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第十章 机械能及其转化
第一节 动 能
一、能量
1.定义:物体能够对外 ,表示这个物体具有能量,简称能。
2.单位: ,符号是J。
二、动能
1.定义:物体由于 而具有的能。
做功
焦耳
运动
2.影响因素:动能大小与物体的 和 有关。质量相同的物体,运动的 越大,它的动能越大;运动速度相同的物体, 越大,它的动能也越大。
[注意] 探究动能大小时,通常利用转换法,即用木块被小球推出距离的远近表示动能大小。
质量
运动速度
速度
质量
能量
[典例1]关于能的概念,下列说法正确的是( )
A.一个物体能够做功,就说这个物体具有能
B.一个物体已做过的功越多,说明这个物体具有的能越多
C.一个物体做了功,说明这个物体具有能
D.用线悬挂着的小球,没有做功,所以没有能
A
(1)能量是描述物体做功本领的物理量,是一个状态量,只要物体具有做功的本领就具有能量。
(2)“能够对外做功”指的是物体不一定正在做功,不一定非得做功,有对外做功的本领就行。
[针对训练1]下列关于能量的说法中,不正确的是( )
A.挂在树上的苹果,没有做功,所以不具有能量
B.拉弯的弓把箭射得很远,弓具有能量
C.高空坠物会砸伤人,坠物具有能量
D.台风把大树连根拔起,台风具有能量
A
动能的大小
[典例2]如图所示是“探究物体动能的大小与什么因素有关”的实验装置示意图。
速度
(1)该实验装置要探究的是物体动能的大小与物体 的关系。(物体A、B质量不变)
(2)该实验中所探究物体的动能是指物体 (选填“A”或“B”)的动能。
(3)该实验物体动能的大小是通过 来反映的。
A
物体B移动的距离s
解析:(1)动能的大小与物体的质量和速度都有关系,因为物体A的质量不变,速度通过物体A滚落时的高度来改变,所以是探究物体动能的大小与速度的关系。(2)实验的主体是物体A,探究的是物体A动能的大小与速度的关系。(3)该实验中物体A动能的大小是通过物体B移动的距离体现的,B被撞得越远,说明物体A的动能越大,被撞得越近,说明物体A的动能越小,这里采用了转换法的思想。
(4)该实验物体的速度是指物体A从斜面上由静止滚下与物体B即将碰撞时的速度,它是通过改变 (选填“高度”或“质量”)来改变的。
(5)实验表明,同一物体A从斜面高处滚下,高度越大,物体B被撞得越远,可得结论: 。
(6)若要探究物体动能与质量的关系,则需不同质量的物体从斜面
高度由静止滚下,并观察记录。
高度
当物体的质量相同时,物体的速度越大,动能越大
同一
解析:(4)物体的速度是指物体A从斜面上由静止滚下与物体B碰撞时的速度,速度的大小是通过控制物体A在斜面上的高度改变的。(5)同一物体A从斜面高处滚下,高度越大,物体B被撞得越远,说明动能越大,可得结论:当物体的质量相同时,物体的速度越大,动能越大。(6)为了研究物体动能与物体质量的关系,实验中需多次让不同质量的物体从斜面同一高度由静止滚下,控制物体的速度相同,改变物体的质量。
(1)实验中应用了控制变量法。让同一个小球从不同的高度滚下,小球到达水平面时的速度不同,这是控制质量相同,来探究动能与速度的关系;换用质量不同的小球,让它们从同一高度滚下,这是控制速度相同,探究动能与质量的关系。
(2)实验中应用了转换法。利用小球推动物块做功,通过物块被推动的距离大小判断小球动能的大小。
[针对训练2] 在“探究物体动能的大小与哪些因素有关”的实验中,让同一铁球从斜面不同高度由静止释放,撞击同一木块(如图所示),下列说法正确的是( )
A.本实验研究的是木块的动能与它的质量、速度的关系
B.在探究动能与速度的关系时,要选择两个质量不同的铁球,让铁球从相同的高度滚下,以不同的速度推动木块移动
C.在探究动能与物体质量的关系时,要保持铁球的质量不变,并让它们分别从同一斜面的不同高度滚下
