1、第七章 第三节 重力势能4重力势能学习目标1.认识重力做功与物体运动的路径无关的特点2理解重力势能的概念，理解重力做功与重力势能变化的关系3知道重力势能具有相对性，知道重力势能是物体和地球所组成的系统所共有的.考试要求学考选考cc一、重力做的功1重力做功的表达式：WGmgh，h指初位置与末位置的高度差2重力做功的特点：物体运动时，重力对它做的功只跟它的起点和终点的位置有关，而跟物体运动的路径无关二、重力势能1重力势能(1)定义：物体由于被举高而具有的能(2)公式：Epmgh，式中h是物体重心到参考平面的高度(3)单位：焦耳；符号：J.2重力做功与重力势能之间的关系：WGEp1Ep2.三、重力势
2、能的相对性和系统性1相对性：Epmgh中的h是物体重心相对参考平面的高度参考平面选择不同，则物体的高度h不同，重力势能的大小也就不同2系统性：重力是地球与物体相互吸引产生的，所以重力势能是地球与物体所组成的“系统”所共有的，平时所说的“物体”的重力势能只是一种简化说法1判断下列说法的正误(1)重力做功多少取决于物体的重力和它通过的路程()(2)重力势能Ep12 J，Ep23 J，则Ep1与Ep2方向相反()(3)同一物体在不同位置的重力势能分别为Ep13 J，Ep210 J，则Ep1Ep2.()(4)重力做功WG20 J时，物体的重力势能减小20 J()(5)物体由高处运动到低处，重力一定做正
3、功，重力势能一定减小()(6)重力做功一定与路径无关，只与初、末位置的高度差有关()2.质量为m的物体(可视为质点)从地面上方H高处由静止释放，落在地面后出现一个深度为h的坑，如图1所示，重力加速度为g，在此过程中，重力对物体做功为_，重力势能_(填“减少”或“增加”)了_图1答案mg(Hh)减少mg(Hh)一、重力做功如图所示，一个质量为m的物体，从高度为h1的位置A分别按下列三种方式运动到高度为h2的位置B，在这个过程中思考并讨论以下问题：(1)根据功的公式求出甲、乙两种情况下重力做的功；(2)求出丙中重力做的功；(3)重力做功有什么特点？答案(1)甲中WGmghmgh1mgh2乙中WGm
4、glcos mghmgh1mgh2(2)把整个路径AB分成许多很短的间隔AA1、A1A2，由于每一段都很小，每一小段都可以近似地看成一段倾斜的直线，设每段小斜线的高度差分别为h1、h2，则物体通过每段小斜线时重力做的功分别为mgh1、mgh2.物体通过整个路径时重力做的功WGmgh1mgh2mg(h1h2)mghmgh1mgh2(3)物体运动时，重力对它做的功只跟它的起点和终点的位置有关，而跟物体运动的路径无关1重力做功大小只与重力和物体高度变化有关，与受到的其他力及运动状态均无关2物体下降时重力做正功，物体上升时重力做负功3重力做功的特点可推广到任一恒力的功，即恒力做功的特点是：与具体路径无
5、关，而跟初、末位置有关例1如图2所示，质量为m的小球从高为h处的斜面上的A点滚下经过水平面BC后，再滚上另一斜面，当它到达的D点时，速度为零，在这个过程中，重力做功为()图2A. B. Cmgh D0答案B解析解法一分段法小球由AB，重力做正功W1mgh小球由BC，重力做功为0，小球由CD，重力做负功W2mg故小球由AD全过程中重力做功WGW1W2mgmgh，B正确解法二整过程法全过程，小球的高度差为h1h2h，故WGmgh，故选B.【考点】重力做功的特点【题点】重力做功的计算计算重力做功时，找出初、末位置的高度差h，直接利用公式WGmgh即可，无需考虑中间的复杂运动过程二、重力势能如图所示，
