11.4 机械能及其转化
(一)教学目标
1、知识与技能
通过对滚摆实验的分析，理解动能和重力势能的相互转化。
通过引导学生举例并解释一些有关动能和重力势能、弹性势能相互转化的简单物理现象，理解动能和势能可以相互转化。
2、过程与方法
培养学生运用能的转化知识分析有关物理现象的转化。
培养学生从能量观点分析问题的意识。
3、情感与价值观
通过阅读“科学世界”人造地球卫星，结合我国航天事业的发展，对学生进行爱国主义教育。
(二)教学重难点
1、重点：正确引导学生进行实验，得出动能和势能可以相互转化的结论。
2、难点：组织、指导学生认真观察滚摆实验并进行分析、归纳，领会机械能守恒的条件。
(三)教学准备
滚摆，棉线，铁锁，人造卫星挂图。
(四)教学过程
1．复习
手持粉笔头高高举起。以此事例提问：被举高的粉笔具不具有能量？为什么？
2．引入新课
学生回答提问后，再引导学生分析粉笔头下落的过程。首先提出，当粉笔头下落路过某一点时，粉笔头具有什么能量？（此时既有重力势能，又有动能）继而让学生比较在该位置和起始位置，粉笔头的重力势能和动能各有什么变化？（重力势能减少，动能增加）
3．进行新课
在粉笔头下落的过程，重力势能和动能都有变化，自然界中动能和势能变化的事例很多，下面我们共同观察滚摆的运动，并思考动能和势能的变化。
实验1：滚摆实验。
图14.5-1，出示滚摆，并简单介绍滚摆的构造及实验的做法。事先应在摆轮的侧面某处涂上鲜明的颜色标志，告诉学生观察颜色标志，可以判断摆轮转动的快慢。
引导学生复述并分析实验中观察到的现象。开始释放摆轮时，摆轮在最高点静止，此时摆轮只有重力势能，没有动能。摆轮下降时其高度降低，重力势能减少；摆轮旋转着下降；而且越转越快，其动能越来越大。摆轮到最低点时，转动最快，动能最大；其高度最低，重力势能最小。在摆轮下降的过程中，其重力势能逐渐转化为动能。
仿照摆轮下降过程的分析，得出摆轮上升过程中，摆轮的动能逐渐转化为重力势能。
“想想做做”用铁锁做单摆。
此实验摆绳宜长些，摆球宜重些。最好能挂在天花板上，使单摆在黑板前，平行于黑板振动，以便在黑板上记录摆球运动路线中左、右最高点和最低点的位置。分析单摆实验时，摆球高度的变化比较直观，而判断摆球速度大小的变化比较困难，可以从摆球在最高点前后运动方向不同，分析摆球运动到最高点时的速度为零，作为这一难点的突破口。
综述实验，说明动能和重力势能是可以相互转化的。
实验2：弹性势能和动能的相互转化。
演示能和弹性势能的转化实验。实验可分两步做。首先手持着木球将弹簧片推弯，而后突然释放木球，木球在弹簧片的作用下在水平槽内运动。让学生分析在此过程中，弹性势能转化为动能。第二步实验，让木球从斜槽上端滚下，让学生观察木球碰击弹簧片的过程。然后，分析动能转化为弹性势能和弹性势能转化为动能的过程。得出：动能和弹性势能也是可以相互转化的。
自然界中动能和势能相互转化的事例很多。其中有一些比较直观，例如：物体从高处落下、瀑布流水等这些事例也可以让学生列举，说明动能和势能的相互转化。有些事例比较复杂，例如：踢出去的足球在空中沿一条曲线（抛物线）运动过程中，动能和势能是如何相互转化的呢？（板画足球轨迹，依图分析）首先我们来分析足球离地面的高度的变化，这是判断足球重力势能变化的依据。很明显，在上升过程中足球的重力势能增加；在下降过程中重力势能减少。接着再分析足球的速度。足球在最高点时不再上升，说明它向上不能再运动。所以，足球在上升过程中，速度逐渐变小；在下降过程中速度又逐渐变大。通过以上分析，可以看到足球在上升阶段动能转化为重力势能；在下降阶段重力势能转化为动能。
4．科学世界
1．人造地球卫星在运行过程中，也发生动能和重力势能的相互转化。人造地球卫星大家并不陌生，然而围绕人造卫星，同学们还有许多的谜没有揭开。例如：人造卫星为什么能绕地球运转而不落下来？在人造卫星内失重是怎么回事？等等，这些问题还有待于同学们进一步学习，今天我们只讨论卫星运行过程中，动能和重力势能的相互转化。
人造卫星绕地球沿椭圆轨道运行，它的位置离地球有时近、有时远。（出示我国发射的第一颗人造卫星轨道图）现以我国发射的第一颗人造卫星为例，它离地球最近时（此处叫近地点）离地面439公里，离地球最远时（此处叫远地点）离地面高度是2384公里，它绕地球一周的时间是114分钟。它在近地点时，速度最大，动能最大；此时离地面最近，重力势能最小。卫星由近地点向远地点运行时动能减小，重力势能增大，动能向重力势能转化。直到远地点时，动能最小，重力势能最大。卫星由远地点向近地点运行时，重力势能向动能转化。在卫星运行过程中，不断地有动能和势能的相互转化。
2．关于人造卫星的知识，学生是非常感兴趣的，鉴于学生的知识基础，难以使学生揭开谜底，往往由此而损伤学生的求知欲。本节课如有可能，也可通俗地介绍卫星为什么能绕地球运行。讲法上可用想象推理的方法。
