把质量是0.2kg的小球放在竖立的弹簧上,并把小球往下按至A位置,如图甲所示;迅速松手后,弹簧把小球弹起,升至最高位置C,如图丙所示;途中经过位置B时弹簧正好处于自由状态,如图乙所示;已知B、A的高度差为0.1m,C、B的高度差为0.2m,弹簧的质量和空气阻力均忽略不计,取。
⑴求图甲状态时弹簧的弹性势能;
⑵求小球经过B点时的速度;
【知识点】功能关系;弹性势能.E6
【答案解析】(1)0.6J(2)2m/s 解析: :(1)对于弹簧和小球组成的系统,小球从A→C过程,根据系统的机械能守恒得:EP=mg(hAB+hBC)=0.2×10×(0.1+0.2)J=0.6J
(2)设小球经过B点时的速度为v.小球从B→C过程,根据系统的机械能守恒得:mv2=mghBC,得:v= =2m/s
【思路点拨】(1)小球从A运动到C位置的过程中,对于弹簧和小球组成的系统,只有重力和弹簧的弹力做功,系统的机械能守恒,根据机械能守恒定律求解.(2)小球从B运动到C位置的过程中,只有重力做功,其机械能守恒,即可根据机械能守恒定律求解.解决本题的关键掌握机械能守恒的条件,在只有重力或弹簧弹力做功的情形下,系统机械能守恒.并能通过分析受力情况,判断小球的运动情况.
判定机械能守恒的方法:
(1)条件分析法:应用系统机械能守恒的条件进行分析。分析物体或系统的受力情况(包括内力和外力),明确各力做功的情况,若对物体或系统只有重力 (或弹力)做功,没有其他力做功或其他力做功的代数和为零,则系统的机械能守恒。
(2)能量转化分析法:从能量转化的角度进行分析:若只有系统内物体间动能和重力势能及弹性势能的相互转化,系统跟外界没有发生机械能的传递,机械能也没有转化成其他形式的能(如内能),则系统的机械能守恒。
(3)增减情况分析法:直接从机械能的各种形式的能量的增减情况进行分析。若系统的动能与势能均增加或均减少,则系统的机械能不守恒;若系统的动能不变,而势能发生了变化,或系统的势能不变,而动能发生了变化,则系统的机械能不守恒;若系统内各个物体的机械能均增加或均减少,则系统的机械能不守恒。
(4)对一些绳子突然绷紧、物体间非弹性碰撞等,除非题目特别说明,否则机械能必定不守恒。
竖直平面内圆周运动与机械能守恒问题的解法:
在自然界中,违背能量守恒的过程肯定是不能够发生的,而不违背能量守恒的过程也不一定能够发生,因为一个过程的进行要受到多种因素的制约,能量守恒只是这个过程发生的一个必要条件。如在竖直平面内的变速圆周运动模型中,无支撑物的情况下,物体要到达圆周的最高点,从能量角度来看,要求物体在最低点动能不小于最高点与最低点的重力势能差值。但只满足此条件物体并不一定能沿圆弧轨道运动到圆弧最高点。因为在沿圆弧轨道运动时还需满足动力学条件:所需向心力不小于重力,由此可以推知,在物体从圆弧轨道最低点开始运动时,若在动能全部转化为重力势能时所能上升的高度满足时,物体可在轨道上速度减小到零,即动能可全部转化为重力势能;在,物体上升到圆周最高点时的速度)时,物体可做完整的圆周运动;若在时,物体将在与圆心等高的位置与圆周最高点之间某处脱离轨道,之后物体做斜上抛运动,到达最高点时速度不为零,动能不能全部转化为重力势能,物体实际上升的高度满足。故在解决这类问题时不能单从能量守恒的角度来考虑。
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