八年級物理下冊 11.4 機械能及其轉化（解析版）

11.3動能和勢能（解析版）知識清單1.機械能及其轉化；2.水能和風能知識點1：機械能及其轉化1.機械能（1）定義：動能、重力勢能、彈性勢能統(tǒng)稱為機械能。機械能是和物體運動緊密聯(lián)系的能量。機械能的單位是焦耳（J）。（2）對機械能的理解一個物體可以只有動能，也可以只有勢能，還可以既有動能又有勢能，都稱為物體具有機械能。物體只有動能，如在水平路面上行駛的汽車；物體只有勢能，如懸掛在空中靜止的物體、射箭時發(fā)生彈性形變的弓；物體同時具有動能和勢能，如在空中飛行的飛機、小鳥等。2.機械能守恒（1）機械能守恒大量研究結果證明，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，或者說機械能守恒?！锾貏e提醒機械能守恒的條件是只有動能和勢能之間發(fā)生轉化，沒有其他形式的能參與轉化。但在現(xiàn)實生活中，由于摩擦阻力的存在，動能和勢能相互轉化的過程中總要克服摩擦力做功，總有部分機械能轉化為其他形式的能，機械能的總量減少。▲拓展培優(yōu)能量轉化的普遍性自然界中，各種形式的能量都可以相互轉化，能量轉化過程中總是一種形式的能量減少，另一種形式的能量增加動能和勢能的相互轉化只是各種能量轉化的一種。（2）判斷機械能如何變化①當物體的機械能守恒時，動能和勢能中一種形式的能量減少，另一種形式的能量必然增加。示例（忽略空氣阻力和摩擦導致的機械能損失）判斷依據(jù)能的轉化速度高度形變滾擺上升時減小增大——動能轉化為重力勢能過山車下降時增大減少——重力勢能轉化為動能運動的小球壓縮彈簧時減小——增大動能轉化為彈性勢能彎弓射箭時增大——減小彈性勢能轉化為動能②物體受外力作用機械能不守恒時，可先分析動能和勢能的變化情況，再結合“機械能=動能+勢能”來判斷。示例動能變化勢能變化機械能水平路面上加速運動的小車增大不變增大水平路面上減速運動的小車減小不變減小勻速上升的熱氣球不變增大增大勻速下降的熱氣球不變減小減小斜面上減速下滑的滑塊減小減小減小汽車加速沖上斜面增大增大增大③人造衛(wèi)星運行時的機械能轉化人造衛(wèi)星繞地球橢圓軌道運行過程中，不受空氣阻力，只有動能與勢能的相互轉化，故衛(wèi)星的機械能守恒。如圖所示，它離地球中心最遠的一點叫遠地點，離地球中心最近的一點叫近地點，衛(wèi)星在兩點間運行時能量轉化情況如圖所示。【典例1】如圖所示，小明在做模擬“蹦極”“的小實驗，一根橡皮筋一端系一個小石塊，另一端固定在A點。B點是橡皮筋不系小石塊自然下垂時下端所在的位置，C點是小石塊從A點自由釋放后所能達到的最低點，關于小石塊從A點到C點的運動過程，下列說法中正確的是（）。A．小石塊在B點時的動能最大；B．小石塊在C點時的動能最大；C．從A點下落到C點的過程中，小石塊的動能一直在增大；D．從B點下落到C點的過程中，小石塊的動能先增大后減小【答案】D?！窘馕觥緼．如圖：B點是橡皮筋不系小石塊自然下垂時下端所在的位置，C點是小石塊從A點自由釋放后所能達到的最低點，O點是橡皮筋懸掛小球靜止時的點即重力和彈力相等的點。B點是橡皮筋不系小石塊自然下垂時下端所在的位置，在小石塊未到達B點之前繩子沒有發(fā)生形變，故從A點下落到B點的過程中，小石塊只受到重力的作用，經過B點向下到重力和彈簧的彈力相等的位置（O點）的過程中，重力大于彈力，小球繼續(xù)加速，所以動能繼續(xù)增大，故A錯誤；B．