2024年中考物理一轮复习考点梳理学案 第22讲　机械能及其转化（含答案）

第22讲　机械能及其转化
命题分析　
广东省近五年中考物理命题分析
考点 2023 2022 2021 2020 2019
动能和势能的相互转化 ___ 省题14 ___ ___ 省题8
机械能守恒条件 ___ ___ 省题10 ___ ___
机械能和其他形式能量的相互转化 省题23 ___ ___ 省题6 省题9
【课程标准】
3．2.1　知道动能、势能和机械能。通过实验，了解动能和势能的相互转化。举例说明机械能和其他形式能量的相互转化。
例1　定性说明荡秋千过程中动能和势能的相互转化。
例2　分析《天工开物》中汲水装置工作时能量的相互转化。
考点一　动能和势能
1．能量：物体能够对外做功，我们就说这个物体具有能量。
2．动能：物体由于运动而具有的能，动能的大小与物体的质量和速度有关。
3．重力势能：物体由于受到重力并处在一定高度时所具有的能，重力势能的大小与物体的质量和所处高度有关。
4．弹性势能：物体由于发生弹性形变而具有的能，弹性势能的大小与物体的弹性形变有关。
(1)正在做功的物体一定具有能量。(　√　)
(2)洒水车在水平路面上工作时，动能和重力势能都不变。(　×　)
(3)弹簧只有发生弹性形变时才具有弹性势能。(　√　)
(4)高处的物体具有的重力势能一定大于低处物体具有的重力势能。(　×　)
(5)物体做功的过程就是能量转化的过程。(　√　)
例1　(2019·广东)如图所示，用细线系住小球悬挂在O点，将小球拉至A点释放，从A点经过B点运动到C点的过程中，小球的重力势能先变小后________，动能先________后________。(均选填“变大”“变小”或“不变”)
分析　(1)动能的影响因素是物体的质量和速度，质量越大，速度越大，动能越大。
(2)重力势能的影响因素是物体的质量和所处高度，质量越大，高度越高，重力势能越大。
(3)通过分析小球在A、B、C三个点的速度变化确定其动能的变化，通过分析小球在A、B、C三个点的高度变化确定其重力势能的变化。
答案　变大　变大　变小
例2　(2020·深圳改编)2020年6月30日，北斗三号最后一颗全球组网卫星成功定点地球同步轨道。对卫星在加速上升的过程中能量的变化，说法正确的是(　　)
A．动能增大，势能不变 B．动能增大，势能增大
C．动能不变，势能增大 D．动能减小，势能增大
答案　B
解析　本题的关键词是“加速上升”。“加速”表明卫星的速度增大，动能增大。“上升”表明卫星所处的高度增大，重力势能增大。故选B。
考点二　机械能的转化和守恒
1．机械能：动能、重力势能和弹性势能统称为机械能。
2．相互转化：重力势能动能弹性势能
3．机械能守恒：如果只有动能和势能相互转化，机械能的总和不变，或者说机械能是守恒的。
(1)天舟六号货运飞船加速上升过程中动能转化为重力势能。(　×　)
(2)人骑自行车下坡的过程中，速度越来越大，动能增大，机械能一定增大。(　×　)
(3)由于太空中没有空气阻力，所以“中国空间站”的动能和势能相互转化过程中机械能是守恒的。(　√　)
例3　(2023·成都)2023年5月10日在文昌航天发射场，搭载“天舟六号”货运飞船的长征七号遥七运载火箭发射升空，如图所示。在火箭加速升空过程中，下列说法正确的是(　　)
A．“天舟六号”货运飞船的重力势能增大
B．“天舟六号”货运飞船的动能保持不变
C．“天舟六号”货运飞船的机械能不变
D．“天舟六号”货运飞船的动能转化为重力势能
答案　A
解析　“天舟六号”货运飞船随着火箭加速升空过程中，质量不变，速度增大，则动能增大；高度增大，则重力势能增大，所以机械能增大，燃料燃烧产生的内能转化为机械能，故选A。
例4　(2019·深圳)如图，弧形轨道ab段光滑，bc段粗糙，小球从a点经最低点b运动至c点。下列分析正确的是(　　)
