機(jī)械能及其轉(zhuǎn)化 2024-2025學(xué)年人教版物理八年級(jí)下學(xué)期

11.4機(jī)械能及其轉(zhuǎn)化同學(xué)們有體驗(yàn)過(guò)這些項(xiàng)目嗎？嘗試說(shuō)一下，在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中動(dòng)能和勢(shì)能是怎樣變化的。把一個(gè)鐵鎖用繩子懸掛起來(lái)，將鐵鎖拉到你的鼻子附近，穩(wěn)定后松手，鐵鎖向前擺去(圖11.4-1)你認(rèn)為鐵鎖擺回時(shí)會(huì)打到你的鼻子嗎?圖11.4-1擺動(dòng)的鐵鎖松手后，鐵鎖離你而去，且速度的大小不斷變化，到達(dá)左側(cè)最高點(diǎn)后，鐵鎖又向你運(yùn)動(dòng)，接近你的鼻子之后，又會(huì)離你而去，循環(huán)往復(fù)。在這個(gè)過(guò)程中，鐵鎖的運(yùn)動(dòng)快慢在變化，說(shuō)明動(dòng)能在發(fā)生變化。同時(shí)，鐵鎖的高度也在變化，說(shuō)明鐵鎖的重力勢(shì)能也在發(fā)生變化。圖11.4-1擺動(dòng)的鐵鎖但鐵鎖并不會(huì)碰到你的鼻子，這是什么原因呢?機(jī)械能及其轉(zhuǎn)化在物理學(xué)中，把動(dòng)能、重力勢(shì)能和彈性勢(shì)能統(tǒng)稱為機(jī)械能(mechanicalenergy)。例如，飛行中的飛機(jī)為它在運(yùn)動(dòng)而具有動(dòng)能，又因?yàn)樗幱诟呖斩哂兄亓?shì)能，把這兩種能量加在一起，就可以得到它的總機(jī)械能。一個(gè)蘋(píng)果從高處下落，高度變小了，它的重力勢(shì)能變小了；另外，蘋(píng)果的速度越來(lái)越大，說(shuō)明蘋(píng)果的動(dòng)能變大了。這說(shuō)明，蘋(píng)果的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化成了它的動(dòng)能。圖11.4-2蹦床運(yùn)動(dòng)彎弓射箭時(shí)，弓的彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化成了箭的動(dòng)能；蹦床運(yùn)動(dòng)員從高處落下(圖11.4-2)，在與蹦床床面將要接觸時(shí)，具有一定的動(dòng)能，與蹦床床面接觸后，床面發(fā)生彈性形變，運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成蹦床的彈性勢(shì)能。也就是說(shuō)，動(dòng)能和勢(shì)能可以相互轉(zhuǎn)化。1.觀察滾擺的運(yùn)動(dòng)(圖11.4-3甲)，討論滾擺在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中動(dòng)能和勢(shì)能是如何轉(zhuǎn)化的。甲滾擺的運(yùn)動(dòng)在圖11.4-3甲中，滾擺下降時(shí)，它的重力勢(shì)能越來(lái)越小，動(dòng)能越來(lái)越大，重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。滾擺上升時(shí)，它的動(dòng)能越來(lái)越小，重力勢(shì)能越來(lái)越大，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能。2.如圖11.4-3乙所示，分析小球在擺動(dòng)過(guò)程中動(dòng)能和勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化。乙小球從A點(diǎn)擺動(dòng)到C點(diǎn)在圖11.4-3乙中，小球從A點(diǎn)下落到B點(diǎn)，重力勢(shì)能逐漸轉(zhuǎn)化成動(dòng)能，到最低點(diǎn)B時(shí)動(dòng)能最大，之后又從B點(diǎn)上升到C點(diǎn)，動(dòng)能逐漸轉(zhuǎn)化成重力勢(shì)能。大量研究結(jié)果表明，如果只有動(dòng)能和勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化，盡管動(dòng)能、勢(shì)能的大小會(huì)變化，但動(dòng)能和勢(shì)能的總和不變，或者說(shuō)，機(jī)械能是守恒的。圖11.4-1擺動(dòng)的鐵鎖節(jié)前“問(wèn)題”欄目中，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中鐵鎖的動(dòng)能和重力勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化，但它們的總和不變(忽略空氣阻力)。所以，鐵鎖在擺回時(shí)，不會(huì)打到鼻子。水能和風(fēng)能的利用地球上，海水朝夕漲落，江河日夜奔騰；有時(shí)微風(fēng)拂面，有時(shí)狂風(fēng)勁吹。從能量的角度看，自然界的流水和風(fēng)都是具有大量機(jī)械能的天然資源。我們的祖先很早就開(kāi)始利用水能和風(fēng)能了。讓水流沖擊水輪轉(zhuǎn)動(dòng)，用來(lái)汲水、磨粉；靠風(fēng)力鼓起帆來(lái)推動(dòng)船航行。到19世紀(jì)人類開(kāi)始利用水能發(fā)電。圖11.4-4水電站剖面圖人們修筑攔河壩來(lái)提高上游的水位，在壩底安裝水輪機(jī)。將發(fā)電機(jī)裝在水輪機(jī)的上面，并把它們的軸連接在一起，由水輪機(jī)帶