D.实验中通过观察木块移动的距离来比较动能的大小
D
[针对训练3] 如图所示,乐乐将外形相同的实心铝球和铜球(ρ铝< ρ铜)随机标记为A、B。将A、B分别从同一斜面的相同高度由静止释放,撞击静止在同一水平面上、相同位置的正方体木块,发现A将木块撞得更远。这说明 球滚到斜面底端时的动能小, 是铜球。(均选填“A”或“B”)
B
A
解析:由题可知两实心球的体积相同,而ρ铝<ρ铜,根据公式m=ρV可知m铝1.在向太空发射航天器时,一般都顺着地球自转方向发射,这主要是为了利用航天器在发射前随地球转动而具有的( )
A.动能 B.重力势能
C.内能 D.弹性势能
2.如图所示是高速公路上的交通标志牌,汽车在行驶过程中,不允许超过最大限制速度。从物理角度看,这样做的目的是减小汽车的( )
A.重力 B.惯性
C.动能 D.功率
A
C
3.如图所示是物体在空中飞行过程中动能Ek随时间t变化的曲线,运动的物体可能是( )
A.由静止下落的乒乓球
B.竖直向上垫起的排球
C.从地面斜向上踢出的足球
D.从肩上斜向上投掷出去的铅球
D
4.小明用如图所示装置探究动能大小与速度的关系,下列说法正确的是( )
A.实验研究对象是木块
B.水平表面必须光滑
C.让不同的小车从斜面同一高度由静止释放
D.让同一小车从斜面的不同高度由静止释放
D
5.甲、乙两质量相同的人,同时从同一起跑线出发,同向做匀速直线运动,某时刻他们的位置如图所示,此时甲的动能 (选填“大于”“等于”或“小于”)乙的动能,跑到终点时,甲不能马上停下 来,是因为
。
小于
甲具有惯性,仍要保持原来的运动状态,所以不能马上停
止运动
6.如图所示是用来“探究动能大小跟哪些因素有关”的实验装置图。
在质量一定时,速度
(1)分析比较实验甲与实验乙,可得出结论: .
。实验中被控制的物理量是 。
越大,动能越大
质量
(2)分析比较实验乙与实验丙,可得出结论: _
。实验中被控制的物理量是 。
(3)实验结果表明,物体的动能大小与物体的 和 有关, 越大, 越大,动能就越大。
在速度一定时,质量越大,
动能越大
速度
质量
运动速度
质量
速度
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第四节 水能和风能
水能和风能
1.特点:自然界的流水和风都是具有大量 能的天然资源。
2.利用:人们利用水的 和风的 来发电。
[注意] 流动的水、空气既具有动能又具有重力势能,所以水能、风能是天然的机械能。在叙述水流、风具有什么能量时,应叙述为具有机械能,不能单纯叙述为具有动能。
机械
重力势能
动能
水能的利用
[典例1]核电站一旦开始发电,就不能随意停下来。而电网白天用电多,深夜用电少。为使核电站稳定工作和充分利用能源,抽水蓄能电站的电动水泵深夜将山下水库的水抽到山顶水库,消耗的电能为E1;白天再把昨晚所抽的水放出,推动水轮机发电,得到的电能为E2。则下列说法正确的是( )
D
A.水能是不可再生能源
B.水轮发电机将电能转化为机械能
C.抽水时消耗的电能全部转化为水的机械能
D.E2[针对训练1]建水电站时要让水轮机产生出较大的功率,在流量一定的条件下,需要水流有较大的流速,而河流流速一般都不很大,因此就要在河中选择合适的地方修水坝。这是利用了 能转化为 能的道理。
重力势
动
解析:水从大坝流下来,水的重力势能转化成动能,水推动水轮机发 电,水的动能转化成电能,水的落差越大,转化成的电能越多。
风能的利用
[典例2]新疆达坂城风电厂是中国的大型风电厂。
(1)风力发电厂发电时,将 能转化为 能。
(2)风力发电与传统的火力发电相比,优点是 _
。
风(机械)
电
节约能源,清洁、无污
染,保护环境等(答出一点即可)
解析:(1)风力发电厂发电时,是将风的机械能转化为电能。(2)风能是自然界常见的能源,风力发电与传统的火力发电相比,节约能源,且无污染,保护环境。