A．从a到b的过程中，小球动能转化为重力势能
B．经过b点时，小球动能最大
C．从b到c的过程中，小球动能增大
D．从a到c的过程中，小球机械能守恒
分析　判断是哪种能量转化成了另一种能量的标准是：减小的转化为增多的。
答案　B
例5　(2020·广州)球竖直向上运动，并落回地面，这个过程中先后经过M、S两点。球在这两点的动能和重力势能如图所示，则球在M点的(　　)
A．速度比在S点的大
B．机械能大于在S点的
C．机械能等于在S点的
D．离地高度比在S点的低
分析　(1)物体克服摩擦做功，机械能会转化为内能，机械能减小；
(2)机械能等于动能和势能之和，物体不发生弹性形变时，机械能等于动能和重力势能之和。
答案　B
名师点拨　(1)分析机械能转化的步骤：明确研究对象→根据物体速度、高度、质量的变化情况分析此过程能的变化→分析能的转化(减小的能转化为增大的能)。 (2)机械能守恒：物体的动能和势能在相互转化的过程中，如果机械能没有与其他形式的能之间发生转化，即只有动能和势能的转化，机械能的总量保持不变，若考虑摩擦等阻力，机械能的总量变小，因为部分机械能转化成其他形式的能。
实验　探究物体的动能跟哪些因素有关
实验器材　两个质量不同、大小相同的钢球、木块、斜面、刻度尺等。
实验装置　
实验方法　(1)转换法：通过钢球推动木块运动的距离远近来反映钢球动能的大小。推动木块运动的距离越远，钢球的动能越大。
(2)控制变量法：
①探究动能大小与速度的关系：要保持质量不变，即让同一钢球从斜面上的不同高度由静止释放。
②探究动能大小与质量的关系：要保持速度不变，即让不同钢球从斜面上的同一高度由静止释放。
实验结论　质量相同的物体，运动的速度越大，它的动能越大；运动速度相同的物体，质量越大，它的动能越大。
交流与反思：(1)用钢球在斜面的释放高度来控制钢球运动到斜面底部时的速度大小，释放钢球的高度越高，运动到斜面底部时的速度越大。
(2)钢球在水平面上不能立即停下来，是因为钢球具有惯性；木块在水平面上最终会停下来，是因为受到摩擦力的作用。
(3)钢球从斜面上由静止开始滚下，重力势能转化为动能和内能；钢球推动木块在水平面上滑行，机械能转化为内能。
(4)为防止木块被撞击后滑出木板，应换用质量更大的木块、质量较小的钢球或较长的木板。
(5)生活中的应用：严禁超速、超载。
例6　某兴趣小组的同学认为车祸的危害程度与汽车的动能大小有关，于是他们进行了如下探究。
[猜想与假设]
由“十次车祸九次快”可猜想：物体的动能可能跟________有关；
由“安全驾驶莫超载”可猜想：物体的动能可能跟________有关。
[设计与进行实验]
他们用钢球模拟汽车做了如图所示的实验(H＞h，M＞m)。
(1)实验中是通过观察________________________来判断钢球的动能大小。
(2)让同一钢球从斜面的不同高度由静止开始滚下，目的是探究钢球的动能大小与________的关系。
(3)换用质量不同的钢球从斜面的相同高度由静止开始滚下，目的是探究钢球的动能大小与______的关系。
[分析论证]
(4)甲、乙两图探究的是物体的动能与________的关系，得出的结论是：__________________。此结论可解释汽车________(选填“超速”或“超载”)带来的危害。
(5)(教材素材设问)由乙、丙两图可以得出的结论是：当速度一定时，物体的________越大，动能越大。由此联想到某段道路的标志牌显示“80”和“100”字样，________(选填“大型客车”或“小型客车”)的限速应该是80 km/h。
[交流与评估]
(6)(科学方法)根据甲、丙两图，________(选填“能”或“不能”)得出物体的动能大小与质量的关系，理由是________________________________________。
