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第十章　機械能及其轉化
第一節　動　能
一、能量
1.定義:物體能夠對外　　　　,表示這個物體具有能量,簡稱能。
2.單位:　　　　,符號是J。
二、動能
1.定義:物體由于　　　　而具有的能。
做功
焦耳
運動
2.影響因素:動能大小與物體的　　　　和　　　　　　有關。質量相同的物體,運動的　　　　越大,它的動能越大;運動速度相同的物體,　　　　越大,它的動能也越大。
[注意] 探究動能大小時,通常利用轉換法,即用木塊被小球推出距離的遠近表示動能大小。
質量
運動速度
速度　
質量
能量
[典例1]關于能的概念,下列說法正確的是( )
A.一個物體能夠做功,就說這個物體具有能
B.一個物體已做過的功越多,說明這個物體具有的能越多
C.一個物體做了功,說明這個物體具有能
D.用線懸掛著的小球,沒有做功,所以沒有能
A
(1)能量是描述物體做功本領的物理量,是一個狀態量,只要物體具有做功的本領就具有能量。
(2)“能夠對外做功”指的是物體不一定正在做功,不一定非得做功,有對外做功的本領就行。
[針對訓練1]下列關于能量的說法中,不正確的是( )
A.掛在樹上的蘋果,沒有做功,所以不具有能量
B.拉彎的弓把箭射得很遠,弓具有能量
C.高空墜物會砸傷人,墜物具有能量
D.臺風把大樹連根拔起,臺風具有能量
A
動能的大小
[典例2]如圖所示是“探究物體動能的大小與什么因素有關”的實驗裝置示意圖。
速度
(1)該實驗裝置要探究的是物體動能的大小與物體　　　　的關系。(物體A、B質量不變)
(2)該實驗中所探究物體的動能是指物體　　　(選填“A”或“B”)的動能。
(3)該實驗物體動能的大小是通過　　　　　　 　來反映的。
A
物體B移動的距離s
解析:(1)動能的大小與物體的質量和速度都有關系,因為物體A的質量不變,速度通過物體A滾落時的高度來改變,所以是探究物體動能的大小與速度的關系。(2)實驗的主體是物體A,探究的是物體A動能的大小與速度的關系。(3)該實驗中物體A動能的大小是通過物體B移動的距離體現的,B被撞得越遠,說明物體A的動能越大,被撞得越近,說明物體A的動能越小,這里采用了轉換法的思想。
(4)該實驗物體的速度是指物體A從斜面上由靜止滾下與物體B即將碰撞時的速度,它是通過改變　　　　(選填“高度”或“質量”)來改變的。
(5)實驗表明,同一物體A從斜面高處滾下,高度越大,物體B被撞得越遠,可得結論: 　。
(6)若要探究物體動能與質量的關系,則需不同質量的物體從斜面
　　　　高度由靜止滾下,并觀察記錄。
高度
當物體的質量相同時,物體的速度越大,動能越大
同一