6、质量为m的物体自高度为h2的A处下落至高度为h1的B处求下列两种情况下，重力做的功和重力势能的变化量，并分析它们之间的关系(1)以地面为零势能参考面；(2)以B处所在的高度为零势能参考面答案(1)重力做的功WGmghmg(h2h1)，选地面为零势能参考面，EpAmgh2，EpBmgh1，重力势能的变化量Epmgh1mgh2mgh.(2)选B处所在的高度为零势能参考面，重力做功WGmghmg(h2h1)物体的重力势能EpAmg(h2h1)mgh，EpB0，重力势能的变化量Ep0mghmgh.综上两次分析可见WGEp，即重力做的功等于重力势能的变化量的负值，而且重力势能的变化与零势能参考面的选取无
7、关1重力做功与重力势能变化的关系WGEp1Ep2Ep2重力势能的相对性(1)物体的重力势能总是相对于某一水平参考面，选不同的参考面，物体重力势能的数值是不同的故在计算重力势能时，必须首先选取参考平面(2)重力势能是标量，但有正负之分，物体在零势能面上方，物体的重力势能是正值，表示物体的重力势能比在参考平面上时要大，物体在零势能面下方，物体的重力势能是负值，表示物体的重力势能比在参考平面上时要小3重力势能变化量的绝对性：物体在两个高度不同的位置时，由于高度差一定，重力势能之差也是一定的，即物体的重力势能的变化量与参考平面的选取无关例2下列关于重力势能的说法正确的是()A物体的位置一旦确定，它的重
8、力势能的大小也随之确定B物体与零势能面的距离越大，它的重力势能也越大C一个物体的重力势能从5 J变化到3 J，重力势能增加了D在地面上的物体具有的重力势能一定等于零答案C解析物体的重力势能与参考平面的选取有关，同一物体在同一位置相对不同的参考平面的重力势能不同，A选项错；物体在零势能面以上，距零势能面的距离越大，重力势能越大，物体在零势能面以下，距零势能面的距离越大，重力势能越小，B选项错；重力势能中的正、负号表示大小，5 J的重力势能小于3 J的重力势能，C选项对；只有选地面为零势能面时，地面上的物体的重力势能才为零，否则不为零，D选项错【考点】对重力势能的理解【题点】重力势能的性质例3如图
9、3所示，桌面距地面的高度为0.8 m，一物体质量为2 kg，放在桌面上方0.4 m的支架上，则：(g取9.8 m/s2)图3(1)以桌面为参考平面，计算物体具有的势能，并计算物体由支架下落到地面过程中重力势能减少多少？(2)以地面为参考平面，计算物体具有的势能，并计算物体由支架下落到地面过程中重力势能减少多少？(3)比较以上计算结果，说明什么问题？答案(1)7.84 J23.52 J(2)23.52 J23.52 J(3)见解析解析(1)以桌面为参考平面，物体距参考平面的高度为h10.4 m，因而物体具有的重力势能Ep1mgh129.80.4 J7.84 J.物体落至地面时，物体的重力势能为E
10、p2mgh229.8(0.8) J15.68 J，因此物体在此过程中的重力势能减少量EpEp1Ep27.84 J(15.68) J23.52 J.(2)以地面为参考平面，物体距参考平面的高度为h1(0.40.8) m1.2 m，因而物体具有的重力势能Ep1mgh129.81.2 J23.52 J.物体落至地面时，物体的重力势能为Ep20.在些过程中，物体的重力势能减少量为EpEp1Ep223.52 J023.52 J.(3)通过上面的计算，说明重力势能是相对的，它的大小与参考平面的选择有关，而重力势能的变化是绝对的，它与参考平面的选择无关【考点】重力势能的变化【题点】重力势能变化量的计算三、重
11、力做功与重力势能变化的关系重力做多少功，物体的重力势能就减少多少关系式为：WGmgh1mgh2Ep1Ep2Ep.其中，Ep1mgh1表示物体在初位置的重力势能，Ep2mgh2表示物体在末位置的重力势能，Ep表示此过程中重力势能的变化量(1)当物体由高处运动到低处时，重力做正功，重力势能减少，也就是WG0，Ep1Ep2.这里物体重力势能的减少量等于重力所做的功(2)当物体由低处运动到高处时，重力做负功(物体克服重力做功)，重力势能增加，即WG0，Ep1Ep2.这时重力势能的增加量等于物体克服重力所做的功例4如图4所示，质量为m的小球，用一长为l的细线悬于O点，将悬线拉直成水平状态，并给小球一个竖