(7)若在探究动能与速度的关系时，木块被撞击后移动的距离差异较小，实验现象不明显，为确保实验有较明显的现象，可行的操作是：________________________。(合理即可)
(8)在甲、乙两次实验中木块移动时受到的摩擦力分别为f1、f2，则f1________f2，克服摩擦力做的功W1________W2。(均选填“>”“＝”或“<”)
(9)(力热综合)木块最终会停下来的主要原因是________________________，在此过程中木块通过________方式把动能转化为内能。
(10)(力学综合)本实验装置的水平面如果绝对光滑，还能得出结论吗？________，原因是________________________________________________________________。
[创新设问]
(11)(装置创新)如图丁所示，摆线长L相同，小球A、B的质量mA(12)(情境创新)如图戊所示，调节平板呈不同角度，重现伽利略斜面实验，不考虑底部转折处的能量损失，下列最符合实际的是________。
答案　速度　质量　(1)木块被推动距离的大小　(2)速度　(3)质量　(4)速度　当质量一定时，物体的速度越大，动能越大　超速　(5)质量　大型客车　(6)不能　没有控制钢球撞击木块时的速度相同　(7)增大钢球下滑的高度　(8)＝　＞　(9)受到摩擦力的作用　做功　(10)不能　木块将做匀速直线运动，无法停下来，无法判断动能的大小　(11)不可以　没有控制小球下落的高度相同　(12)B
考点一　动能和势能
1．(2023·邵阳)毛主席在《沁园春·雪》一词中写道：“一代天骄，成吉思汗，只识弯弓射大雕。”对于“弯弓”的过程中所蕴含的物理知识，下列理解正确的是(　　)
A．“弯弓”发生的是塑性形变 B．“弯弓”说明力可以改变物体的运动状态
C．“弯弓”的过程中弓的弹性势能增大 D．“弯弓”的过程中弓的机械能不变
答案　C
解析　“弯弓”发生的是弹性形变，故A错误；“弯弓”说明力可以改变物体的形状，故B错误；“弯弓”的过程中弓的弹性形变越来越大，故弹性势能增大，故C正确；“弯弓”的过程中弓的机械能变大，故D错误。
2.(生活情境)两个完全相同的篮球，表面涂黑，从不同的高度自由下落至同一地面，在地面上留下如图所示的黑色圆斑，下列判断正确的是(　　)
A．落在甲处的初始重力势能大 B．落在乙处的篮球弹性势能小
C．落在乙处的篮球初始高度大 D．落在甲处的篮球重力做功多
答案　C
解析　由题图可看出，乙的黑色圆斑较大，说明篮球着地时的弹性势能大，而篮球的弹性势能是由篮球的重力势能转化来的，所以乙处篮球的初始重力势能大，所处的高度大。故选C。
3.(跨学科素材)如图所示为潮州市凤凰山的一部分等高线图，某登山运动员从A点到达B点的过程，运动员的重力势能________(选填“变大”“变小”或“不变”)。
答案　变大
解析　根据地理课所学等高线知识可知，B点海拔1 450 m，A点海拔850 m，即B点比A点高，根据重力势能与高度的关系可知运动员的重力势能变大。
考点二　机械能的转化和守恒
4.(教材素材)如图所示，将铁锁从鼻尖处由静止释放，若人不动，铁锁摆回时______(选填“会”或“不会”)碰到自己的鼻子。铁锁从左边最高处摆到最低处的过程中，动能________(选填“变大”“不变”或“变小”)，当铁锁运动到最低处，绳突然断开，假设所有力都消失，铁锁将________________________________。
答案　不会　变大　沿水平方向做匀速直线运动
5．(2022·广东)图甲中过山车从A点出发，先后经过B、C、D、E点。图乙是过山车在B、C、D、E点的动能和重力势能大小的示意图，则过山车的动能在________点最大，B点重力势能的大小________E点动能的大小。在这个过程中，过山车的机械能是________(选填“变化”或“不变”)的。