C點是小球達到的最低點，此時速度為零，則小球的動能為零，故B錯誤；C．從A點下落到B點的過程中，小石塊的重力勢能轉化為動能，由B到O的過程，小石塊受重力和彈力的作用，橡皮筋的形變量逐漸變大，彈力逐漸變大，重力大于彈力，小石塊受到的合力方向與運動方向相同，做加速運動，動能不斷變大；由O到C的過程，重力小于彈力，小石塊受到的合力方向與運動方向相反，做減速運動，動能不斷變小，因此在由A到C的過程中，小石塊的動能先增大后減小，故C錯誤；D．從B點下落到C點的過程中，可看作由B到O動能不斷增大和由O到C動能不斷減小的疊加，故D正確；故選D。知識點2：水能和風能1.水能：流動的水具有動能，高處的水具有勢能，水所具有的機械能統(tǒng)稱為水能。2.風能：風是流動的空氣，風具有的機械能叫風能。3.風能和水能的利用水能風能本質機械能特點無污染、蘊藏量大、可循環(huán)利用資源豐富、無污染、不穩(wěn)定、不便于儲存利用（1）早期，人們利用水流沖擊水輪機轉動來汲水、磨粉、碾谷；（2）到18世紀，人們利用大功率水輪機來帶動紡織機、冶金鼓風機工作；（3）近代，利用水輪機帶動發(fā)電機發(fā)電（1）利用風能來驅動帆船航行；（2）利用風能來推動風車做功；（3）利用風能來發(fā)電【典例2】如圖所示，這是水電站的示意圖。?（1）我們知道水電站是利用水能資源的一項重大工程。那么，水電站到底是怎樣“發(fā)電”的？其實它是利用能量的轉化來“發(fā)電”的：把水庫里的水蓄高后，打開水壩導管的閘門，水就會沿著導管瀉下，推動水輪機把“電”發(fā)出來。請你根據(jù)以上的文字說明，試從能量轉化的角度來說明水電站的工作原理。（2）建設水電站選址時，從能量的利用來看，你將選擇圖中的（A）址還是（B）址？請說說你的看法。

【答案】（1）水力發(fā)電是讓水庫中的水從閘門中奔瀉下來，沖擊水輪機，水輪機帶動發(fā)電機轉動發(fā)電，將水的機械能轉化為電能。?（2）（B）址處水的落差較大，水奔流下來具有的機械能較大，可以將更多的機械能轉化為電能。故選擇（B）址建設水電站要好一些?！窘馕觥?水電站是利用水的機械能來發(fā)電的。水庫與水電站之間的落差越大，水奔流下來具有的機械能較大，便可以將更多的機械能轉化為電能。?實驗清單1.實驗探究：動能和重力勢能的相互轉化；2.實驗探究：動能和彈性勢能的相互轉化實驗、探究1動能和重力勢能的相互轉化實驗探究：動能和重力勢能的相互轉化單擺實驗滾擺實驗圖示現(xiàn)象將小球拉至A點釋放，小球加速擺向B點，然后擺向C點，速度越來越小，到C點的速度為零，之后再經過B點回到A點，不斷往復（因為有空氣阻力，實際上不能回到A點）捻動滾擺的軸，使?jié)L擺上升至某一高度后松開，滾擺開始旋轉下降，轉速越來越大，到最低點后，開始纏繞懸線上升，轉速逐漸變小，最終再次上升到原來的高度，之后再次下降，不斷重復（因為有空氣阻力，滾擺不能回答原來的高度）能量轉化情況分析單擺的運動可分為上升段和下降段。其動能和重力勢能轉化情況見下表。運動階段高度重力勢能速度動能能的轉化下降段A→BC→B降低減小變大增大重力勢能轉化為動能上升段B→AB→C升高增大變小減小動能轉化為重力勢能滾擺的運動也可分為上升段和下降段。其動能和重力勢能轉化情況見下表。