[针对训练2] 如图所示是“风能太阳能互补”节能灯装置,利用风能和太阳能为节能灯供电;它“头顶”小风扇,“肩扛”太阳能电池 板,“腰插”蓄电池。关于该节能灯装置的设计解释,合理的是( )
A.太阳能电池板将电能转化成太阳能
B.小风扇是用来给太阳能电池板散热的
C.太阳能电池板同时向小风扇和节能灯供电
D.节能灯工作时主要是将电能转化成光能
D
1.强热带风暴经过的地区,风力达到7～9级,并伴有暴雨,持续的狂风暴雨把一些行道树连根拔起,这主要是因为热带风暴具有较大的 ( )
A.机械能 B.内能
C.重力势能 D.弹性势能
A
2.关于风能,下列说法错误的是( )
A.风能不污染环境
B.风能不便于储存
C.风能很稳定
D.风能利用起来很简单
C
3.唐诗中有“黄河远上白云间”“不尽长江滚滚来”的诗句,从物理学的角度来看,前一句生动形象地表明黄河水存储着大量的 _ 能,后一句表明长江水具有大量的 能。风吹着帆船航行,说明风具有 能;急流能把石头冲走,说明水具有 能。
重力势
动
动
动
4.如图所示是长江三峡水力发电示意图,图中表示出了水力发电站能量转化的过程。请为图中A、B、C、D各方框分别选填一个合适的词组(填词组的序号)。可供选择的词组有:①电能;②势能;③化学能;④动能。
②
A: ;B: ;C: ;D: 。
④
④
①
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第三节 机械能及其转化
一、动能和势能的相互转化
1.滚摆下降时,它的重力势能越来越 ,动能越来越 ,
能转化为 能。
2.滚摆上升时,它的动能越来越 ,重力势能越来越 , 能转化为 能。
二、机械能
1.定义: 与 之和称为机械能。
小
大
重力势
动
小
大
动
重力势
动能
势能
2.机械能守恒:如果只有动能和势能相互转化,机械能的总和 。或者说,在只有动能和势能相互转化时,机械能是 的。
[注意] 机械能守恒是有条件的,若考虑摩擦等阻力,机械能的总量就会变少,这是因为机械能转化成了其他形式的能,如落地的乒乓球越跳越低,最后静止在地面上,机械能的总量减少了。
不变
守恒
动能和势能的相互转化
[典例1]如图所示,运动中物体的弹性势能转化为动能的是( )
B
A.子弹射出枪膛 B.发条带动指针
C.流星从天而降 D.秋千荡向高处
[针对训练1] 2022年4月16日上午9点56分中国载人航天飞船“神舟十三号”返回舱在东风着陆场完美着陆。如图所示,返回舱在空中加速下落时的能量转化情况是( )
A.动能转化为重力势能,动能减小
B.动能转化为重力势能,重力势能增加
C.重力势能转化为动能,动能增加
D.无能量的转化,重力势能和动能不变
C
[针对训练2]如图所示,金属块从斜面顶端自由滑到底端,再在水平桌面上压缩轻质弹簧。当金属块压缩弹簧时, 能转化为 能,金属块被弹簧弹开后, (选填“能”或“不能”)到达斜面顶端。
动
弹性势
不能
解析:当金属块压缩弹簧时,弹簧发生形变,质量不变,是动能转化为弹性势能。金属块被弹簧弹开后,金属块从斜面底端上升,由于摩擦力的存在,动能不能全部转化为重力势能,金属块不能到达斜面顶端。
机械能及其守恒
[典例2]关于机械能,下列表述正确的是( )
B
A.火箭加速升空的过程中机械能守恒
B.人造卫星在地球同步轨道上运行过程中机械能守恒
C.过山车从轨道最高点到最低点的过程中机械能守恒
D.拉开的弓将箭射出去的过程中机械能守恒
判断机械能是否守恒的方法
(1)注意动能和势能转化过程中是否有能量的损失和补充——如果除重力和弹力外没有其他力做功,则动能和势能转化过程中机械能守恒。
(2)题目中如果有“沿光滑斜面运动”等字样,则表示没有能量损失,机械能守恒;如果有“沿斜面匀速下滑”等字样,则表示有能量损失,机械能不守恒。
