11.4 机械能及其转化（知识解读）（解析版）

114 机械能及其转化（知识解读）（解析版） •知识点1 机械能的概念 •知识点2 动能和势能的转化与机械能守恒 •知识点3 机械能和其他形式能的转化 •作业 巩固训练 1、动能和势能之和称为机械能。 动能和势能都属于机械能，动能是物体运动时具有的能量，势能是存储着的能量，动能和 势能是机械能的两种表现形式。 2、机械能大小：动能和势能的总和。 【典例1-1】（2023 秋•玉门市期末）2023 年12 月9 号，世界首枚液体甲烷火箭“朱雀2 号遥三”运载火箭将“天仪33”和“鸿鹄”两卫星成功送入预定轨道，下面说法正确的 是（ ） ．运载火箭加速升空过程中，卫星动能减小 B．运载火箭加速升空过程中，卫星重力势能减小 ．运载火箭加速升空过程中，卫星机械能不变 D．运载火箭加速升空过程中，卫星机械能变大 【答】D 【解答】解：、运载火箭加速升空过程中，卫星动能增加，故错误。 B、运载火箭加速升空过程中，卫星重力势能增加，故B 错误。 机械能的概念 知识点1 、运载火箭加速升空过程中，卫星机械能增加，故错误。 D、运载火箭加速升空过程中，卫星机械能变大，故D 正确。 故选：D。 【典例1-2】（2024•安徽开学）如图所示，这是我国某科技公司生产的一款新型智能航拍 无人机，具有超高清摄像、长续航、超远距离控制等特点。无人机在空中匀速上升过程 中，其机械能 变大 。（选填“变大”、“变小”或“不变”） 【答】变大。 【解答】解：无人机在空中匀速上升过程中，因为质量不变，速度不变，故动能不变； 因高度变大，故重力势能变大；机械能等于动能加势能，故机械能变大。 故答为：变大。 【变式1-1】（2023 秋•连云港期末）用力将篮球抛出，篮球在空中运动了一段时间后落向 水平地面。下列说法正确的是（ ） ．篮球在向上运动时，机械能增加 B．篮球在落向地面过程中，机械能增加 ．篮球落在地面弹起之前，具有机械能 D．篮球在运动到最高点时，势能为零 【答】 【解答】解：BD．篮球在空中运动过程中，受到空气阻力的作用，需要克服阻力做功， 机械能转化为内能，所以机械能减少，篮球在最高点时，离地面有一定高度，重力势能 不为0，故BD 错误； ．篮球落在地面弹起之前，发生弹性形变，具有弹性势能，所以具有机械能，故正确。 故选：。 【变式1-2】（2023 秋•高州市期末）如图，小朋友沿着滑梯匀速下滑的过程中，他的重力 势能 减小 ，动能 不变 ，机械能 减小 。（选填“增加”“减小”或“不 变”） 【答】减小；不变；减小。 【解答】解：小朋友匀速下滑的过程中质量不变，高度降低，速度不变，故重力势能减 小，动能不变，所以机械能减小。 故答为：减小；不变；减小。 1、动能和重力势能之间可以相互转化。动能和重力势能之间的相互转化一般发生在只受 重力作用下的运动过程中，例如滚摆在下降的过程中，越转越快，它的重力势能越来越小 动能越来越大，重力势能转化为动能；滚摆在上升过程中，越转越慢，它的重力势能越来 越大，动能越来越小，动能转化为重力势能； 2、动能和弹性势能之间也可以相互转化。它可以发生在同一物体上，也可以发生在不同 物体之间，例如，从高处落下的皮球与地面撞击的过程中，由于皮球发生弹性形变，皮球 的动能转化为弹性势能，皮球在恢复形变的过程中，它的弹性势能转化为动能．拉弯的弓 把箭射出去的过程中，拉弯的弓具有弹性势能，射出去的箭具有动能，这是弓的弹性势能 转化为箭的动能； 3、机械能守恒：如果只有动能和势能的相互转化，机械能的总和不变，或者说，机械能 是守恒的。 做功角度：只有重力或弹力做功，无其它力做功；其它力不做功或其它力做功的代数和为 零；系统内如摩擦阻力对系统不做功。 