12、直向下的速度让小球向下运动，O点正下方D处有一钉子，小球运动到B处时会以D为圆心做圆周运动，并经过C点，若已知ODl，则小球由A点运动到C点的过程中，重力做功为多少？重力势能减少了多少？图4答案mglmgl解析从A点运动到C点，小球下落的高度为hl，故重力做功WGmghmgl，重力势能的变化量EpWGmgl负号表示小球的重力势能减少了【考点】重力做功与重力势能变化的关系【题点】定量计算重力做功与重力势能变化的关系重力做功与重力势能变化的关系：WGEp1Ep2Ep，即重力势能变化多少是由重力做功的多少来量度的，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针对训练
13、在水平地面上平铺n块砖，每块砖的质量均为m，厚度均为h，如图5所示，如将砖一块一块地竖直叠放起来，在此过程中，重力做多少功？图5答案mgh解析砖由平放在地面上到把它们一块块地叠放起来，克服重力所做的功等于砖增加的重力势能取n块砖整体为研究对象，原来整体重心距地面高度为，叠放起来后整体重心距地面高度为nh，WGnmghnmgmgh.【考点】重力做功与重力势能变化的关系【题点】定量计算重力做功与重力势能变化的关系1.(重力做功的特点、重力势能的变化)(2017余姚中学高一第二学期期中考试)如图6所示，静止的小球沿不同的轨道由同一位置滑到水平桌面上，轨道高度为h，桌面距地面高为H，物体质量为m，则以
14、下说法正确的是()图6A小球沿竖直轨道下滑到桌面上的过程，重力做功最少B小球沿曲线轨道下滑到桌面上的过程，重力做功最多C以桌面为参考面，小球的重力势能的减少量为mghD以地面为参考面，小球的重力势能的减少量为mg(Hh)答案C解析重力做功与路径无关，所以无论沿哪条轨道下滑，重力做功相同，A、B选项错误；小球重力势能减少量与参考平面的选取无关，重力做功Wmgh，所以重力势能减少了mgh，选项C正确，D错误2(对重力势能的理解)关于重力势能，下列说法正确的是()A重力势能是地球和物体共同具有的，而不是物体单独具有的B处在同一高度的物体，具有的重力势能相同C重力势能是标量，不可能有正、负值D浮在海面
15、上的小船的重力势能一定为零答案A解析重力势能具有系统性，重力势能是物体与地球共有的，故A正确；重力势能等于mgh，其中h是相对于参考平面的高度，参考平面不同，h不同，另外质量也不一定相同，故处在同一高度的物体，其重力势能不一定相同，选项B错误；重力势能是标量，但有正负，负号表示物体在参考平面的下方，故C错误；零势能面的选取是任意的，并不一定选择海平面为零势能面，故浮在海面上的小船的重力势能不一定为零，选项D错误【考点】对重力势能的理解【题点】重力势能的性质3(重力势能及重力势能的变化)一棵树上有一个质量为0.3 kg的熟透了的苹果P，该苹果从树上A先落到地面C最后滚入沟底D.A、B、C、D、E
16、面之间竖直距离如图7所示以地面C为零势能面，g取10 m/s2，则该苹果从A落下到D的过程中重力势能的减少量和在D处的重力势能分别是()图7A15.6 J和9 J B9 J和9 JC15.6 J和9 J D15.6 J和15.6 J答案C解析以地面C为零势能面，根据重力势能的计算公式得D处的重力势能Epmgh0.310(3.0) J9 J从A落下到D的过程中重力势能的减少量Epmgh0.310(0.71.53.0) J15.6 J，故选C.【考点】重力势能的变化【题点】重力势能变化量的计算4(重力做功及其功率)(2017浙江11月选考科目考试)如图8所示，质量为60 kg的某运动员在做俯卧撑运