運動階段高度重力勢能速度動能能的轉化下降段降低減小變大增大重力勢能轉化為動能上升段升高增大變小減小動能轉化為重力勢能探究歸納在一定條件下，動能和重力勢能可以互相轉化。【典例3】2020年11月24日，探月工程嫦娥五號探測器成功發(fā)射，探測器在加速上升過程中（）。A.動能不變，勢能增大 B.動能增大，勢能增大C.動能不變，勢能不變 D.動能增大，勢能不變【答案】B?！窘馕觥刻綔y器在加速上升過程中，探測器的質量不變，速度增大，動能增大；?探測器在加速上升過程中，探測器的質量不變，高度增大，重力勢能增大，探測器沒有發(fā)生彈性形變，不具有彈性勢能，故勢能增大；?所以探測器在加速上升過程中，動能增大，勢能增大，故B正確，ACD錯誤。?故選：B。?實驗、探究2動能和彈性勢能的相互轉化實驗探究：動能和彈性勢能的相互轉化【進行實驗】一個木球以一定的速度v0撞到彈簧片上?！痉治稣撟C】探究過程球的速度球的動能彈簧片形變程度彈簧片的彈性勢能能的轉化木球壓彎彈簧片不斷減小，直至為零不斷減小，直至為零由小變大不斷增大動能轉化為彈性勢能彈簧片把木球彈回由零不斷增大由零不斷增大由大變小不斷減小，直至為零彈性勢能轉化為動能【歸納總結】在一定條件下，動能和彈性勢能可以互相轉化?！锾貏e提醒動能和彈性勢能的之間的轉化，可以發(fā)生在同一物體上，也可以發(fā)生在不同物體之間。例如，由高處落下的籃球在撞擊地面發(fā)生了彈性形變過程中，球的動能轉化為自身的彈性勢能；球在恢復原狀的過程中，球的彈性勢能轉化為自身的動能，動能和彈性勢能在一個物體上相互轉化。運動員進行蹦床表演時，運動員的動能和蹦床的彈性勢能在兩個物體間相互轉化。方法清單1.對機械能守恒的理解；2.機械能守恒與圖像結合題型一：對機械能守恒的理解★解題指導：判斷機械能是否守恒的關鍵（1）從能量角度：若整個過程只有動能和勢能的相互轉化，沒有其他形式的能參與轉化，則機械能守恒；（2）從受力角度：若物體只受重力、彈力作用，而沒有其他力的作用，則可認為機械能守恒?！镜淅?】如圖所示，2021年6月17日搭載聶海勝、劉伯明和湯洪波三名航天員的神舟十二號飛船加速升空時的情景，下列說法正確的是（）。A．火箭的重力勢能變大，動能變大，機械能不變；B．火箭的重力勢能變大，動能減小，機械能不變；C．火箭的重力勢能變大，動能變大，機械能變大；D．火箭的重力勢能變大，動能減小，機械能減小【答案】C?！窘馕觥緼BCD．物體的動能與物體的運動速度和質量有關：速度越大、質量越大，動能就越大?；鸺铀偕仙龝r，質量不變，速度變大，所以動能變大；物體的重力勢能與物體的高度和質量有關：高度越高、質量越大，重力勢能越大。火箭升空，質量不變，高度變大，重力勢能變大。物體的機械能等于動能與勢能之和，動能和勢能都變大，所以機械能變大。故ABD錯誤，C正確。故選C。題型二：機械能守恒與圖像結合【典例5】如圖a、b為豎直向上拋出的小石塊在上升過程中動能和重力勢能隨高度變化的圖線（不計阻力），其中______是動能-高度關系圖線，小石塊上升到5m時的機械能為______J。【答案】a；4.【解析】拋出的小石塊在上升過程中，受豎直向下重力的作用，則小石塊上升的速度越來越小，當小石塊的質量一定時，速度減小，小石塊的動能減小，由圖可知，圖線a是小石塊動能-高度關系圖線；在只有動能和勢能轉化過程中，機械能總量保持不變，由于小石塊的機械能總量E=2J+2J=4J，即當小石塊上升至5m時，小石塊的機械能為4J。?