11.4 机械能及其转化（原卷版）

课时114 机械能及其转化（帮课堂）（原卷版） 【学习目标】 1 了解机械能概念； 2 会分析动能和势能之间的转化过程； 3 会利用机械能分析生活中常见动能与势能之间的转化； 4 了解机械能守恒定律。 【知识导图】 【基础知识】 知识点一、机械能及其转化 1 机械能 （1）定义：动能、重力势能、弹性势能统称为机械能。机械能是和物体运动紧密联 系的能量。机械能的单位是焦耳（）。 （2）对机械能的理解 一个物体可以只有动能，也可以只有势能，还可以既有动能又有势能，都称为物体具 有机械能。 ①物体只有动能，如在水平路面上行驶的汽车； ②物体只有势能，如悬挂在空中静止的物体、射箭时发生弹性形变的弓； ③物体同时具有动能和势能，如在空中飞行的飞机、小鸟等。 2 动能和势能的转化 （1）实验探究：动能和重力势能的相互转化 单摆实验 滚摆实验 图 示 现 象 将小球拉至点释放，小球加速摆向B 点，然 后摆向点，速度越来越小，到点的速度为零， 之后再经过B 点回到点，不断往复（因为有 空气阻力，实际上不能回到点） 捻动滚摆的轴，使滚摆上升至某一高度后松 开，滚摆开始旋转下降，转速越来越大，到最 低点后，开始缠绕悬线上升，转速逐渐变小， 最终再次上升到原来的高度，之后再次下降， 不断重复（因为有空气阻力，滚摆不能回答原 来的高度） 能 量 转 化 情 况 分 析 单摆的运动可分为上升段和下降段。其动能和 重力势能转化情况见下表。 运动 阶段 高度 重力 势能 速度 动能 能的 转化 下降段 →B →B 降低 减小 变大 增大 重力势 能转化 为动能 上升段 B→ B→ 升高 增大 变小 减小 动能转 化为重 力势能 滚摆的运动也可分为上升段和下降段。其动能 和重力势能转化情况见下表。 运动 阶段 高度 重力 势能 速度 动能 能的 转化 下降段 降低 减小 变大 增大 重力势 能转化 为动能 上升段 升高 增大 变小 减小 动能转 化为重 力势能 探 究 归 纳 在一定条件下，动能和重力势能可以互相转化。 （2）实验探究：动能和弹性势能的相互转化 【进行实验】一个木球以一定的速度v0撞到弹簧片上。 【分析论证】 探究过程 球的速度 球的动能 弹簧片形变 程度 弹簧片的弹 性势能 能的转化 木球压弯弹簧片 不断减小， 直至为零 不断减小， 直至为零 由小变大 不断增大 动能转化为弹性势能 弹簧片把木球弹 回 由零不断增 大 由零不断增 大 由大变小 不断减小， 直至为零 弹性势能转化为动能 【归纳总结】在一定条件下，动能和弹性势能可以互相转化。 ★特别提醒 动能和弹性势能的之间的转化，可以发生在同一物体上，也可以发生在不同物体之间。例如，由高 处落下的篮球在撞击地面发生了弹性形变过程中，球的动能转化为自身的弹性势能；球在恢复原状 的过程中，球的弹性势能转化为自身的动能，动能和弹性势能在一个物体上相互转化。运动员进行 蹦床表演时，运动员的动能和蹦床的弹性势能在两个物体间相互转化。 【典例1】2020 年11 月24 日，探月工程嫦娥五号探测器成功发射，探测器在加速 上升过程中（ ）。 动能不变，势能增大 B 动能增大，势能增大 动能不变，势能不变 D 动能增大，势能不变 3 机械能守恒 （1）机械能守恒 大量研究结果证明，如果只有动能和势能相互转化，尽管动能、势能的大小会变化， 但机械能的总和不变，或者说机械能守恒。 ★特别提醒 机械能守恒的条件是只有动能和势能之间发生转化，没有其他形式的能参与转化。但在现实生活 中，由于摩擦阻力的存在，动能和势能相互转化的过程中总要克服摩擦力做功，总有部分机械能转 化为其他形式的能，机械能的总量减少。 ▲拓展培优能量转化的普遍性 自然界中，各种形式的能量都可以相互转化，能量转化过程中总是一种形式的能量减少，另一种形 式的能量增加动能和势能的相互转化只是各种能量转化的一种。 （2）判断机械能如何变化 ①当物体的机械能守恒时，动能和势能中一种形式的能量减少，另一种形式的能量必 然增加。 示例（忽略空气阻力和摩擦导致的机械能 损失） 判断依据 能的转化 速度 高度 形变 滚摆上升时 减小 增大 —— 动能转化为重力势 能 过山车下降时 增大 减少 —— 重力势能转化为动 能 运动的小球压缩弹簧时 减小 —— 增大 动能转化为弹性势 能 弯弓射箭时 增大 —— 减小 弹性势能转化为动 能 ②物体受外力作用机械能不守恒时，可先分析动能和势能的变化情况，再结合“机械 能=动能+势能”来判断。 示例 动能变化 势能变化 机械能 水平路面上加速运动的小车 增大 不变 增大 水平路面上减速运动的小车 减小 不变 减小 匀速上升的热气球 不变 增大 增大 匀速下降的热气球 不变 减小 减小 斜面上减速下滑的滑块 减小 减小 减小 汽车加速冲上斜面 增大 增大 增大 ③人造卫星运行时的机械能转化 人造卫星绕地球椭圆轨道运行过程中，不受空气阻力，只有动能与势能的相互转化， 故卫星的机械能守恒。如图所示，它离地球中心最远的一点叫远地点，离地球中心最近的 一点叫近地点，卫星在两点间运行时能量转化情况如图所示。 【典例2】如图所示，小明在做模拟“蹦极”“的小实验，一根橡皮筋一端系一个小 石块，另一端固定在点。B 点是橡皮筋不系小石块自然下垂时下端所在的位置，点是小石 块从点自由释放后所能达到的最低点，关于小石块从点到点的运动过程，下列说法中正确 的是（ ）。 ．小石块在B 点时的动能最大； B．小石块在点时的动能最大； ．从点下落到点的过程中，小石块的动能一直在增大； D．从B 点下落到点的过程中，小石块的动能先增大后减小 【典例3】如图所示，小球从左侧斜面的P 点由静止释放，在右侧斜面上能到达的最 高位置是Q 点，M、是小球运动过程中先后通过的两个等高点，下列关于该过程的说法中 正确的是（ ）。 ．小球在左侧斜面向下运动的过程中，重力势能全部转化为动能； B．小球从P 点向Q 点运动的过程中，机械能保持不变； ．小球从P 点向Q 点运动的过程中，所受支持力不做功； D．小球通过M、两点时的速度大小相等 知识点二、水能和风能 1 水能：流动的水具有动能，高处的水具有势能，水所具有的机械能统称为水能。 2 风能：风是流动的空气，风具有的机械能叫风能。 3 风能和水能的利用 水能 风能 本质 机械能 特点 无污染、蕴藏量大、可循环利用 资源丰富、无污染、不稳定、不便 于储存 利用 （1）早期，人们利用水流冲击水轮机转动来汲水、 磨粉、碾谷； （2）到18 世纪，人们利用大功率水轮机来带动纺 织机、冶金鼓风机工作； （3）近代，利用水轮机带动发电机发电 （1）利用风能来驱动帆船航行； （2）利用风能来推动风车做功； （3）利用风能来发电 【典例4】如图所示，这是水电站的示意图。 （1）我们知道水电站是利用水能资源的一项重大工程。那么，水电站到底是怎样 “发电”的？其实它是利用能量的转化来“发电”的：把水库里的水蓄高后，打开水坝导 管的闸门，水就会沿着导管泻下，推动水轮机把“电”发出来。请你根据以上的文字说明 试从能量转化的角度来说明水电站的工作原理。 （2）建设水电站选址时，从能量的利用来看，你将选择图中的（）址还是（B）址？ 请说说你的看法。 【方法帮】 题型一：动能和重力势能间的转化 【角度1】动能与重力势能间的转化 ★易错警示 看到下落，学生就容易习惯性的认为重力势能转化为动能，当当物体匀速下落时，速 度不变，物体的动能不变，此时重力势能没有转化为动能。 