能量角度：首先只有动能和势能之间能量转化，无其它形式能量转化；只有系统内能量的 交换，没有与外界的能量交换。 ※机械能守恒一般都是理想状态下才发生的，物体能量的转化一般都不太可能只有机械能 的转化，还有其他能量的转化。 动能和势能的转化与机械能守恒 知识点2 【典例2-1】（2024•兴化市开学）如图所示是跳板跳水运动员比赛中的几个瞬间，其中① 位置时运动员把跳板压到最低处。若不计空气阻力，下列判断正确的是（ ） ．位置①到②的过程，运动员的重力势能转化为动能 B．位置②到③的过程，运动员的重力势能转化为动能 ．位置③到④的过程，运动员的机械能增大 D．位置④时运动员的动能大于位置②时运动员的动能 【答】D 【解答】解：、①位置到②位置的过程中，运动员的质量不变，高度在增大，弹性势 能转化为重力势能和动能，故错误； B、②位置到③位置的过程中，运动员的质量不变，速度变小，动能变小，高度增加， 重力势能增大，是将动能转化为重力势能，故B 错误； 、不计空气阻力，由③到④位置的过程中，机械能守恒，故错误； D、由②到④位置的过程中，不计空气阻力，机械能守恒，由于位置④时的高度低于 ②，说明重力势能减小了，则动能增大了，即位置④时运动员的动能大于位置②时运 动员的动能，故D 正确。 故选：D。 【典例2-2】（2023 秋•惠州期末）在冬奥会自由式滑雪比赛中，选手的运动轨迹如图所示， 如果不计空气阻力，下列说法正确的是（ ） ．选手在点和点时的动能都为零 B．选手从点下滑到b 点的过程中，机械能守恒 ．选手从点下落到d 点的过程中，机械能守恒 D．选手在点和e 点时都处于静止状态，因此机械能相等 【答】 【解答】解：、在点速度为零，说明动能为零，点运动员在水平方向速度不为零，所以 点动能不为零，故错误； B、从点向b 点运动过程中，因为有摩擦力，机械能不守恒，一部分转化成内能，机械 能减少，故错误； 、从点下落到d 点过程中，如果不计空气阻力，运动员只受重力作用，其机械能守恒， 故正确； D、在点和e 点都处于静止状态，说明动能都为零，因为点高度大于e 点高度，所以点 重力势能就大于e 点重力势能，因此他在e 点时比在点时的机械能小，故D 错误。 故选：。 【典例2-3】（2023 秋•靖江市期末）如图甲所示，一段粗糙程度相同的水平面和一个光滑 的圆弧槽在B 点处相连。质量为m 的物体从离水平面高的点由静止释放，最后静止于水 平面上的点，B 长为3m，如图乙所示，若在水平面上的D 点处再连接一个光滑的圆弧 槽，且BD 长为07m，物体从点由静止释放，第一次到达左侧圆弧槽的E 点，之后再下 滑直至最终静止。甲图中，物体在B 段运动时，克服阻力做功，将动能转化为 内 能，直至动能为零；乙图中，最后物体静止于水平面上的位置距B 点 02 m。 【答】内；02。 【解答】解：甲图中，物体在B 段运动时，克服阻力做功，将动能转化为内能，直至动 能为零；乙图中，两侧都是光滑的圆弧槽，圆弧槽上运动时，机械能不减小，因而在水 面上的运动的距离相等，故先来回运动4×07m＝28m，然后再从B 向左运动3m 28m ﹣ ＝ 02m，最后物体静止于水平面上的位置距B 点02m。 故答诶：内；02。 【变式2-1】（2023 秋•赣榆区期末）水平桌面上的自由滚落的乒乓球的运动轨迹如图所示， 为从桌面开始下落的点，B、D 两点高度相同，为球与水平地面的接触点。关于乒乓球 从运动到D 的过程中，以下说法正确的是（ ） ．点乒乓球的重力势能最小 B．B 点到点过程中，重力势能只转化为动能 ．乒乓球在B 点的动能等于在D 点的动能 D．