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第7章 第1节
基础夯实
1．在下列事例中，哪些属于动能和势能相互转化、而动能和势能的总和是保持不变的( )
A．游乐园中的海盗船，如果没有摩擦和空气阻力，船在摇摆过程中的运动
B．在不计空气阻力的情况下，将一小球竖直上抛，小球从抛出点到落回抛出点的运动过程
C．物体以一定的速度沿粗糙的固定斜面上滑而达到一定的高度
D．自行车从斜坡顶端由静止滑下
答案：AB
解析：在没有摩擦和空气阻力的条件下，海盗船在摆动时势能和动能相互转化，每次摇摆都能达到相同的高度，总能量保持不变．在不计空气阻力的情况下，小球竖直上抛的运动是动能转变为势能、势能又转变为动能的过程，总能量保持不变；物体沿粗糙斜面运动和自行车沿斜坡下滑，是动能和势能相互转化，但动能和势能的总和减小，因为摩擦，物体会消耗一部分机械能．
2．唐朝诗人杜甫的《登高》中有这样两句诗：“无边落木萧萧下，不尽长江滚滚来”．从物理学的角度来说，“落木萧萧下”的过程是________能转化为________能；而“滚滚来”的长江水蕴含丰富的________能．
答案：势 动 动
3．从高处落下一个球，与地相碰后又被弹回到原高处．球从下落到着地时间内，______能转化为________；球从离开地面到升回到原处，________能转化为________．
答案：重力势能 动能 动能 重力势能
4．如图所示，滚摆在上下转动时，能量如何转化？能的总量是否保持不变？
答案：滚摆向上转动时，动能转化为重力势能，向下转动时，重力势能转化为动能．若不计空气阻力，机械能总量保持不变．
5．一物体沿某一斜面匀速下滑，在下滑过程中，动能不变，势能减小，因而能量不守恒，这种说法正确吗？为什么？
答案：物体下滑时，受到摩擦力，产生热量．机械能转化为内能，总能量守恒．因而这种说法不正确．
6．现代生活离不开电能，水电资源是中国现有能源中惟一可以大规模开发的可再生能源(如图所示)．在水利发电过程中，能量是如何转化的？
答案：在水力发电过程中，利用水位落差，先把重力势能转化为发电机电枢的动能，再把动能转化为电能．
7．打夯时，夯锤高高举起又落下，砸在工作面上(如图所示)，请你说说打夯的过程中发生了哪些能量的转化？
答案：人把夯举高消耗体内的化学能使夯具有重力势能，下落时夯的速度越来越大，势能转化为动能，落地时动能又转化成内能等其他形式的能．
能力提升
1．在如图所示的实验中，小球每次从光滑斜面的左端A自由滑下，每次都能到达右端与A等高的B点．关于其原因，下列说法中正确的是( )
A．是因为小球总是记得自己的高度
B．是因为小球在运动过程中，始终保持能量守恒
C．是因为小球在运动过程中，始终保持势能守恒
D．是因为小球在运动过程中，始终保持动能守恒
答案：B
解析：小球在运动过程中守恒的“东西”是能量．
2．鸽子和麻雀在空中飞行，如果它们具有的动能相等，那么________；如果它们具有的势能相等，那么________．(选项填空)( )
A．鸽子比麻雀飞得快
B．麻雀比鸽子飞得快
C．鸽子比麻雀飞得高
D．麻雀比鸽子飞得高
答案：BD
3．下面的物体中，只具有动能的是( )，只具有势能的是( )，既具有动能又具有势能的是( )．(以地面为参考平面)
A．停在地面上的汽车
B．在空中飞行的飞机
C．被起重机吊在空中静止的货物
D．压缩的弹簧
E．正在水平铁轨上行驶的火车
答案：E CD B
答 题 卡
题号 1 2 3
答案 B B D E CD B
4.下列过程中有什么样的能量转化？
A．放爆竹时，爆竹腾空飞起．__________________________________________________
B．冬天人们在阳光下取暖．__________________________________________________
C．用煤气灶烧水．___________________________________________________
D．反复弯折的铁丝发热．________________________________________________
答案：A.化学能转化为动能，动能转化为重力势能．
B．太阳能转化为热能．
C．化学能转化为热能．