【典例5】跳水运动是奥运会的正式比赛项目，我国运动员在该项目上一直处于国际 领先地位。比赛中，跳水运动员腾空跳起向上运动到最高点后再向下落人水中，若不计空 气阻力，在整个空中运动过程中，运动员的（ ）。 动能先减小后增大，重力势能先增大后减小； B 动能先增大后减小，重力势能先增大后减小； 动能先减小后增大，重力势能先减小后增大； D 动能先增大后减小，重力势能先减小后增大 【角度2】动能与弹性势能间的转化 解答此类问题的关键是确定哪个阶段物体做加速运动，哪个阶段小球做减速运动。 （1）加速运动时：弹性势能转化为动能； （2）减速运动时：动能转化为弹性势能。 【典例6】如图，弹簧的左端固定，右端连接一个小球，把它们套在光滑的水平杆上， 是压缩弹簧后小球静止释放的位置，b 是弹簧原长时小球的位置，是小球到达最右端的位 置。则小球从运动到的过程中，在______（选填“”、“b”或“”）位置动能最大；从b 到的过程中，小球的动能转化为弹簧的______，小球从运动到b 的过程机械能总量______ （选填“变大”、“变小”或“不变”）。 【角度3】动能、重力势能、弹性势能间的转化 不计空气阻力时，物体的机械能守恒。 在分析动能、重力势能和弹性势能之间的转化时，根据物体运动情况，可以把物体的 运动的整个过程进行分段。考虑每段运动过程中，物体运动速度的变化情况，物体的形变 情况，即可分析重力势能和弹性势能的变化规律，以及动能与重力势能和弹性势能之间的 转化。 【典例7】如图甲所示，轻弹簧竖直固定在水平面上， 时刻，将一重为G 的金属 小球从弹簧正上方某一髙度处静止释放，小球落到弹簧上压缩弹簧到最低点，然后被弹簧 弹起，上升到一定高度后再下落，如此反复，通过安装在弹簧下端的压力传感器，测出这 一过程弹簧弹力F 随时间t 变化的图象如图乙所示，则（ ）。 ．时刻小球的动能最大； B．时刻小球的重力势能最大； ． 时刻小球的机械能等于时刻小球的机械能； D．从开始下落到第一次到达最低点，小球内能的增加量小于这两个时刻小球机械能 的减少量 题型二：对机械能守恒的理解 判断机械能是否守恒的关键 （1）从能量角度：若整个过程只有动能和势能的相互转化，没有其他形式的能参与 转化，则机械能守恒； （2）从受力角度：若物体只受重力、弹力作用，而没有其他力的作用，则可认为机 械能守恒。 【典例8】如图所示，2021 年6 月17 日搭载聂海胜、刘伯明和汤洪波三名航天员的 神舟十二号飞船加速升空时的情景，下列说法正确的是（ ）。 ．火箭的重力势能变大，动能变大，机械能不变； B．火箭的重力势能变大，动能减小，机械能不变； ．火箭的重力势能变大，动能变大，机械能变大； D．火箭的重力势能变大，动能减小，机械能减小 题型三：机械能守恒和图像综合 【典例9】如图、b 为竖直向上抛出的小石块在上升过程中动能和重力势能随高度变 化的图线（不计阻力），其中 ______ 是动能-高度关系图线，小石块上升到5m 时的机械 能为 ______。 【中考帮】 考点一：机械能转化与守恒 【典例10】（2022·荆州）打篮球是很多同学喜爱的运动项目，某次打篮球过程中， 篮球的部分运动轨迹如图所示。下列说法正确的是（ ）。 篮球经过相同高度的B、两点时，机械能相等； B 篮球第一次反弹后到达最高点D 时，动能为0； 篮球经过B、E 两点时，动能可能相等； D 篮球在整个过程中机械能守恒 中考考题要求同学们能初步具有能量的观念，能从能量转化的视角解释 运动中各种能量的转化情况。这是物理核心素养的物理观念的体现。 【作业帮】 一、基础练（知识巩固） 1．开学返校途中，好学的小强对路上看到的现象进行思考，其中分析正确的是（ ）。 ．货车匀速上坡时，车辆机械能不守恒； B．小汽车在公路上匀速转弯时，车子受力平衡； ．大货车安装很多轮了，可以增大受力面积从而增加地面之间的摩擦； D．高速公路上车辆不能超速，是因为车辆超速后惯性变大不易停下 2．小明在体育课上掷铅球，掷出去的铅球从处出手后，在空中的运动轨迹如图所示， 球最终停在水平地面e 点处，不计空气阻力，则铅球（ ）。 ．从处到b 处动能减小，重力势能增大； B．从b 处到处动能增大，机械能增大； ．处的机械能小于处的机械能； D．在d、e 处机械能相等 3．如图所示是荡秋千的简化模型。摆球从点由静止释放，到达D 点后返回，B、两 点等高。下列说法正确的是（ ）。 ．球在B、两点的动能相等； B．绳的拉力对小球做了功； ．球从B 点到点的过程中机械能减少； D．球从点到点的过程中重力势能减少 4．如图所示，摩天轮匀速转动时，带动“观光屋”匀速转动，下列说法正确的是（ ）。 ．观光屋上升时重力势能增加、动能减小； B．观光屋上升到最高点，如果所有外力突然消失，观光屋继续做圆周运动； ．由于是匀速圆周运动，观光屋内的人运动状态不变； D．摩天轮静止时，缆绳对观光屋的拉力和观光屋的总重力为一对平衡力 5．撑竿跳高是一项对压竿和起跳技术要求很高的体育运动。如图所示是运动员在一 次比赛中的情景，从竿处于最大弹性形变到运动员松开竿的过程中（不考虑空气阻力）（ ）。 ．竿的弹性势能增大，运动员的机械能减小； B．竿的弹性势能增大，运动员的机械能增大； ．竿的弹性势能减小，运动员的机械能减小； D．竿的弹性势能减小，运动员的机械能增大 6．如图所示，质量为m 的小球从静止下落，落在与点等高处、竖直放置静止的轻弹 簧上，到达与B 点等高处时小球重力与弹簧的弹力大小相等，图中与点等高处是小球到达 的最低点（不计空气阻力）。下列说法正确的是（ ）。 ．到达点时，小球的动能最大； B．下落过程中，小球重力势能一直减小、动能先增大后减小、小球与弹簧机械能守 恒； ．到达点时，小球的动能为零，受到的重力与弹簧的弹力是一对平衡力； D．从到B，小球减少的重力势能等于增加的动能 7．如图为某商场内的自动扶梯，若小明同学站在以1m/s 速度匀速向上运行的自动扶 梯上，通过10m 的路程，需_____s，运行过程中他的动能将_____，机械能将______。 （后两空选填“增加”、“不变”或“减少”） 8．从离地20m 高的点斜向上抛出重1 的小球，其运动轨迹如图所示。小球离开手时 的动能为20，则当它运动到与点等高的B 点时具有的动能是_____，刚接触地面时的动能 是______。（不计空气阻力） 9．如图2020 年7 月23 日，我国发射首个火星探测器“天问一号”，将一次性完成 “绕、落、巡”三大任务，这在世界航天史上从未有过先例。探测器沿椭圆轨道绕火星运 动时，不受空气阻力，只发生动能和势能的相互转化，由近火点向远火点运动时，探测器 的动能_________，机械能_______（填“变大”、“变小”或“不变”）。 10．2016 年8 月16 日，我国用长征二号运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫 星（简称“量子卫星”）“墨子号”发射升空，如图所示，火箭在加速上升的过程中，量 子卫星的动能______，重力势能______，机械能______。（选填“增大”或“不变”或 “减小”） 二、综合练（能力提升） 11．如图，轻质弹簧竖直放置，下端固定于地面，上端位于点时弹簧恰好不发生形变。 现将一小球放在弹簧上端，再用力向下把小球压至图中位置后由静止释放，小球将竖直向 上运动并脱离弹簧，不计空气阻力，则小球（ ）。 ．运动至最高点时，速度为0m/s，所以受平衡力作用； B．被释放瞬间，所受重力大于弹簧弹力； ．从点向上运动点的过程中，速度一直增大； D．从点向上运动点的过程中，速度先增大后减小 12．如图所示，小明在做模拟“蹦极”的小实验，一根橡皮筋一端系一个小石块，另 一端固定在 点，B 点是橡皮筋不系小石块自然下垂时下端所在的位置， 点是小石块从 点 自由释放后所能达到的最低点。关于小石块从 点到 点运动过程的说法，正确的是（ ）。 ．整个过程中小石块重力势能的减小量等于它动能的增加量； B．从 点下落到 B 点的过程中，小石块受到重力和弹力的作用； ．从 B 点下落到 点的过程中，小石块的速度先增大后减小； D．小石块在 点时，受到平衡力的作用 13．频闪照相是研究物体运动的重要手段之一，如图是频闪照片记录竖直下落的小球 每隔相等时间的位置（不计空气阻力），则在下落过程中，小球（ ）。 ．动能逐渐减小 B． 位置没有能量 ．重力在 b 段做功比在 d 段慢 D．重力在 b 段做功比在 b 段多 14．如图所示，质量为1 kg 的滑块在倾角为30°的光滑斜面上，从点由静止开始下 滑，到b 点开始压缩轻弹簧，到点时达到最大速度。到d 点（图中未画出）开始弹回，返 回b 点离开弹簧，恰能再回到点。则： （1）物体从到b 点，物体的重力势能转化为___________能； （2）物体从到d 点，弹簧的________能变大； （3）物体在d 点___________ （选填“是平衡状态”或“不是平衡状态”）。 三、培优练（挑战自我） 15．将表面涂墨（墨充足）的皮球从离地某一高度水平抛出，球落地后又弹起，如图 所示是小球在地面弹跳的频闪照片，、B 两点高度相同，小球在点的重力势能 ______（选 填“大于”、“小于”或“等于”）B 点的重力势能，小球在点的动能 ______（选填“大 于”、“小于”或“等于”）B 点的动能；皮球先后三次在地面D、E、F 着地并留下黑 色墨迹，墨迹逐渐 ______（填“变小”、“变大”或“不变”）。 16．阅读短文，回答后面问题： 天问一号火星探测器 天问一号火星探测器于2020 年7 月23 日在文昌航天发射场发射升空，于2021 年2 月10 日被火星捕获，进入环绕火星轨道，2021 年5 月，火星探测器上的着陆巡视器与环 绕器分离，着陆巡视器软着陆于火星乌托邦平原南部预选区，成功降落于火星表面，而后 祝融号火星车驶离着陆平台，开展巡视探测等工作； （1）如图1，火星探测器进入环火轨道，在火星引力作用下做环绕火星的运动，运动 轨道上有一个近火点（距离火星最近的点）和远火点（距离火星最远的点），那么，火星 探测器在 ______火点的动能较大；从近火点到远火点的过程中，火星探测器的机械能 ___ ___（选填“增大”、“减少”或“守恒”）； （2）火星直径约为地球的一半，物体在火星地表所受重力约为地球地面上的五分之 二；地球地表上的g 地取10/kg，则火星地表上的g 约为 ______/kg，由此可知： ①如图2，质量为240kg 的祝融号火星车从高度为12m 的着陆平台上沿斜梯驶离到 火星地面上，则重力对火星车所做的功为 ______； ②火星地表大气压强约为680P，在火星地表做托里拆利实验，如图3，则水银柱高 度约为 ______mm；（水银密度为136×103kg/m3） ③假设火星地面上存在一个由液态水形成的湖泊，某同学穿上宇航服跳入湖中并保持 不动；已知此同学穿上宇航服后的总质量为80kg、体积025m3，液态水的密度 ，则此同学在湖水中所受的浮力大小为 ______、浸入水中的体积为 _____ _m3。