動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電(圖11.4-4)。一定量的水，上、下水位差越

大水的重力勢(shì)能

越大，能發(fā)出的

電就越多。風(fēng)能也可以用來(lái)發(fā)電，風(fēng)吹動(dòng)風(fēng)車，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。在風(fēng)力資源豐富的地區(qū)，可以同時(shí)安裝幾十臺(tái)到幾百臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，組成“風(fēng)車田”，聯(lián)網(wǎng)供電。抽水蓄能電站在生產(chǎn)生活中，人們用電的情況時(shí)常會(huì)發(fā)生變化。有時(shí)電力系統(tǒng)發(fā)出的電無(wú)法得到使用，電網(wǎng)又沒(méi)辦法儲(chǔ)存，既造成大量的浪費(fèi)，又影響供電系統(tǒng)的安全。如圖11.4-5所示，抽水蓄能電站建有上、下兩座水庫(kù)，兩座水庫(kù)互通，水流雙向運(yùn)行。抽水蓄能電站利用電力負(fù)荷低谷時(shí)的電能抽水至上水庫(kù)，在電力負(fù)荷高峰期再放水至下水庫(kù)，進(jìn)行發(fā)電。圖11.4-5天荒坪抽水蓄能電站這樣的抽水蓄能電站可以提升電力系統(tǒng)的靈活調(diào)節(jié)能力，具有調(diào)峰、填谷、儲(chǔ)能等功能，能提高電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，為實(shí)現(xiàn)新能源安全可靠替代傳統(tǒng)能源、推動(dòng)綠色低碳發(fā)展提供條件。因此，抽水蓄能電站也被稱為“超級(jí)充電寶”。當(dāng)前，我國(guó)抽水蓄能電站技術(shù)已處于世界先進(jìn)水平。截至2022年年底，已建的抽水蓄能電站總裝機(jī)容量為4579萬(wàn)千瓦，居世界首位。?某同學(xué)蕩秋千時(shí)，在他從高處擺向低處的過(guò)程中，其動(dòng)能和重力勢(shì)能是如何變化的?在他從低處擺向高處的過(guò)程中，其動(dòng)能和重力勢(shì)能是如何變化的?從高處擺向低處：動(dòng)能增大，重力勢(shì)能減小；從低處擺向高處：動(dòng)能減小，重力勢(shì)能增大。?跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)中，運(yùn)動(dòng)員從助滑開(kāi)始，直到下落至著陸坡的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中經(jīng)過(guò)了各個(gè)不同的位置，如圖11.4-6所示。請(qǐng)分析運(yùn)動(dòng)員在這個(gè)過(guò)程中各階段的能量轉(zhuǎn)化情況(不考慮摩擦和空氣阻力)。圖11.4-6A