D 点乒乓球的机械能最小 【答】D 【解答】解：、乒乓球在点时高度最高，具有重力势能最大，机械能最大，故错误； B、B 点到点过程中，乒乓球质量不变、高度减小，重力势能减小，有部分重力势能只 转化为内能，故B 错误； 、B 点和D 点在同一高度，则重力势能相等；但由于阻力作用，从B 点到D 点运动的过 程中，部分机械能会转化为内能，所以B 点的机械能大于D 点的机械能；由于机械能等 于动能和重力势能的总和，则B 点的动能大于D 点的动能，故错误； D、点乒乓球的机械能比D 点大，图中四点中D 点乒乓球的机械能最小，故D 正确。 故选：D。 【变式2-2】（2023 秋•永修县期末）把一个铁锁用绳子悬挂起来，将铁锁拉到自己鼻子附 近，稳定后松手，铁锁向前摆去。铁锁从最高点摆到最低点的过程中 重力势 能转 化为 动 能。 【答】重力势；动。 【解答】解：铁锁从最高点摆到最低点的过程中，铁锁的质量不变，高度变小，重力势 能变小；质量不变，速度变大，动能变大，是重力势能转化为动能。 故答为：重力势；动。 【变式2-3】（2023 秋•久治县期末）2023 年10 月26 日11 时14 分，搭载神舟十七号载人 飞船的长征二号F 遥十七运载火箭在酒泉卫星发射中心点火发射，10 月26 日17 时46 分，神舟十七号载人飞船与空间站组合体完成自主快速交会对接。在飞船加速升空时， 机械能 不守恒 ，总的能量 守恒 。（均选填“守恒”或“不守恒”） 【答】不守恒；守恒。 【解答】解：在飞船加速升空时，速度变大，质量不变，动能变大，高度变大，重力势 能变大，机械能变大，说明不守恒，是因为内能转化而来，而能的总量保持不变，是守 恒的。 故答为：不守恒；守恒。 1、各种形式的能量都可以相互转化，如电能可以转化为光能和内能；太阳能可以转化为电 能等，动能和势能的相互转化只是能量相互转化中的一种形式，能量转化过程中一种能量 减少，另一种能量增加。 【典例3-1】（2023•南通）如图所示，从空中落下的排球先后在草地和水泥地面上弹起， 你认为排球运动的轨迹最有可能的是（ ） ． B． ． D． 【答】 【解答】解：从空中落下的排球先后在草地和水泥地面上弹起，由于草地松软，撞击时 损失的机械能较多，弹起的高度比原来的高度低较多，当第二次从水泥地上弹起时，水 机械能和其他形式能的转化 知识点3 泥地坚硬，撞击损失的能量较少，反弹后最大高度降低较小，但一定比草地上反弹最大 高度小。故正确，BD 错误； 故选：。 【典例3-2】（2023 秋•河北区校级期中）如图，小明同学拍摄了一张小球掉落地面弹跳的 频闪照片，在这个过程中小球有一部分机械能转化成了 内能 ，能量的总量 不变 （选填“增大”“减小”或“不变”）。 【答】内能；不变。 【解答】解：小球在运动过程中克服摩擦做功，有一部分机械能转化为内能，所以小球 的弹起的高度逐渐减小，此过程中遵守能量守恒定律。 故答为：内能；不变。 【变式3-1】（2023 秋•龙岗区校级月考）下列实例中的能量转化属于机械能转化为内能的 是（ ） ．四冲程中内燃机的做功冲程 B．沸腾的水使茶壶盖“跳动” ．钻孔一段时间后，钻头变烫 D．夏天广场上的石凳被晒得发烫 【答】 【解答】解：、四冲程内燃机的做功冲程中，将燃气的内能转化为机械能，故不合题意； B、沸腾的水使茶壶盖跳动，将水蒸气的内能转化为机械能，故B 不合题意； 、钻孔一段时间后，钻头变烫，是将机械能转化为内能，故符合题意； D、夏天广场上的石凳被晒的发烫，是内能的转移，是热传递改变了物体的内能，故D 不合题意。 故选：。 【变式3-2】（2024•六安开学）如图所示，轻质弹簧一端固定，另一端连接一小木块，点 为弹簧在原长时物块的位置。木块由点静止释放沿粗糙程度相同的水平面向右运动，最 远到达B 点。