解析:(4)物體的速度是指物體A從斜面上由靜止滾下與物體B碰撞時的速度,速度的大小是通過控制物體A在斜面上的高度改變的。(5)同一物體A從斜面高處滾下,高度越大,物體B被撞得越遠,說明動能越大,可得結論:當物體的質量相同時,物體的速度越大,動能越大。(6)為了研究物體動能與物體質量的關系,實驗中需多次讓不同質量的物體從斜面同一高度由靜止滾下,控制物體的速度相同,改變物體的質量。
(1)實驗中應用了控制變量法。讓同一個小球從不同的高度滾下,小球到達水平面時的速度不同,這是控制質量相同,來探究動能與速度的關系;換用質量不同的小球,讓它們從同一高度滾下,這是控制速度相同,探究動能與質量的關系。
(2)實驗中應用了轉換法。利用小球推動物塊做功,通過物塊被推動的距離大小判斷小球動能的大小。
[針對訓練2] 在“探究物體動能的大小與哪些因素有關”的實驗中,讓同一鐵球從斜面不同高度由靜止釋放,撞擊同一木塊(如圖所示),下列說法正確的是( )
A.本實驗研究的是木塊的動能與它的質量、速度的關系
B.在探究動能與速度的關系時,要選擇兩個質量不同的鐵球,讓鐵球從相同的高度滾下,以不同的速度推動木塊移動
C.在探究動能與物體質量的關系時,要保持鐵球的質量不變,并讓它們分別從同一斜面的不同高度滾下
D.實驗中通過觀察木塊移動的距離來比較動能的大小
D
[針對訓練3] 如圖所示,樂樂將外形相同的實心鋁球和銅球(ρ鋁< ρ銅)隨機標記為A、B。將A、B分別從同一斜面的相同高度由靜止釋放,撞擊靜止在同一水平面上、相同位置的正方體木塊,發現A將木塊撞得更遠。這說明　　　　球滾到斜面底端時的動能小,　　　　是銅球。(均選填“A”或“B”)
B
A
解析:由題可知兩實心球的體積相同,而ρ鋁<ρ銅,根據公式m=ρV可知m鋁1.在向太空發射航天器時,一般都順著地球自轉方向發射,這主要是為了利用航天器在發射前隨地球轉動而具有的( )
A.動能 B.重力勢能
C.內能 D.彈性勢能
2.如圖所示是高速公路上的交通標志牌,汽車在行駛過程中,不允許超過最大限制速度。從物理角度看,這樣做的目的是減小汽車的( )
A.重力 B.慣性
C.動能 D.功率
A
C
3.如圖所示是物體在空中飛行過程中動能Ek隨時間t變化的曲線,運動的物體可能是( )
A.由靜止下落的乒乓球
B.豎直向上墊起的排球
C.從地面斜向上踢出的足球
D.從肩上斜向上投擲出去的鉛球
D
4.小明用如圖所示裝置探究動能大小與速度的關系,下列說法正確的是( )
A.實驗研究對象是木塊
B.水平表面必須光滑
C.讓不同的小車從斜面同一高度由靜止釋放
D.讓同一小車從斜面的不同高度由靜止釋放
D
5.甲、乙兩質量相同的人,同時從同一起跑線出發,同向做勻速直線運動,某時刻他們的位置如圖所示,此時甲的動能　 (選填“大于”“等于”或“小于”)乙的動能,跑到終點時,甲不能馬上停下 來,是因為　
　 。
小于
甲具有慣性,仍要保持原來的運動狀態,所以不能馬上停
止運動
6.如圖所示是用來“探究動能大小跟哪些因素有關”的實驗裝置圖。
在質量一定時,速度
(1)分析比較實驗甲與實驗乙,可得出結論: .　　　　　　　　　　　　　　　　