参看图1，水平地抛出一个物体，由于地球的吸引，它会落回地面，但是抛出的物体速度越快，它飞行的距离越远。人抛物体，抛出的距离不过几十米，但汽枪子弹能飞行几百米，步枪子弹能飞行几千米，而炮弹能飞行几十公里。我们可以设想，物体的速度足够大时，它就能永远不落回地面，围绕地球旋转。这个速度大约是8公里/秒。如果速度再大些，物体绕地球运行的轨道就由圆形变为椭圆形。人造卫星就是根据这个道理发射的。
(五)小结
(六)作业
动手动脑学物理
11.4 机械能及其转化 同步练习
1.如图所示的四个实例中,机械能减小的是 ( )
【解析】选C。本题考查机械能的变化。匀速水平飞行的飞艇,速度不变,所以动能不变,高度不变,所以重力势能不变,故机械能不变,A项错误;加速起飞的飞机,速度变大,动能增大,高度升高,重力势能增加,故机械能增大,B项错误;减速下降的热气球,速度减小,动能减小,高度降低,重力势能减小,故机械能减小,C项正确;等待发射的火箭,速度为零,故动能为零,所处的位置不变,故重力势能不变,则机械能保持不变,D项错误。故选C。
2.跳伞运动员在空中匀速下落的过程中( )
A.动能一定增大
B.机械能一定不变
C.重力势能一定减小
D.机械能一定增加
【解析】选C。本题考查机械能及其转化。跳伞运动员在空中匀速下落时,速度不变,质量不变,所以动能不变。但其高度减小,所以其重力势能减小,机械能减小。综上所述,故选C。
3.如图是老师在课堂上进行的滚摆演示实验示意图,下列说法不正确的是 ( )
A.滚摆运动过程中,机械能守恒
B.滚摆向下运动时,重力势能部分转化为动能
C.滚摆向上运动时,动能部分转化为重力势能
D.滚摆上升的最大高度逐渐降低
【解析】选A。本题主要考查机械能的转化和守恒。滚摆是动能和重力势能相互转化的一个很重要的实验。它旋转向上运动时,动能部分转化为重力势能;旋转向下运动时,重力势能部分转化为动能。由于摩擦,总的机械能并不守恒,有一部分机械能转化为内能。故A说法错误。
4.下列物体在运动过程中,动能转化为势能的是 ( )
A.汽车沿斜坡向下运动
B.汽车在水平公路上匀速行驶
C.投篮时,篮球向下运动过程中
D.荡秋千时,秋千上升过程中
【解析】选D。本题考查动能和势能的转化。汽车沿斜坡向下运动时,高度降低,重力势能减少,速度加快,动能增大,所以是重力势能转化为动能,A项错误;汽车在水平路面上匀速行驶的过程,速度不变,动能不变,高度不变,重力势能不变,B项错误;投篮时,篮球向下运动过程中,速度增大,动能增大,高度减小,重力势能减小,重力势能转化成动能,C项错误;荡秋千时,秋千上升过程中,速度减小,动能减小,相对高度增大,重力势能增大,动能转化为重力势能,D项正确。故选D。
5.为捍卫祖国海疆,人民解放军某航空兵大队在南海上空举行了多次实兵实战对抗演习。在演习过程中,一空中加油机给某歼-10战机进行空中加油,加油后若该歼-10战机仍以原来的高度和速度匀速飞行,则该战机的动能 ,机械能 。(选填“增大”“减小”或“不变”)
【解析】本题考查机械能大小的判断。加油机给战机加油后,战机的质量增大,而物体的动能与物体的质量和运动速度有关,该战机仍匀速飞行,其速度大小不变,故它的动能增大,战机的飞行高度不变,重力势能增大;而机械能是动能和势能的总和,故机械能增大。
答案:增大 增大
6.巴西世界杯足球赛正在火热地进行中。如图是某球员传球时足球的一段运动轨迹,其中A点的重力势能 (选填“大于”“小于”或“等于”)B点的重力势能。若不计空气阻力,足球在下落的过程中,重力势能转化为 能。
【解析】本题考查势能大小的比较;动能和势能的转化与守恒。由题图可见A点的高度小于B点的高度,球的质量不变,因此A点重力势能小于B点的重力势能;足球在下落过程中,高度减小,重力势能减小,速度增大,动能增大,因此由重力势能转化为动能。
答案:小于 动
7.新疆达坂城风电厂是中国第一个大型发电厂,也是亚洲最大的风力发电站。
(1)风力发电机发电时是 能转化为 能。
(2)风力发电与传统的火力发电相比,它的优点是什么?
(3)除了风力发电外,请你再说出一种具有上述优点的发电方式。
【解析】本题考查风力发电的相关知识。(1)风力发电机发电时,是利用风力将发电机里的转子转动具有的机械能转化成电能;(2)风能是自然界里的常见能源,对环境无污染,所以风力发电与传统的火力发电相比,会节约能源、清洁、无污染、可再生、保护环境等;(3)自然界中像风能一样的能源,还有水能、太阳能、核能、潮汐能、地热能等;所以发电方式还有:水力发电(太阳能发电、核能发电、潮汐发电、地热发电等)。
答案:(1)风(或机械) 电
(2)节约能源、清洁、无污染、可再生、保护环境等
(3)水力发电(太阳能发电、核能发电、潮汐发电、地热发电等)
【一点通】找找你容易错在哪里
“神舟十号”载人飞船的返回舱下落到地面附近时,由于受到阻力而做减速运动,在减速下降的过程中,返回舱的动能 ① ,重力势能 ② 。(选填“增大”“减小”或“不变”)
【学生自答】
①增大 ②减小
【教师点评】
没有从题目中看到关键词“减速下降”,错误地认为下降过程中速度越来越大,从而判断错误。
【正确答案】
减小 减小
