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第4節 機械能及其轉化
第十一章 功和機械能
知識點
機械能及其轉化
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感悟新知
1
1. 機械能
(1)定義：在物理學中，把動能、重力勢能和彈性勢能統稱為機械能。
(2)單位：焦耳，
簡稱焦，用
符號J 表示。
物體具有機械能有三種情況：(1)只有動能；(2)只有勢能；(3) 既有動能又有勢能。
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深度理解
機械能的理解：
① 一個物體可以具有機械能的一種或幾種，比如空中飛翔的小鳥，具有動能和重力勢能。
② 一個物體可以不具有機械能，比如靜止在水平地面上的石頭。
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2. 動能和勢能的轉化
如圖1 所示，將擺球從A 點由靜止釋放，擺球左右來回不斷擺動，B 位置是右側最高點。
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論證思考 (1)擺球從A 位置擺向O′ 位置的過程中，什么能減小？什么能增加？什么能轉化為什么能？
重力勢能減小，動能增加，重力勢能轉化為動能。
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(2)擺球從O′位置擺向A 位置的過程中，什么能轉化為什么能？
動能轉化為重力勢能。
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實驗結論：重力勢能可以轉化為動能，動能也可以轉化為重力勢能，即動能和重力勢能可以相互轉化。
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關聯思考 地面附近的物體，動能和重力勢能的相互轉化是由什么原因引起的？
物體因重力向下運動時，重力勢能轉化為動能；物體因慣性向上運動時，動能轉化為重力勢能。
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3.動能和彈性勢能的轉化：
如圖2 所示，讓木球從斜面滾下，撞擊彈簧片。木球在斜面和彈簧片之間來回滾動。
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論證思考(1)如圖所示，從甲到乙的過程中，木球的動能如何變化？彈簧片的彈性勢能如何變化？什么能轉化為什么能？
木球的動能減小，彈簧片的彈性勢能增大，動能轉化為彈性勢能。
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(2)從乙到丙的過程中，彈簧片的彈性勢能如何變化？木球的動能如何變化？什么能轉化為什么能？
彈簧片的彈性勢能減小，木球的動能增大，彈性勢能轉化為動能。
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實驗結論：動能可以轉化為彈性勢能，彈性勢能可以轉化為動能，即動能和彈性勢能可以相互轉化。
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關聯思考 如圖所示，木球的動能和彈簧片的彈性勢能間相互轉化是通過什么來實現的？
動能和彈性勢能的轉化，通過物體間力的作用來實現。例如，運動的木球對彈簧片的力，使彈簧片因形變而具有彈性勢能，動能轉化為彈性勢能；形變的彈簧片對木球的作用力，使木球因運動而具有動能，彈性勢能轉化為動能。
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4. 探究機械能轉化的特點
觀察現象：高空落地從地
面多次反彈皮球的頻閃照片
(如圖3)。游樂場蕩秋千的場
景)(如圖4)。
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描述現象：皮球從地面彈起的高度越來越小；
秋千蕩起的高度也是越來越小。
分析論證：皮球和秋千在最高點時，只有重力勢能，高度
越來越小，表明機械能越來越小。即動能和勢能轉化時，機械能總量漸漸減小。
實驗結論：生活中動能和勢能轉化時，機械能總量會逐漸
減小。
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關聯思考 (1)動能和勢能轉化時，什么原因導致機械能總量減小？
皮球落地彈起、秋千往復蕩起的過程，克服阻力做功，導致機械能逐漸減小。
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(2)機械能轉化過程中，因為阻力機械能總量會減小。假如沒有阻力機械能總量應有什么特點？
阻力越小，機械能總量的減小就越慢，如果沒有阻力機械能總量就保持不變(理想化推理)。
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5. 機械能守恒
(1)大量研究表明，如果只有動能和勢能相互轉化，盡管動能、勢能的大小會變化，但機械能的總和不變，或者說，機械能是守恒的。