D．机械能转化为热能．
5．(1)全自动手表不用人工上发条，分析它是如何获得能量而不停地走动的．
(2)如果让它长时间静止不动它还能走动吗？为什么？
答案：(1)全自动手表靠手臂摆动上发条，产生弹性形变，然后由机械装置，控制其弹性形变的恢复量，即秒针的走动．齿轮间的相互咬合，构成了时针和分针及秒针的相对位置，就可以显示时间．也就是说发条通过上链动作，聚焦能量，然后通过传动系统把能量输送到指针上显示时间．
(2)如果长时间静止，发条上储存的能量消耗完毕后，它就会停止走动．
6．跳板跳水运动员在弹离跳板后，先上升到一定的高度，在空气中完成一系列复杂而优美的动作后入水(如图所示)．将运动员视为质点，请你分析一下从运动员起跳到入水的全过程，有哪些能量发生了相互转化？
答案：跳水运动员在走板和起跳时要先使跳板上下振动，此过程运动员将身体储存的化学能转化为跳板的(弹性)势能，然后再将这一(弹性)势能转化为身体起跳的动能；运动员离开跳板上升的过程，动能逐渐减小，动能逐渐转化为(重力)势能；当运动员从最高点下降时，(重力)势能逐渐减小，运动员的动能逐渐增大，所以此过程是(重力)势能转化为动能的过程；运动员入水后，受水的阻力的作用，运动员的(重力)势能和动能都要减小，这部分能量要转化为水和人的内能．
7．17世纪初，伽利略在研究中发现了“摆球的等高性”．下图是他当时研究的装置图(叫伽利略摆)．将小铁球拉到一定高度，然后释放，观察小球能摆多高，在哪个位置速度最大．在铁架上再夹一个细杆，使得小球运动到最低点时，挂小球的细线被这个细杆挡住．将小球拉到与先前同样的高度，然后释放，观察小球能摆多高，在哪个位置速度最大．
做一下伽利略的实验，你观察的结果是什么？先尝试用牛顿定律进行解释，再用本节学习的知识进行解释．
答案：不管放不放细杆，小球摆起的高度都相同，小球在最低点的速度最大．有关解释请参看教材．
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●情景切入
自然界存在各种不同形式的能量——机械能(动能和势能)、内能、电能、化学能、核能等等，各种不同形式的能量可以相互转化，在转化过程中遵从能量守恒这个基本原理(如图)，这一章我们将探究动能、势能及其相互转化的规律．
●知识导航
前面我们学习了运用牛顿运动定律和运动学知识来解决力学问题的方法，本章引入了功和能(动能、势能)等重要物理量和动能定理、机械能守恒定律等重要规律，为我们解决力学问题开辟了新的途径．
功和能的概念是物理学中的重要概念，能的转化和守恒定律是自然界最基本的客观规律，功和能的转化关系不仅为解决力学问题开辟了一条重要途径——能量观点，同时它也是分析解决电磁学、热学等领域中问题的重要依据，因此本章内容在整个物理学中占有重要地位．
本章第1节追寻守恒量，既展示了能量概念的发展过程，又介绍了科学研究和发展的一个重要方向．第2、3节主要学习做功多少、做功快慢的决定性因素及应用．第4、5
节通过重力做功的讨论得出重力势能的概念并进一步探究弹性势能的决定性因素．第6、7节探究、学习动能及动能定理．第8、9、10节学习、验证机械能守恒定律，并拓展到能量守恒定律．
本章的重点是功、功率、动能、势能的概念及其动能定理，机械能守恒定律两个重要规律；难点是动能定理和机械能守恒定律在各种不同情况下的具体应用．
●学法指导
1．科学探究是物理学中的重要研究手段，在本章的学习中同学们应结合教材中的探究内容，通过亲自动手做实验体验探究过程的曲折和乐趣，提高探究过程中的学习质量，增强对科学探究的理解，逐步提高自己科学探究的能力．
2．逐步加深理解功和能的概念及功能关系，是学习本章教材的基本线索．做功的过程是能量转化的过程，不同形式能量之间的转化只有通过做功才能实现，动能和重力势能的定量表达式就是按照这一思路通过探究来确定的．同学们如果能够结合具体问题逐步理解这一线索，不但有助于把这一章知识融会贯通，而且有助于同学们今后从能量的角度学习其他部分知识．
3．解决力学问题，同学们往往习惯于运用牛顿运动定律和运动学知识解决，以为这样具体可信，而不习惯于从能量的观点和守恒的思想来分析，但是从本章学习过能量之后同学们会发现从能量的观点来分析和解决，往往会给力学问题的解决带来很大的方便，因此从本章起同学们应注意培养自己从能量的观点分析、解决问题的能力.