答：a；4。?易錯清單1.動能和重力勢能的轉化；2.動能和彈性勢能的轉化；3.動能、重力勢能和彈性勢能之間的轉化★易錯預警1：動能和重力勢能的轉化看到下落，學生就容易習慣性的認為重力勢能轉化為動能，當當物體勻速下落時，速度不變，物體的動能不變，此時重力勢能沒有轉化為動能?！镜淅?】跳水運動是奧運會的正式比賽項目，我國運動員在該項目上一直處于國際領先地位。比賽中，跳水運動員騰空跳起向上運動到最高點后再向下落人水中，若不計空氣阻力，在整個空中運動過程中，運動員的（）。A.動能先減小后增大，重力勢能先增大后減?。籅.動能先增大后減小，重力勢能先增大后減小；C.動能先減小后增大，重力勢能先減小后增大；D.動能先增大后減小，重力勢能先減小后增大【答案】A?！窘馕觥浚?）不計空氣阻力，機械能守恒；?（2）跳水運動員從騰空跳起向上運動后再向下落入水中，整個過程質量不變，高度先增大后減小，重力勢能先增大后減小；?（3）跳水運動員從騰空跳起向上運動后再向下落入水中，質量不變，速度先減小再增大，所以動能先減小后增大。?故選：A。?★易錯預警2：動能和彈性勢能的轉化解答此類問題的關鍵是確定哪個階段物體做加速運動，哪個階段小球做減速運動。（1）加速運動時：彈性勢能轉化為動能；（2）減速運動時：動能轉化為彈性勢能?！镜淅?】如圖，彈簧的左端固定，右端連接一個小球，把它們套在光滑的水平桿上，a是壓縮彈簧后小球靜止釋放的位置，b是彈簧原長時小球的位置，c是小球到達最右端的位置。則小球從a運動到c的過程中，在______（選填“a”、“b”或“c”）位置動能最大；從b到c的過程中，小球的動能轉化為彈簧的______，小球從a運動到b的過程機械能總量______（選填“變大”、“變小”或“不變”）。【答案】b；彈性勢能；不變?！窘馕觥縖1][2][3]由題意可知，小球從a運動到b的過程中，彈簧的形變程度減小，其彈性勢能減小，小球的速度變大，動能變大，彈簧的彈性勢能轉化為小球的動能，而小球的重力勢能不變，水平桿是光滑的，整個過程不需要克服摩擦做功，所以機械能總量不變；到達b點時，彈簧恢復原狀，不計摩擦阻力，其彈性勢能全部轉化為小球的動能；再從b運動到c時，彈簧被拉伸，小球的動能再逐漸轉化為彈簧的彈性勢能，小球的動能會變小。因此，在b點時小球的動能最大?！镆族e預警3：動能、重力勢能和彈性勢能之間的轉化不計空氣阻力時，物體的機械能守恒。在分析動能、重力勢能和彈性勢能之間的轉化時，根據(jù)物體運動情況，可以把物體的運動的整個過程進行分段。考慮每段運動過程中，物體運動速度的變化情況，物體的形變情況，即可分析重力勢能和彈性勢能的變化規(guī)律，以及動能與重力勢能和彈性勢能之間的轉化。【典例8】如圖甲所示，輕彈簧豎直固定在水平面上，時刻，將一重為G的金屬小球從彈簧正上方某一髙度處靜止釋放，小球落到彈簧上壓縮彈簧到最低點，然后被彈簧彈起，上升到一定高度后再下落，如此反復，通過安裝在彈簧下端的壓力傳感器，測出這一過程彈簧彈力F隨時間t變化的圖象如圖乙所示，則（）。A．時刻小球的動能最大；B．時刻小球的重力勢能最大；C．時刻小球的機械能等于時刻小球的機械能；D．從開始下落到第一次到達最低點，小球內能的增加量小于這兩個時刻小球機械能的減少量【答案】D?！窘馕觥緼B．t1時刻小球剛與彈簧接觸，與彈簧接觸后，開始一段時間內彈力小于重力，則小球仍然向下做加速運動，其動能變大，剛釋