[针对训练3] 如图所示,一根质量不计的弹簧,上端固定,下端挂一个小球,小球静止时距地面高度为h,现用力向下拉小球使其与地面接触,然后从静止释放小球,不计空气阻力,且弹簧始终在弹性限度内,下列说法错误的是( )
A.小球上升到最高点时受力方向竖直向下
B.小球上升到距离地面高度为h时,速度最大
C.小球上升过程中,整个系统的势能不断增大
D.小球运动过程中,整个系统的机械能守恒
C
[针对训练4] 如图所示,滚摆从一定高度释放后,反复地上升和下降,其每次上升的最大高度都在逐渐减小,最终停止运动。在下降过程中,滚摆的动能逐渐 。滚摆每次上升的最大重力势能逐渐 。从放开滚摆到停止运动过程中,机械能 (选填“守恒”或“不守恒”)。
增大
减小
不守恒
解析:滚摆在下降过程中,重力势能逐渐转化为动能,动能增大,重力势能减小。滚摆每次上升过程中质量不变,上升的最大高度不断减小,重力势能不断减小。从放开滚摆到停止运动过程中,由于滚摆和空气之间存在摩擦,机械能要转化为内能,机械能减小,所以机械能不守恒。
1.下列诗句没有涉及动能、势能或动能和势能相互转化的是( )
A.飞流直下三千尺 B.疑是银河落九天
C.唯见长江天际流 D.两岸猿声啼不住
D
2.在无风的环境中雨滴的降落可简化为两个过程,先加速竖直降落,后匀速竖直降落,雨滴(忽略质量变化)在( )
A.加速降落过程中只受重力作用
B.加速降落过程中机械能逐渐增大
C.加速降落过程中减少的重力势能一部分转化为动能
D.匀速降落过程中机械能保持不变
C
3.如图所示是足球落地后又弹起的示意图,分析可知,足球( )
A.在B点时受力平衡
B.在B点时,若所受力全部消失,将静止不动
C.在A、D两点动能可能相等
D.在运动过程中,只存在动能和势能的相互转化
C
4.如图所示,旅游景区的索道缆车载着游客匀速上山,它具有的动 能 ,重力势能 (前两空均选填“增大”“不变”或“减小”),机械能 (选填“守恒”或“不守恒”)。
不变
增大
不守恒
5.小华把一个铁锁用绳子悬挂起来,将铁锁拉到自己的鼻子附近,稳定后松手,铁锁向前摆去,如图所示。铁锁摆回时 (选填“会”或“不会”)打到他的鼻子。如果铁锁在摆动的过程中不受阻力,它的机械能总量 (选填“增加”“不变”或“减少”)。
不会
不变
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第二节 势 能
一、重力势能
1.概念:物体由于 所决定的能。
2.影响因素:物体的重力势能与其 和被举高的 有关;高度相同的物体, 越大,它的重力势能越大;质量相同的物体,
越高,它的重力势能越大。
二、弹性势能
1.概念:物体由于发生 而具有的能。
高度
质量
高度
质量
高度
弹性形变
2.影响因素:物体的 越大,它具有的弹性势能就越大。
三、势能
势能和 势能统称为势能。
[注意] 探究势能大小时,通常利用转换法,即用木桩陷入沙中的深度表示重力势能大小。
弹性形变
重力
弹性
重力势能及其影响因素
[典例1] (2023武进区模拟)在探究“重力势能的大小与哪些因素有关”的实验中,已知重物A、B、C的底面积相同,质量关系为mA=mB(1)让重物自由下落打击在木桩上,通过观察木桩陷入沙中的深度判断 (选填“重物”或“木桩”)的重力势能大小,这种研究方法是 (选填“控制变量法”或“转换法”)。
(2)比较 两个重物将木桩打入沙中的深度,可判断重力势能的大小和高度的关系,得出的结论是在 一定时,物体的高度越 ,重力势能越大。
(3)结合(2)中的实验结论,通过比较B和C两个重物将木桩打入沙中的深度,我们 (选填“能”或“不能”)得出物体的重力势能与其质量有关的结论。
重物
转换法
A、B
质量
高
能
[针对训练1] 在探究重力势能与哪些因素有关时,小明将A、B、C三个钢球从不同高度自由释放(小球质量mA>mB>mC,下落高度hA=hBA.该实验采用了转换法,用沙面凹陷程度来反映重力势能大小