答案　C　等于　变化
解析　由题图乙可知，过山车的动能在C点最大，在B点最小；B点的重力势能大小与E点的动能大小相等。由于机械能等于动能和势能的总和，由题图乙可知，从B到C点、再到D点、最后到达E点的过程中，重力势能与动能之和越来越小，所以在这个过程中，过山车的机械能是变化的。
6.(2022·广州)如图，小芳设想利用升降台让球越弹越高。将球从M点竖直向下以某一速度抛出，球经静止在位置a的水平台面反弹后，到达的最高点为N；经台面反弹后上升过程中，球的动能________(选填“增大”“不变”或“减小”)，N点________(选填“可能”或“不可能”)比M点高。球从N点下落时，水平台面已升至合适的位置b并保持静止，球再次经台面反弹后，到达的最高点P________(选填“可能”或“不可能”)比N点高。
答案　减小　可能　不可能
解析　将球从M点竖直向下以某一速度抛出，此时球具有的机械能为动能和重力势能之和，球经静止在位置a的台面反弹后，在上升过程，球的速度减小，球的动能减小，球在运动过程中要克服阻力做功，所以球的机械能减小，若克服阻力做功小于最开始的动能，到达的最高点N点比M点高，若克服阻力做功大于最开始的动能，到达的最高点N点比M点低，若克服阻力做功等于最开始的动能，到达的最高点N点与M点一样高；球从N点下降时，台面已升至合适的位置b并保持静止，球再次经台面反弹后，由于小球在运动过程中要克服阻力做功，小球的机械能减小，到达的最高点P比N点低。
7.(生活情境)弹跳杆运动是一项广受欢迎的运动。其结构如图甲所示，图乙是小金玩弹跳杆时由最低位置上升到最高位置的过程，其中b是弹簧处在原长的状态。在玩弹跳杆过程中，小金在________(选填“b前某”“b”或“b后某”)时具有的动能最大；在b→c的过程中，____________转化成小金的重力势能。
答案　b前某　小金的动能
8.(2022·深圳改编)如图为冬奥会男子滑雪过程，空气阻力不计，下列说法错误的是(　　)
A．①到②，重力势能全部转化为动能
B．③时只受到重力作用
C．④到⑤，停下来是因为摩擦力的作用
D．②到③，动能减少，重力势能增加
答案　A
解析　滑雪过程中，由于高度变化，重力势能和动能相互转化，但由于需要克服摩擦力做功，机械能会转化为内能，机械能减小，最终会停下来，故A错误，C、D正确；③位置在空中，空气阻力不计，地面附近的物体都受到重力的作用，故B正确。
9.(2023·烟台)跳水运动中蕴含着许多物理知识，如图所示，有关跳板跳水过程中能量变化的说法正确的是(　　)
A．运动员用力下压跳板的过程中，跳板的弹性势能减小
B．运动员被跳板向上弹起的过程中，重力势能减小
C．运动员离开跳板向上运动的过程中，动能减小
D．运动员从最高点下落的过程中，机械能增大
答案　C
解析　运动员用力下压跳板的过程中，跳板的弹性形变程度变大，弹性势能增大，故A错误；运动员被跳板向上弹起的过程中，运动员的质量不变，高度变大，重力势能增大，故B错误；运动员离开跳板向上运动的过程中，质量不变，速度变小，动能减小，故C正确；运动员从最高点下落的过程中，若考虑空气阻力的作用，一部分机械能转化为内能，使得机械能减小，若不考虑空气阻力的作用，机械能不变，故D错误。
10．跳伞运动员从足够高的悬停直升机上跳下，其下落过程简化为竖直向下的直线运动(图甲)。运动员从O位置由静止开始加速运动到A位置，立即打开降落伞(开伞后人和伞所受空气阻力突然增大且大于总重力)，在B位置安全着地。若下落过程中空气阻力随速度的增大而增大，请在图乙中画出运动员从O位置到B位置(刚好触地)这一过程中，动能Ek随位置S变化关系的大致图象。
答案　