到B：重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能；B到C：動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能；C到D：重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能；因不考慮摩擦和空氣陽(yáng)力，整個(gè)過(guò)程中，機(jī)械能保持不變。?怎樣向地板拋乒乓球，才能使它彈跳到高于原來(lái)拋球的位置?說(shuō)明這種拋法的理由。用力向下拋出乒乓球，使球拋出時(shí)具有一定的動(dòng)能，根據(jù)機(jī)械能守恒，球彈跳到最高點(diǎn)時(shí)的重力勢(shì)能等于球拋出時(shí)的動(dòng)能與重力勢(shì)能之和，這樣就能使球彈跳到高于原來(lái)拋球的位置。?在一個(gè)罐子的蓋和底各開(kāi)兩個(gè)小洞。將小鐵塊用細(xì)繩綁在橡皮筋的中部穿入罐中，橡皮筋兩端穿過(guò)小洞用竹簽固定(圖11.4-7)。做好后將它從不太陡的斜面滾下。觀察有什么出人意料的現(xiàn)象。怎樣解釋看到的現(xiàn)象?圖11.4-7罐子滾下斜面后會(huì)再沿斜面向上滾動(dòng)。開(kāi)始時(shí)，罐子和鐵塊在重力作用下都將沿斜面向下運(yùn)動(dòng)。向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，罐子滾動(dòng)，鐵塊沿斜面向下做直線運(yùn)動(dòng)且相對(duì)罐子靜止。由于罐子和橡皮筋捆綁在一起，在罐子和鐵塊的共同作用下，橡皮筋會(huì)被卷緊，它的彈性勢(shì)能持續(xù)增加。當(dāng)橡皮筋卷緊到一定程度時(shí)，整個(gè)裝置的運(yùn)動(dòng)速度將會(huì)減小。當(dāng)罐子和鐵塊的動(dòng)能和重力勢(shì)能全部轉(zhuǎn)化為橡皮筋的彈性勢(shì)能后，整個(gè)裝置的速度減為零，此后，橡皮筋要恢復(fù)原狀，其彈性勢(shì)能會(huì)轉(zhuǎn)化為罐子和鐵塊的動(dòng)能和重力勢(shì)能，所以罐子會(huì)再沿斜面向上滾動(dòng)。1.(牡丹江中考)如圖所示的情景中，屬于動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能的是()D2.(2024·成都中考)2023年7月28日，第31屆世界大學(xué)生夏季運(yùn)動(dòng)會(huì)在成都隆重開(kāi)幕。如圖所示是我國(guó)運(yùn)動(dòng)健兒在跳高比賽中的場(chǎng)景。關(guān)于跳高運(yùn)動(dòng)員的能量，下列結(jié)論正確的是()A.助跑過(guò)程中，動(dòng)能保持不變B.助跑過(guò)程中，機(jī)械能總量保持不變C.起跳后的上升過(guò)程中，重力勢(shì)能增大D.越過(guò)橫桿后的下降過(guò)程中，動(dòng)能保持不變C3.(2023·北京中考)如圖所示，人們修筑攔河壩來(lái)提高上游的水位，在壩底安裝水輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。上游一定量的水，經(jīng)水輪機(jī)流到下游的過(guò)程中，下列說(shuō)法正確的是()A.水的機(jī)械能不變B.水的重力勢(shì)能增大，動(dòng)能減小C.水輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能D.上游水位越高，能夠發(fā)出的電能越多D?請(qǐng)判斷下列事例中人是否對(duì)物體做功，并說(shuō)明理由。(1)踢出去的足球在草地上滾動(dòng)。(2)水平拉著行李箱在平路上行走。不做功，原因是人對(duì)足球沒(méi)有力的作用。做功，原因是有力作用在行李箱上，且行李箱在力的方向上移動(dòng)了距離。(3)推桌子未推動(dòng)。(4)將杠鈴從地面舉起。不做功，原因是桌子沒(méi)有在推力的方向上移動(dòng)距離。做功，原因是人對(duì)杠鈴向上施力，杠鈴在力的方向上移動(dòng)了距離。?如圖11-1所示，小孩用40N的力水平推著大人和冰車前進(jìn)10m后松手，冰車又滑行了2m后停下。小孩對(duì)大人和冰車做了多少功?圖11-1小孩對(duì)大人和冰車做的功為：W＝Fs＝40N×10m＝400J。?在2022年世界舉重錦標(biāo)賽中，我國(guó)選手以171kg的抓舉成績(jī)獲得金牌。如果該選手在整個(gè)抓舉過(guò)程中，平均用1710N的力抓起杠鈴，使杠鈴升高1.0m，隨后站起，又使杠鈴繼續(xù)升高0.8m，那么該選手在抓舉過(guò)程中對(duì)杠鈴做了多少功?舉重選手對(duì)杠鈴做的功：W＝F(h1＋h2)＝1710N×(1.0m＋0.8m)＝3078J.?某同學(xué)住在11樓，他在1樓乘電梯回家。電梯運(yùn)行20s直接到達(dá)11樓。假設(shè)電梯勻速運(yùn)行，每層樓高3m，該同學(xué)重600N，在搭乘電梯的過(guò)程中，電梯對(duì)他做功的功率是多少?

?在居民小區(qū)我們?？吹揭恍?biāo)志，如圖11-2所示。這些標(biāo)志的含義是什么?試著從能量的角度說(shuō)明設(shè)置這些標(biāo)志的物理意義。圖11-2題圖甲：限速5km/h，如果速度越大，則汽車的動(dòng)能就越大，遇到緊急情況時(shí)，汽車越不容易停下來(lái)。題圖乙：拒絕高空拋物，在高空的物體，具有很大的重力勢(shì)能，落下來(lái)時(shí)，重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，很容易傷到行人。圖11-2?物體的質(zhì)量和速度都能影響物體的動(dòng)能。一頭質(zhì)量為300kg的黃牛以1m/s的速度行走時(shí)，它的動(dòng)能為150J；另一頭質(zhì)量為400kg的黃牛以同樣的速度行走時(shí)，它的動(dòng)能為200J。一顆質(zhì)量為10g的步槍子彈從槍口射出時(shí)的速度為860m/s，動(dòng)能為3698J；飛行一段距離后速度變?yōu)?30m/s，動(dòng)能變?yōu)?985J。請(qǐng)你根據(jù)以上數(shù)據(jù)，想一想，質(zhì)量與速度相比，哪個(gè)因素對(duì)物體的動(dòng)能影響更大?并說(shuō)明猜想的根據(jù)。速度對(duì)動(dòng)能影響較大。理由：黃牛的質(zhì)量是子彈的30000倍，但速度較小，此時(shí)動(dòng)能并不大，且質(zhì)量變化時(shí)，動(dòng)能變化不大；飛行的子彈質(zhì)量很小，但速度很大，約是行走黃牛的860倍，動(dòng)能卻大很多，子彈速度下降后，動(dòng)能變化較大，?撐竿跳高一般要經(jīng)歷持竿助跑、撐竿起跳、越桿下落