(2)機械能守恒的條件：只有動能和勢能的相互轉化，即動能的增減量等于勢能的減增量；或者說，沒有機械能轉化為其他形式的能，也沒有其他形式的能轉化為機械能。
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[中考·無錫] 在水平地面上鋪一張白紙，將皮球表面涂黑，使其分別從不同高度處自由下落，在紙上留下黑色圓斑A、B，如圖5 所示。
例 1
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下列說法中正確的是( )
A. 皮球下落過程中動能轉化為重力勢能
B. 皮球落地發生形變的過程中動能轉化為彈性勢能
C. 形成圓斑B 時皮球是從更高處下落的
D. 形成圓斑A 時皮球接觸地面后形變程度更小
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解題秘方：根據動能和勢能的影響因素找到物體變小和變大的能，則變小的那種形式的能轉化為變大的那種形式的能。
解析：皮球下落過程中，高度減小，重力勢能減小，速度變大，動能變大，重力勢能轉化為動能；當球接觸地面時，球會發生形變，球的動能轉化為球的彈性勢能；
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球的動能越大，轉化成的彈性勢能越大，則小球的形變越大，在地面上形成的圓斑越大，可見形成圓斑A 時皮球接觸地面后形變程度更大，形成圓斑A 時皮球從更高處下落。
答案：B
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1. [新考法 小制作]某科技興趣小組用兩個輸液用的葡萄糖瓶子，從瓶口以下約6 cm處截斷，將截斷處用膠水黏合在一起，再從瓶口的橡膠塞中心穿一根長約20 cm的細木棒，用兩條懸線拴住木棒的兩端，將懸線固定在支架上，就構成了如圖所示的滾擺。
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當滾擺從上到下運動的過程中重力勢能主要轉化為______能；滾擺每次上升的高度逐漸減小，說明滾擺的機械能______(填“變大”“變小”或“不變”)。
動
變小
知識點
水能和風能的利用
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2
1. 水能 流動的水具有動能，高處的水具有重力勢能，水具有的機械能統稱為水能。
2. 風能 空氣在流動過程中所具有的機械能叫做風能。
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3. 水能和風能的利用
水能 風
特點 無污染、蘊藏量大、可循環利用 資源豐富、無污染、不穩定、不便于儲存
利用 (1)人們利用水輪機汲水； (2)18 世紀，人們利用大功率水輪機帶動紡織機、冶金鼓風機工作； (3)利用水輪機帶動發電機發電 (1)利用風能驅動帆船航行；
(2)利用風能推動風車做功；
(3)利用風能發電
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延伸拓展:
●水能的大小由流量、流速和水位差決定。
●風能的大小由風速和流動空氣的質量決定。
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[母題 教材圖改編題]如圖6是利用水能發電的示意圖，請你思考回答：
例2
利用水能時，一般是水的重力勢能轉化為動能，再利用水的動能做功，也就是說，主要是利用水的重力勢能，故不能認為修建攔河大壩是為了增大水的動能。水的動能帶動水輪機做功的過程，其實是一個動能的轉移過程。
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解題秘方：根據動能和勢能的影響因素判斷水的能量變化，根據水流從高處流向低處的過程中能量的轉化判斷水輪機的安裝位置。
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(1)修建攔河大壩是為了增加水的_______能 。
解析：修建大壩，提高了水位，使水的重力勢能增大。
勢
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(2)從水能的利用角度考慮，水輪機安裝的位置應該靠近_______( 填“上游”或“下游”)。
解析：從水能利用的角度考慮，水位下降越多，相同質量的水重力勢能轉化為動能越多，推動水輪機做功越多，轉化成的電能就越多，故水輪機安裝的位置應該靠近下游。
下游
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2. 如圖所示是一個風力發電場的照片：當風速達到一定等級時，它們的扇葉就可以轉動，從而帶動發電機轉動發電。這種風力發電的方式是取代石油與煤炭等能源發電的好方法。發電風車在發電過程中可以將風能轉換成風輪機的______能，再轉換成電能。
動
機械能及其轉化
動能
勢能
相互轉化
機械能
守恒
風能
空氣流動
重力勢能
彈性勢能
水能
提高水位

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