　　 　。實驗中被控制的物理量是　　　。
越大,動能越大
質量
(2)分析比較實驗乙與實驗丙,可得出結論:　　　 　_　　　　　　　　　
　　　　　　。實驗中被控制的物理量是　　　　。
(3)實驗結果表明,物體的動能大小與物體的　　　和　　 　有關,　　　越大,　　　越大,動能就越大。
在速度一定時,質量越大,
動能越大
速度
質量
運動速度　
質量
速度
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第四節　水能和風能
水能和風能
1.特點:自然界的流水和風都是具有大量　　　能的天然資源。
2.利用:人們利用水的　　　　　　和風的　　　　來發電。
[注意] 流動的水、空氣既具有動能又具有重力勢能,所以水能、風能是天然的機械能。在敘述水流、風具有什么能量時,應敘述為具有機械能,不能單純敘述為具有動能。
機械
重力勢能
動能
水能的利用
[典例1]核電站一旦開始發電,就不能隨意停下來。而電網白天用電多,深夜用電少。為使核電站穩定工作和充分利用能源,抽水蓄能電站的電動水泵深夜將山下水庫的水抽到山頂水庫,消耗的電能為E1;白天再把昨晚所抽的水放出,推動水輪機發電,得到的電能為E2。則下列說法正確的是( )
D
A.水能是不可再生能源
B.水輪發電機將電能轉化為機械能
C.抽水時消耗的電能全部轉化為水的機械能
D.E2[針對訓練1]建水電站時要讓水輪機產生出較大的功率,在流量一定的條件下,需要水流有較大的流速,而河流流速一般都不很大,因此就要在河中選擇合適的地方修水壩。這是利用了　 　　能轉化為　　　能的道理。
重力勢
動
解析:水從大壩流下來,水的重力勢能轉化成動能,水推動水輪機發 電,水的動能轉化成電能,水的落差越大,轉化成的電能越多。
風能的利用
[典例2]新疆達坂城風電廠是中國的大型風電廠。
(1)風力發電廠發電時,將　　　　　能轉化為　　　能。
(2)風力發電與傳統的火力發電相比,優點是　　　　　　 _　　　　　　　　
　　　　　 　。
風(機械)
電
節約能源,清潔、無污
染,保護環境等(答出一點即可)
解析:(1)風力發電廠發電時,是將風的機械能轉化為電能。(2)風能是自然界常見的能源,風力發電與傳統的火力發電相比,節約能源,且無污染,保護環境。
[針對訓練2] 如圖所示是“風能太陽能互補”節能燈裝置,利用風能和太陽能為節能燈供電;它“頭頂”小風扇,“肩扛”太陽能電池 板,“腰插”蓄電池。關于該節能燈裝置的設計解釋,合理的是( )
A.太陽能電池板將電能轉化成太陽能
B.小風扇是用來給太陽能電池板散熱的
C.太陽能電池板同時向小風扇和節能燈供電
D.節能燈工作時主要是將電能轉化成光能
D
1.強熱帶風暴經過的地區,風力達到7～9級,并伴有暴雨,持續的狂風暴雨把一些行道樹連根拔起,這主要是因為熱帶風暴具有較大的 ( )
A.機械能 B.內能
C.重力勢能 D.彈性勢能
A
2.關于風能,下列說法錯誤的是( )
A.風能不污染環境
B.風能不便于儲存
C.風能很穩定
D.風能利用起來很簡單
C
3.唐詩中有“黃河遠上白云間”“不盡長江滾滾來”的詩句,從物理學的角度來看,前一句生動形象地表明黃河水存儲著大量的　 _　能,后一句表明長江水具有大量的　　 能。風吹著帆船航行,說明風具有　　　　能;急流能把石頭沖走,說明水具有　　　　能。
重力勢
動
動
動
4.如圖所示是長江三峽水力發電示意圖,圖中表示出了水力發電站能量轉化的過程。請為圖中A、B、C、D各方框分別選填一個合適的詞組(填詞組的序號)。可供選擇的詞組有:①電能;②勢能;③化學能;④動能。