在从到B 的过程中，木块的机械能 一直变小 （选填“先变大后变 小”“一直不变”或“一直变小”）。 【答】一直变小。 【解答】解：木块由点静止释放沿粗糙程度相同的水平面被弹簧推着向右运动，到达点 时，木块的质量不变，动能增大，弹簧的弹性势能转化成木块的动能，弹簧的弹性势能 减小，点是弹簧原长时木块的位置，此时弹簧的弹性势能为0；木块到达点后由于惯性 继续向右运动，所以弹簧逐渐被拉伸，弹性势能逐渐变大，所以弹簧的弹性势能先减小 后增大；木块在从到B 的过程中，物块克服摩擦做功，一部分机械能转化为内能，所以 木块的机械能一直变小。 故答为：一直变小。 1．（2023 秋•宿城区期末）下列过程中，物体的动能转化为重力势能的是（ ） ．篮球从高处落下 B．钟表里的发条带动指针转动 ．秋千从低处荡向高处 D．物块在斜面上由静止下滑 【答】 【解答】解：、篮球从高处落下的过程中，高度下降，速度增加，是重力势能转化为动 能；故错误； B、钟表里的发条带动指针转动，钟表的弹性势能转化为指针的动能；故B 错误； 、秋千从低处荡向高处，高度增加，重力势能增大，速度减小，动能减小，是动能转化 为重力势能；故正确； D、物块在斜面上由静止下滑，高度减小，重力势能减小；速度变大，动能变大，是重 力势能转化为动能，因克服摩擦做功，还有一部分机械能转化为内能；故D 错误。 故选：。 2．（2023 秋•仪征市期中）如图所示完全相同的甲、乙两个小球，分别用细线、橡皮筋系 在同一高度的悬点，将两球移动到与悬点等高的位置，此时细线恰好拉直，橡皮筋达到 原长，由静止开始释放，当两球摆至悬点正下方P 点时，橡皮筋长度恰好与细线长度相 等。若不计空气阻力，在此过程中，下列分析正确的有（ ） ①摆下过程中，甲球的机械能保持不变 ②两球到达P 点时，甲小球的速度比乙大 ③从静止运动到P 点，甲、乙两个小球重力做功相等 ④甲球到达P 点的机械能和乙球在初始位置时的机械能相等 ．1 个 B．2 个 ．3 个 D．4 个 【答】D 【解答】解：①、摆下过程中，因不计空气阻力，整个装置的机械能是守恒的，所以 甲球的机械能保持不变，故①正确； ②③、从静止运动到P 点，乙球的重力势能减小，动能增大，橡皮筋的弹性势能增大， 减小的重力势能转化为动能和弹性势能，所以乙球减小的重力势能大于其增加的动能， 甲、乙两个小球重力做功相等，乙小球的动能更小，即乙小球的速度小些，故②③正 确； ④、两球到达P 点时，甲小球的重力势能全部转化为动能，乙球的重力势能转化为动能 和弹性势能，由于初始的重力势能相同，所以两球到达P 点时，甲小球的动能比乙大； 甲球到达P 点的机械能和乙球在初始位置时的机械能相等，故④正确。 故选：D。 3．（2023 秋•宿城区期中）继今年10 月26 日神舟十七号载人飞船发射取得圆满成功（如 图甲），10 月31 日神舟十六号载人飞船又顺利返回，安全着陆（如图乙）。下列说法 中正确的是（ ） ．火箭加速升空过程中，火箭搭载的神舟十七号飞船的机械能总量不变 B．降落伞打开后，挂在伞下的神舟十六号飞船减速下落时机械能总量不变 ．火箭加速升空过程中，火箭搭载的神舟十七号飞船的机械能总量增大 D．降落伞打开后，火箭搭载的神舟十六号飞船减速下落时机械能总量增大 【答】 【解答】解：、飞船升空时，质量不变，而速度增大，所以动能增大；因为高度增大， 所以重力势能增大，机械能＝动能+重力势能，所以机械能总量增大；故错误、正确； BD、降落伞打开后，质量不变，而速度减少，所以动能减少；因为高度降低，所以重 力势能减少，所以机械能总量减少，故BD 错误。 故选：。 4．