17、动，运动过程中可将她的身体视为一根直棒已知重心在c点，其垂线与脚、两手连线中点间的距离Oa、Ob分别为0.9 m和0.6 m若她在1 min内做了30个俯卧撑，每次肩部上升的距离均为0.4 m，则克服重力做的功和相应的功率约为()图8A430 J,7 W B4 300 J,70 WC720 J,12 W D7 200 J,120 W答案B解析设每次俯卧撑中，运动员重心变化的高度为h，由几何关系可得，即h0.24 m一次俯卧撑中，克服重力做功Wmgh609.80.24 J141.12 J，所以1 min内克服重力做的总功为W总NW4 233.6 J，功率P70.56 W，故选B.一、选择题考点一
18、重力做功的特点1.如图1所示，甲、乙两名学生的质量都是m，且身高相同，当他们从地面分别以图示的路径登上高h的阶梯顶端A时，他们的重力做功情况是()图1A甲的重力做的功多B乙的重力做的功多C甲、乙的重力做的功一样多D无法判断答案C解析重力做功只与物体的初、末位置有关，与运动路径无关，所以甲、乙重力做功一样多，C正确【考点】重力做功的特点【题点】不同物体重力做功的比较2某游客领着孩子游泰山时，不小心将手中的皮球滑落，球从山上的位置A滚到了山脚下的位置B，高度标记如图2所示，则下列说法正确的是()图2A从A到B的曲线长度不知道，无法求出此过程重力做的功B从A到B过程中阻力大小不知道，无法求出此过程重
19、力做的功C从A到B重力做功mg(Hh)D从A到B重力做功mgH答案D解析重力做功与路径无关，根据两点间的高度差即可求得重力做的功因A、B两点间的高度差为H，则重力做功WmgH，D正确【考点】重力做功的特点【题点】同一物体重力做功的比较3(多选)在高处的某一点将两个质量相等的小球以相同速率v0分别竖直上抛和竖直下抛，下列结论正确的是(不计空气阻力)()A从抛出到刚着地，重力对两球所做的功相等B从抛出到刚着地，重力对两球做的功都是正功C从抛出到刚着地，重力对两球做功的平均功率相等D两球刚着地时，重力的瞬时功率相等答案ABD解析重力做功只取决于初、末位置的高度差，与路径和运动状态无关由Wmgh得出重
20、力做功的大小只由重力和高度的变化决定，故A、B项正确；由于竖直上抛比竖直下抛的运动时间长，由P，知P上P下，故C项错误；由运动学公式得出着地时速度相同，重力的瞬时功率Pmgv相同，故D项正确【考点】重力做功的特点【题点】不同物体重力做功的比较考点二对重力势能的理解4下列关于重力势能的几种理解，正确的是()A重力势能等于零的物体，一定不能对别的物体做功B放在地面上的物体，它的重力势能一定等于零C选取地面为参考平面，从不同高度将某一物体抛出，落地时物体的重力势能不相等D选取不同的参考平面，物体具有不同数值的重力势能，但并不影响有关重力势能问题的研究答案D【考点】对重力势能的理解【题点】重力势能的性
21、质5.如图3所示，一小球贴着光滑曲面自由滑下，依次经过A、B、C三点以下表述正确的是()图3A若以B点所在水平面为参考平面，小球在B点的重力势能比C点小B若以A点所在的水平面为参考平面，小球在B点的重力势能比C点小C若以B点所在的水平面为参考平面，小球在C点的重力势能大于零D无论以何处水平面为参考平面，小球在B点的重力势能均比C点大答案D【考点】重力势能的变化【题点】定性判断重力势能的变化6.篮球场上，运动员练习投篮，篮球划过一条漂亮的弧线落入篮筐，球的轨迹如图4中虚线所示从篮球出手到落入篮筐的过程中，篮球的重力势能()图4A一直增大B一直减小C先减小后增大D先增大后减小答案D解析篮球出手后先