B.对比A、B两次撞击,可知物体的质量越大,重力势能越大
C.对比B、C两次撞击,可知物体被举得越高,重力势能越大
D.对比A、C两次撞击,要得出结论不符合控制变量的科学方法
C
[针对训练2] 如图所示,青蛙从跳起到落地的过程中,它的重力势能 ( )
A.一直增大 B.一直减小
C.先减小后增大 D.先增大后减小
D
弹性势能及其影响因素
[典例2]在探究弹性势能的大小跟哪些因素有关时,小明提出了如下猜想。
猜想一:弹性势能的大小与弹簧被压缩的程度有关;
猜想二:弹性势能的大小与弹簧的材料有关。
(1)为验证猜想一,他设计了如图所示的实验,(小球质量大于木块的质量)实验时将同一弹簧压缩不同的长度(弹簧被压缩后未超过其弹性限度),将小球置于弹簧的右端,松开后小球撞击同一位置的相同木块,分析比较 ,从而得出弹性势能大小。
(2)为验证猜想二,需选用长度和粗细相同, 不同的两根弹簧,实验时将两根弹簧压缩 (选填“相同”或“不同”)的长 度,将小球置于弹簧的右端,松开后小球撞击同一位置的相同木块,对数据进行比较分析时,若 ,说明弹性势能的大小与弹簧的材料有关。
木块被推动距离的远近
材料
相同
木块被推动的距离不相等
解析:(1)探究弹性势能的大小与弹簧被压缩的程度有关,要改变弹簧的弹性形变大小,因此要将同一个弹簧压缩不同的长度;运用转换法,观察木块被推动距离的远近来比较弹性势能的大小。(2)为验证猜想二,需选用长度和粗细相同、材料不同的两根弹簧,实验时将两根弹簧压缩相同的长度,将小球置于弹簧的右端,松开后小球撞击同一位置的相同木块,对数据进行比较分析时,若木块被推动的距离不相等,说明弹性势能的大小与弹簧的材料有关。
(3)若水平面绝对光滑,则 (选填“能”或“不能”)完成本实验。
不能
解析:(3)若水平面绝对光滑,木块就会做匀速直线运动,无法通过比较木块移动距离的远近来判定弹性势能的大小。
[针对训练3] 上紧发条的玩具车在水平桌面上由静止开始运动所需的能量来源于( )
A.重力势能 B.电能
C.弹性势能 D.动能
[针对训练4] 下列关于弹性势能的说法正确的是( )
A.当弹簧变长时,它的弹性势能一定增大
B.弹性势能的大小跟使弹簧发生形变的物体有关
C.弹性势能的大小与弹簧原来的长度有关
D.同一根弹簧,在压缩和伸长相同长度时(均在弹性限度内)弹性势能的大小是相等的
C
D
1.下列物体具有弹性势能的是( )
A.被举高的重锤
B.正在爬坡的汽车
C.空中飞翔的鸟
D.被卷紧的钟表的发条
D
2.运动员投向篮筐的篮球,在空中飞行时( )
A.只具有动能
B.只具有重力势能
C.既有动能,也有重力势能
D.既无动能,也无重力势能
C
3.(2023顺义区月考)(多选题)掷出去的球在空中的运动轨迹如图所示,a点是掷出点,b点是球运动的最高点,d点是球落地点,球最终停在水平地面e点,其中a、c两点高度相同,不计空气阻力。关于此过程,下列说法正确的是( )
A.球在a点重力势能最小
B.球在e点动能为零
C.球在a、c两点的重力势能相等
D.球在b、c两点的动能相等
BC
4.如图所示,打桩机打桩时重锤被拉起又下落,打在桩面上,如果要把桩打得深些,可以采用的方法是(1) ; (2) 。
增加重锤的质量
提高重锤的高度
5.物体G和弹簧相连固定于墙壁上,当物体处于位置B处弹簧没有形 变,用力将其拉至C处,松手后物体从C点出发在CA之间往返运动并最终停留在某处,停留时弹簧弹性势能为0。则:
(1)由C到B时,弹簧的弹性势能 (选填“不变”“增大”或“减小”)。
(2)物体在CA之间运动过程中,物体动能最大的点位于 (选填“B点”“AB之间”或“BC之间”)。
(3)物体最终停留在 (选填“B点”“AB之间”或“BC之间”)。
减小
BC之间
B点
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