解析　运动员从O位置由静止开始加速运动到A位置，开始时的速度为0，动能为0；下落的过程中，运动员的质量不变，速度变大，动能变大，A位置的速度最大，动能最大，由于阻力增大，降低同样高度时克服阻力做功变多，所以动能的增加量变小，曲线上凸；打开降落伞后，由于空气的阻力大于重力，运动员向下做减速运动，动能逐渐变小；当空气的阻力等于运动员和伞的总重力时，运动员做匀速直线运动，速度不变，动能不变；到B位置时，速度为0，动能为0；动能Ek随位置S变化关系的大致图象如答图所示。
11．(创新实验)回顾有关“机械能”的几个小实验，请完成下列三个小题。
(1)如图甲所示，木块从高处自由下落时将小桌的脚打入沙子中。要将小桌的脚打入沙子中更深些，应选用质量较________(选填“大”或“小”)的木块，并使其从更________(选填“高”或“低”)处下落。
(2)如图乙所示，橡皮筋两头分别固定在罐子的顶部和底部，中间系一个钩码，就制成了一个“魔罐”。当将“魔罐”在水平地面上滚出后，你将看到“魔罐”________(选填“一直向远处滚”或“来回滚动”)。它能自动滚回来是________能转化为________能。
(3)如图丙所示，是小明制作的“会跳的卡片”，用手把它平压在桌面上，使橡皮筋伸长，迅速松手后，卡片就会弹跳起来。图中，A为外表面，B为内表面，实验时应把________(选填“A”或“B”)面紧贴桌面。小明还利用相同的橡皮筋做了图a、b中的两张卡片，实验时________(选填“a”或“b”)图中卡片可以弹跳得更高一些。
答案　(1)大　高　(2)来回滚动　弹性势　动　(3)B　a
解析　(1)要将小桌的脚打入沙子中更深一些，则需要增大重力势能，影响重力势能的因素是质量和高度，且物体质量越大、位置越高，物体具有的重力势能就越大，所以应选用质量较大的木块，并使其从更高处下落。
(2)“魔罐”在开始滚动的时候具有动能，滚动的过程中，罐子的动能转化为橡皮筋的弹性势能，当动能为0时，弹性势能最大，“魔罐”开始向回滚动，在“魔罐”滚回来的过程中，橡皮筋的弹性势能减小，罐子的动能增大，即它能滚回来是弹性势能转化为动能。
(3)要利用橡皮筋的弹性势能，只有把橡皮筋拉开才会有弹性势能，所以要把卡片B面按平后放在水平面上，然后松开，松开后，橡皮筋的弹性势能转化为卡片的动能，所以卡片能跳起来。
弹性势能的大小与物体发生弹性形变的程度有关，a橡皮筋的弹性形变程度更大一些，所以它能够转化的动能更多，跳得更高。
12．(综合能力)2021年，高空坠物列入刑法。某日，小区楼下的轿车被高空落下的玻璃瓶砸出一个窟窿。警方根据小区监控，推算：玻璃瓶砸中车时速度约为24 m/s。请根据框图，从能量转换角度寻找肇事者大致楼层。(玻璃瓶由静止下落，下落过程中不计空气阻力)
―→―→―→
(1)Ⅰ推导Ⅱ的依据是：当物体质量一定时，物体________越大，动能越大。
(2)玻璃瓶下落过程中，________能转化为________能是通过重力________实现的。
(3)Ⅲ推导Ⅳ的依据是：当物体质量一定时，物体________越高，重力势能越大。
(4)分析表一和表二的数据及相关条件推算出肇事者大致在________层。
表一：
速度/(m·s－1) 动能/J
12 7.2
16 12.8
20 20
24 28.8
28 39.2
表二：
重力势能/J 楼层/层
13 5
19 7
25 9
31 11
36 13
答案　(1)速度　(2)重力势　动　做功　(3)所处高度　(4)10
解析　(1)Ⅰ推导Ⅱ的依据是：当玻璃瓶质量一定时，速度越大，动能越大，因此知道玻璃瓶砸中车时的动能。
(2)玻璃瓶下落过程中，重力势能转化为动能是通过重力做功实现的，动能在增大。
(3)Ⅲ推导Ⅳ的依据是：质量相等时，物体所处高度越高，重力势能越大，知道重力势能大小，可以反推物体所处高度。
(4)分析表一可知：玻璃瓶砸中车时的动能为28.8 J，重力势能转化为动能，因此可知重力势能约为28.8 J，分析表二的数据及相关条件推算出肇事者大致在10层。