②
A:　　　;B:　　　;C:　　　;D:　　　。
④
④
①
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第三節　機械能及其轉化
一、動能和勢能的相互轉化
1.滾擺下降時,它的重力勢能越來越　　　 ,動能越來越　　　 ,
　　　　　能轉化為　　　能。
2.滾擺上升時,它的動能越來越　　　,重力勢能越來越　 ,　 能轉化為　　　　能。
二、機械能
1.定義:　　　　與　　　　之和稱為機械能。
小
大
重力勢
動　
小
大
動
重力勢
動能
勢能
2.機械能守恒:如果只有動能和勢能相互轉化,機械能的總和　　　。或者說,在只有動能和勢能相互轉化時,機械能是　　　　的。
[注意] 機械能守恒是有條件的,若考慮摩擦等阻力,機械能的總量就會變少,這是因為機械能轉化成了其他形式的能,如落地的乒乓球越跳越低,最后靜止在地面上,機械能的總量減少了。
不變
守恒
動能和勢能的相互轉化
[典例1]如圖所示,運動中物體的彈性勢能轉化為動能的是( )
B
A.子彈射出槍膛 B.發條帶動指針
C.流星從天而降 D.秋千蕩向高處
[針對訓練1] 2022年4月16日上午9點56分中國載人航天飛船“神舟十三號”返回艙在東風著陸場完美著陸。如圖所示,返回艙在空中加速下落時的能量轉化情況是( )
A.動能轉化為重力勢能,動能減小
B.動能轉化為重力勢能,重力勢能增加
C.重力勢能轉化為動能,動能增加
D.無能量的轉化,重力勢能和動能不變
C
[針對訓練2]如圖所示,金屬塊從斜面頂端自由滑到底端,再在水平桌面上壓縮輕質彈簧。當金屬塊壓縮彈簧時,　　 能轉化為　 　 能,金屬塊被彈簧彈開后,　　　　 (選填“能”或“不能”)到達斜面頂端。
動
彈性勢
不能
解析:當金屬塊壓縮彈簧時,彈簧發生形變,質量不變,是動能轉化為彈性勢能。金屬塊被彈簧彈開后,金屬塊從斜面底端上升,由于摩擦力的存在,動能不能全部轉化為重力勢能,金屬塊不能到達斜面頂端。
機械能及其守恒
[典例2]關于機械能,下列表述正確的是( )
B
A.火箭加速升空的過程中機械能守恒
B.人造衛星在地球同步軌道上運行過程中機械能守恒
C.過山車從軌道最高點到最低點的過程中機械能守恒
D.拉開的弓將箭射出去的過程中機械能守恒
判斷機械能是否守恒的方法
(1)注意動能和勢能轉化過程中是否有能量的損失和補充——如果除重力和彈力外沒有其他力做功,則動能和勢能轉化過程中機械能守恒。
(2)題目中如果有“沿光滑斜面運動”等字樣,則表示沒有能量損失,機械能守恒;如果有“沿斜面勻速下滑”等字樣,則表示有能量損失,機械能不守恒。
[針對訓練3] 如圖所示,一根質量不計的彈簧,上端固定,下端掛一個小球,小球靜止時距地面高度為h,現用力向下拉小球使其與地面接觸,然后從靜止釋放小球,不計空氣阻力,且彈簧始終在彈性限度內,下列說法錯誤的是( )
A.小球上升到最高點時受力方向豎直向下
B.小球上升到距離地面高度為h時,速度最大
C.小球上升過程中,整個系統的勢能不斷增大
D.小球運動過程中,整個系統的機械能守恒
C
[針對訓練4] 如圖所示,滾擺從一定高度釋放后,反復地上升和下降,其每次上升的最大高度都在逐漸減小,最終停止運動。在下降過程中,滾擺的動能逐漸　　　　　。滾擺每次上升的最大重力勢能逐漸　　　。從放開滾擺到停止運動過程中,機械能　　 　(選填“守恒”或“不守恒”)。
增大
減小
不守恒
解析:滾擺在下降過程中,重力勢能逐漸轉化為動能,動能增大,重力勢能減小。滾擺每次上升過程中質量不變,上升的最大高度不斷減小,重力勢能不斷減小。從放開滾擺到停止運動過程中,由于滾擺和空氣之間存在摩擦,機械能要轉化為內能,機械能減小,所以機械能不守恒。
