弹力做负功时：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，其他形式能转化为弹性势能．(2)弹力做正功时：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为W弹＝－ΔEp．(1)对于同一个弹簧，伸长和压缩相同的长度时弹性势能是一样的．(2)形变量x＝0时，弹簧为原长，弹性势能为零，此时弹性势能最小．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．弹簧对物体做正功，弹簧的弹性势能逐渐减少B．弹簧对物体做负功，弹簧的弹性势能逐渐增加C．弹簧先对物体做正功，后对物体做负功，弹簧的弹性势能先减少再增加D．弹簧先对物体做负功，后对物体做正功，弹簧的弹性势能先增加再减少[解析]弹簧由压缩到原长再到伸长，刚开始时弹力方向与运动方向同向做正功，弹性势能应减小．越过原长位置后弹力方向与运动反向，弹力做负功，故弹性势能增加，所以只有C正确，A、B、D错误．[答案]C判断弹簧的弹性势能是否发生变化的标志是弹簧的长度是否发生变化，该题向右运动过程中弹簧由压缩到原长再到伸长，弹簧的弹性势能先减小再增加．【通关练习】1．关于弹簧的弹性势能，下列说法中正确的是()A．当弹簧变长时，它的弹性势能一定增大B．当弹簧变短时，它的弹性势能一定变小C．在拉伸长度相同时，k越大的弹簧，它的弹性势能越大D．弹簧在拉伸时的弹性势能一定大于压缩时的弹性势能解析：选C．弹簧弹性势能的大小除了跟劲度系数k有关外，还跟它的形变量(拉伸或压缩的长度)有关，如果弹簧原来处在压缩状态，当它变长时，它的弹性势能应该减小，当它变短时，它的弹性势能应该增大，在原长处它的弹性势能最小，A、B错误；形变量相同时，k越大的弹簧，它的弹性势能越大，C正确；弹簧无论拉伸还是压缩，其弹性势能决定于其形变量的大小，与是拉伸还是压缩无关，D错误．2．如图所示，在光滑水平面上有A、B两物体，中间连一弹簧，已知mA＝2mB，今用水平恒力F向右拉B，当A、B一起向右加速运动时，弹簧的弹性势能为Ep1，如果水平恒力F向左拉A，当A、B一起向左加速运动时，弹簧的弹性势能为Ep2，则Ep1∶Ep2是多大？(Ep∝x2)解析：A、B一起加速时的加速度a＝FmA＋mB＝F3mB向右加速时，设弹簧的伸长量为x右由牛顿第二定律得kx右＝mA·a＝2mB·F3mB＝2F3向左加速时，设弹簧伸长量为x左由牛顿第二定律得kx左＝mB·a＝mB·F3mB＝F3得x右∶x左＝2∶1又Ep∝x2所以Ep1∶Ep2＝4∶1．答案：4∶1