22、上升后下降，故重力势能先增大后减小，D正确7物体从某高处做自由落体运动，以地面为重力势能零势能面，下列所示图象中，能正确描述物体的重力势能与下落高度的关系的是()答案B解析设物体开始下落时的重力势能为Ep0，物体下落高度h过程中重力势能减少量Epmgh，故物体下落高度h时的重力势能EpEp0EpEp0mgh，即Eph图象为倾斜直线，B正确考点三重力做功与重力势能的变化8(多选)物体在运动过程中，克服重力做功100 J，则以下说法正确的是()A物体的高度一定降低了B物体的高度一定升高了C物体的重力势能一定是100 JD物体的重力势能一定增加100 J答案BD解析克服重力做功，即重力做负功，重力势
23、能增加，高度升高，克服重力做多少功，重力势能就增加多少，但重力势能是相对的，增加100 J的重力势能，并不代表现在的重力势能就是100 J，故B、D正确，A、C错误【考点】重力做功与重力势能变化的关系【题点】定量计算重力做功与重力势能变化的关系9一根长为2 m、重为200 N的均匀木杆放在水平地面上，现将它的一端缓慢地从地面抬高0.5 m，另一端仍放在地面上，则所需做的功为()A50 J B100 J C200 J D400 J答案A解析由几何关系可知，杆的重心向上运动了hm0.25 m，故克服重力做功WGh2000.25 J50 J，外力做的功等于克服重力做的功，即外力做功50 J，选项A正
24、确【考点】重力做功与重力势能变化的关系【题点】定量计算重力做功与重力势能变化的关系10.如图5所示，物体A的质量为m，A的上端连接一个轻弹簧，弹簧原长为L0，劲度系数为k，整个系统置于水平地面上，现将弹簧上端B缓慢地竖直向上提起，B点上移距离为L，此时物体A也已经离开地面，则下列说法中正确的是()图5A提弹簧的力对系统做功为mgLB物体A的重力势能增加mgLC物体A的重力势能增加mg(LL0)D物体A的重力势能增加mg答案D解析将弹簧上端B缓慢地竖直向上提起，由于开始时有支持力，故拉力先小于mg，物体离地后等于mg，拉力的位移为L，故提弹簧的力对系统做功小于mgL，故A错误；B点上移距离为L，
25、弹簧伸长量为L，故A上升的高度为LL，所以物体A的重力势能增加mg，故B、C错误，D正确【考点】重力势能的变化【题点】弹簧连接物体重力势能变化的计算二、非选择题11(重力做功及其功率)质量为m2 kg的物体从距地面45 m高处自由下落，物体落地后不反弹，在t2 s的时间内重力的功率为多少？在2 s末重力做功的功率等于多少？在4 s末重力做功的功率又为多少？(g取10 m/s2)答案200 W400 W0解析在t2 s的时间内物体下落的距离为hgt21022 m20 m.重力做的功为Wmgh21020 J400 J，重力做功的平均功率为W200 W；在2 s末重力做功的瞬时功率为Pmgvmggt
26、mg2t21022 W400 W；物体落地的时间tms3 s4 s，说明4 s末物体已落地静止，重力的功率为零12.(重力做功与重力势能变化的关系)如图6所示，一条铁链长为2 m，质量为10 kg，放在水平地面上，拿住一端提起铁链直到铁链全部离开地面的瞬间，铁链克服重力做功为多少？铁链的重力势能变化了多少？(g取9.8 m/s2)图6答案98 J增加了98 J解析铁链从初状态到末状态，它的重心位置提高了h，因而铁链克服重力所做的功为W109.82 J98 J，铁链的重力势能增加了98 J.【考点】重力做功与重力势能变化的关系【题点】定量计算重力做功与重力势能变化的关系13(重力做功与重力势能的变化)起重机以的加速度将质量为m的物体匀减速地沿竖直方向提升高度h，则起重机钢索的拉力对物体做功为多少？物体克服重力做功为多少？物体重力势能变化为多少？(空气阻力不计)答案mgh增加了mgh解析由题意可知，起重机向下的加速度a，物体上升高度为h，根据牛顿第二定律得mgFma，所以Fmgmamg，方向竖直向上所以拉力做功WFFhmgh.重力做功WGmgh，即物体克服重力做功mgh.又因WGEp，故重力势能变化EpWGmgh，即重力势能增加了mgh.【考点】重力做功与重力势能变化的关系【题点】重力做功与重力势能变化关系的计算