（2023•让胡路区校级模拟）针对如图三种现象， ①甲图是一个无摩擦的、不在同一平面上连续的轨道，小球从点经B、能滑到D； ②乙图是一个无摩擦的滚摆，将细绳绕轴转到点，放手后，能在上下来回转动； ③丙图是一个单摆，从点放手，能摆到B 点，若在点放一小棒，抵住细绳，小球能摆 到点； ④丁图B 是光滑轨道，点的高度大于B 点的高度，让小球由点静止开始自由落下，沿 轨道B 到达B 点后离开（不计空气阻力），则小球离开B 点后的运动轨迹最符合实际的 是b； 其中不能成立的是（ ） ．①②③ B．②④ ．③④ D．③ 【答】 【解答】解：①甲图中无摩擦，机械能是守恒的，因此，小球从点经B、能滑到D；故 正确； ②乙图中无摩擦，将细绳绕轴转到点，放手后，滚摆能在上下来回转动，故正确； ③丙图中，将单摆从点放手，能摆到B 点，若在0 点放一小棒，抵住细绳，小球仍只能 摆到B 点，而不可能上升到更高的点。故错误。 ④由题知，B 为完全光滑轨道，所以，小球运动时其机械能守恒； 小球从点由静止滑下，则小球的机械能等于点时的重力势能；整个过程中，机械能守恒， 虚线的最高点超过了点的高度，这是不可能的； b 虚线的最高点与点的高度相同，而在b 虚线的最高点时，小球仍具有向右运动的速度， 所以b 虚线表示小球的机械能大于点的机械能，也是不可能的； 虚线的最高点低于点，由于在最高点时小球仍运动，其总机械能可能与开始时的机械能 相等，符合实际； d 虚线中小球离开轨道时，由于惯性，应具有沿轨道方向向上运动的速度，则d 虚线不 可能。所以符合实际的是；故错误； 故正确的是①②，错误的是③④； 故选：。 5．（2023 秋•太仓市期末）足球比赛时，一队员由于技术失误，导致下落的足球出界，先 后在草地和水泥地面上弹起，你认为足球运动的轨迹最有可能的是（ ） ． B． ． D． 【答】 【解答】解：从空中落下的足球先后在草地和水泥地面上弹起，由于草地松软，撞击时 损失的机械能较多，弹起的高度比原来的高度低较多，当第二次从水泥地上弹起时，水 泥地坚硬，撞击损失的能量较少，反弹后最大高度降低较小，但一定比草地上反弹最大 高度小。故正确，BD 错误。 故选：。 6．（2023 秋•海门区期末）如图，在光滑的水平台面上，一轻质弹簧左端固定，右端连接 一金属小球，点是弹簧保持原长时小球的位置，压缩弹簧使小球至位置，然后释放小球， 小球就在、B 间做往复运动（已知＝B）。下列说法正确的是（ ） ．小球在往复运动过程中机械能守恒 B．从B 到弹簧的弹性势能一直减小 ．小球在点时，动能最大 D．小球从往B 运动过程中，弹性势能转化为动能 【答】 【解答】解：、小球在光滑的水平台面上B 间做往复运动，且＝B，这表明小球和弹簧 的整体机械能是守恒的，在任一位置，小球的动能与弹簧的弹性势能的总和保持不变， 小球在往复运动过程中机械能不守恒，故错误； B、小球从B 到的过程中，弹簧的形变程度变小，弹性势能变小；从到B 的过程中，弹 簧的形变程度变大，弹性势能变大，所以小球从B 到弹簧的弹性势能先变小后变大，故 B 错误； D、小球从（或B）位置运动到位置的过程中，弹簧的形变程度变小，弹性势能变小， 小球的速度变大，动能变大，弹簧的弹性势能转化为小球的动能；到达点时，弹簧的弹 性势能全部转化为小球的动能，弹性势能为0，小球的动能最大；从到B（或）的过程 中，弹簧的形变程度变大，弹性势能变大，小球的动能转化为弹簧的弹性势能，所以整 个过程中小球在点动能最大，故正确，D 错误。 故选：。 7．（2023 秋•鼓楼区期末）小明用力斜向下将篮球掷向地面，篮球碰到地面后斜向上反弹， 篮球在运动过程中经过、B 两点，如图所示。从到B 的过程中，下列数据可能正确的是 （ ） 篮球位置 B 动能/ b 重力势能/ 6 10 ．＝4 b＝0 B．＝5 b＝2 ．＝6 b＝0 D．