1.下列詩句沒有涉及動能、勢能或動能和勢能相互轉化的是( )
A.飛流直下三千尺 B.疑是銀河落九天
C.唯見長江天際流 D.兩岸猿聲啼不住
D
2.在無風的環境中雨滴的降落可簡化為兩個過程,先加速豎直降落,后勻速豎直降落,雨滴(忽略質量變化)在( )
A.加速降落過程中只受重力作用
B.加速降落過程中機械能逐漸增大
C.加速降落過程中減少的重力勢能一部分轉化為動能
D.勻速降落過程中機械能保持不變
C
3.如圖所示是足球落地后又彈起的示意圖,分析可知,足球( )
A.在B點時受力平衡
B.在B點時,若所受力全部消失,將靜止不動
C.在A、D兩點動能可能相等
D.在運動過程中,只存在動能和勢能的相互轉化
C
4.如圖所示,旅游景區的索道纜車載著游客勻速上山,它具有的動 能　　　,重力勢能　　　(前兩空均選填“增大”“不變”或“減小”),機械能　　 　(選填“守恒”或“不守恒”)。
不變
增大
不守恒
5.小華把一個鐵鎖用繩子懸掛起來,將鐵鎖拉到自己的鼻子附近,穩定后松手,鐵鎖向前擺去,如圖所示。鐵鎖擺回時　　　　(選填“會”或“不會”)打到他的鼻子。如果鐵鎖在擺動的過程中不受阻力,它的機械能總量　　　　(選填“增加”“不變”或“減少”)。
不會
不變
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第二節　勢　能
一、重力勢能
1.概念:物體由于　　　　所決定的能。
2.影響因素:物體的重力勢能與其　　　　和被舉高的　　　　有關;高度相同的物體,　　　　越大,它的重力勢能越大;質量相同的物體,
　　　越高,它的重力勢能越大。
二、彈性勢能
1.概念:物體由于發生　　　　　　而具有的能。
高度
質量
高度　
質量
高度
彈性形變
2.影響因素:物體的　　　　　　越大,它具有的彈性勢能就越大。
三、勢能
　　　　勢能和　　　　勢能統稱為勢能。
[注意] 探究勢能大小時,通常利用轉換法,即用木樁陷入沙中的深度表示重力勢能大小。
彈性形變
重力
彈性
重力勢能及其影響因素
[典例1] (2023武進區模擬)在探究“重力勢能的大小與哪些因素有關”的實驗中,已知重物A、B、C的底面積相同,質量關系為mA=mB(1)讓重物自由下落打擊在木樁上,通過觀察木樁陷入沙中的深度判斷　　　　(選填“重物”或“木樁”)的重力勢能大小,這種研究方法是　　　　(選填“控制變量法”或“轉換法”)。
(2)比較　　　　兩個重物將木樁打入沙中的深度,可判斷重力勢能的大小和高度的關系,得出的結論是在　　　　一定時,物體的高度越　　　　,重力勢能越大。
(3)結合(2)中的實驗結論,通過比較B和C兩個重物將木樁打入沙中的深度,我們　　　　(選填“能”或“不能”)得出物體的重力勢能與其質量有關的結論。
重物
轉換法
A、B　
質量　
高
能
[針對訓練1] 在探究重力勢能與哪些因素有關時,小明將A、B、C三個鋼球從不同高度自由釋放(小球質量mA>mB>mC,下落高度hA=hBA.該實驗采用了轉換法,用沙面凹陷程度來反映重力勢能大小
B.對比A、B兩次撞擊,可知物體的質量越大,重力勢能越大
C.對比B、C兩次撞擊,可知物體被舉得越高,重力勢能越大
D.對比A、C兩次撞擊,要得出結論不符合控制變量的科學方法
C
[針對訓練2] 如圖所示,青蛙從跳起到落地的過程中,它的重力勢能 ( )
A.一直增大 B.一直減小
C.先減小后增大 D.先增大后減小
D
彈性勢能及其影響因素
[典例2]在探究彈性勢能的大小跟哪些因素有關時,小明提出了如下猜想。
猜想一:彈性勢能的大小與彈簧被壓縮的程度有關;
猜想二:彈性勢能的大小與彈簧的材料有關。
(1)為驗證猜想一,他設計了如圖所示的實驗,(小球質量大于木塊的質量)實驗時將同一彈簧壓縮不同的長度(彈簧被壓縮后未超過其彈性限度),將小球置于彈簧的右端,松開后小球撞擊同一位置的相同木塊,分析比較　　　　 　　,從而得出彈性勢能大小。
(2)為驗證猜想二,需選用長度和粗細相同,　　 　不同的兩根彈簧,實驗時將兩根彈簧壓縮　　　(選填“相同”或“不同”)的長 度,將小球置于彈簧的右端,松開后小球撞擊同一位置的相同木塊,對數據進行比較分析時,若　　　 　　　,說明彈性勢能的大小與彈簧的材料有關。
木塊被推動距離的遠近
材料　
相同
木塊被推動的距離不相等
解析:(1)探究彈性勢能的大小與彈簧被壓縮的程度有關,要改變彈簧的彈性形變大小,因此要將同一個彈簧壓縮不同的長度;運用轉換法,觀察木塊被推動距離的遠近來比較彈性勢能的大小。(2)為驗證猜想二,需選用長度和粗細相同、材料不同的兩根彈簧,實驗時將兩根彈簧壓縮相同的長度,將小球置于彈簧的右端,松開后小球撞擊同一位置的相同木塊,對數據進行比較分析時,若木塊被推動的距離不相等,說明彈性勢能的大小與彈簧的材料有關。
(3)若水平面絕對光滑,則　　 　(選填“能”或“不能”)完成本實驗。
不能
解析:(3)若水平面絕對光滑,木塊就會做勻速直線運動,無法通過比較木塊移動距離的遠近來判定彈性勢能的大小。
[針對訓練3] 上緊發條的玩具車在水平桌面上由靜止開始運動所需的能量來源于( )
A.重力勢能 B.電能
C.彈性勢能 D.動能
[針對訓練4] 下列關于彈性勢能的說法正確的是( )
A.當彈簧變長時,它的彈性勢能一定增大
B.彈性勢能的大小跟使彈簧發生形變的物體有關
C.彈性勢能的大小與彈簧原來的長度有關
D.同一根彈簧,在壓縮和伸長相同長度時(均在彈性限度內)彈性勢能的大小是相等的
C
D
1.下列物體具有彈性勢能的是( )
A.被舉高的重錘
B.正在爬坡的汽車
C.空中飛翔的鳥
D.被卷緊的鐘表的發條
D
2.運動員投向籃筐的籃球,在空中飛行時( )
A.只具有動能
B.只具有重力勢能
C.既有動能,也有重力勢能
D.既無動能,也無重力勢能
C
3.(2023順義區月考)(多選題)擲出去的球在空中的運動軌跡如圖所示,a點是擲出點,b點是球運動的最高點,d點是球落地點,球最終停在水平地面e點,其中a、c兩點高度相同,不計空氣阻力。關于此過程,下列說法正確的是( )
A.球在a點重力勢能最小
B.球在e點動能為零
C.球在a、c兩點的重力勢能相等
D.球在b、c兩點的動能相等
BC
4.如圖所示,打樁機打樁時重錘被拉起又下落,打在樁面上,如果要把樁打得深些,可以采用的方法是(1)　　　　　　　　　 ; (2)　 。
增加重錘的質量
提高重錘的高度
5.物體G和彈簧相連固定于墻壁上,當物體處于位置B處彈簧沒有形 變,用力將其拉至C處,松手后物體從C點出發在CA之間往返運動并最終停留在某處,停留時彈簧彈性勢能為0。則:
(1)由C到B時,彈簧的彈性勢能　　　 (選填“不變”“增大”或“減小”)。
(2)物體在CA之間運動過程中,物體動能最大的點位于　　 　(選填“B點”“AB之間”或“BC之間”)。
(3)物體最終停留在　　(選填“B點”“AB之間”或“BC之間”)。
減小
BC之間
B點
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