* 知道能量的概念
* 理解动能和势能的概念与意义
* 了解日常生活中能量转化的事例，培养热爱生活的情趣
荡秋千是一种常见的娱乐活动(见下图)．如果空气阻力和秋千各部分的摩擦力可以忽略，秋千就会不停地摆动下去，这说明秋千在运动过程当中有一个保持不变的“东西”，你认为这个“东西”是什么？
1．如下图所示，若不计摩擦阻力，小球从斜面A某一高度滚下，无论斜面B比斜面A陡些或缓些，小球总会____________________，该点高度与它出发时的________．在物理学中，把这一事实说成是________________，并且把这个量叫做________简称____________．
2．如下图所示，相互作用的物体凭借其________而具有的能量叫做________．
3．如下图所示物体由于________而具有的能量叫做______________．
4．下图表示撑杆跳运动的几个阶段：助跑、撑杆起跳、越横杆．试定性地说明在这几个阶段中能量的转化情况．
答案：1.在B斜面的某点停下来 高度相同 有某一量是守恒的 能量 能
2．位置 势能
3．运动 动能
4．化学能→动能→重力势能→动能
(1)一个物体如果具备了对外做功的本领我们就说这个物体具有能量．
(2)能量是个状态量，是标量，和物体的某一状态对应.
(1)由物体间的相互作用力和物体间的相对位置决定的能量叫做势能．如：重力势能，弹性势能，分子势能，电势能等．
(2)势能是能量的一种具体形式，是标量．
相同的弹簧伸长量越大，弹簧的弹性势能越大．在同一个弹簧秤下分别挂5N和3N的物体时，弹簧秤上弹簧具有的弹性势能 ( )
A．两次具有相同的弹性势能
B．第一次比第二次的弹性势能大
C．第一次比第二次的弹性势能小
D．无法比较其大小
答案：B
解析：弹簧受的外力越大，弹簧伸长量越大，所以弹性势能越大.
(1)物体由于运动而具有的能量叫动能，如：流动的水(如下图甲所示)，吹来的风即流动的空气(如下图乙所示)，运转的天体，绕原子核旋转的电子等都具有动能．
(2)动能与物体的质量和速度有着密切的联系．
(3)和物体运动过程中某一状态相对应，是标量，并且总为正值．
(4)一切运动物体都具有动能，大到天体小到微观粒子．
古代战争中常用滚木和檑石作为武器来阻止敌人的进攻，你能用所学的知识说明其中的科学道理吗？这种战术适用于哪种情况？怎样才能使杀伤力更大？为什么？
答案：滚木和檑石的重力势能转化为动能，利用其动能来杀伤敌人；这种战术适用于据高防守；提高其高度、增大其质量才有更大的杀伤力．动能越大，作用效果越强.
(1)自然界在千变万化的过程中，存在着一些守恒量，它是自然界在变化过程中隐藏于现象中的一个反映其本质的物理量
(2)寻找守恒量必须讲究科学的方法：如观察此消彼长的物理量、研究其相互的关系、科学构思巧妙的实验、精确地论证推理和计算等．
(3)寻找守恒量需要大量富有创造性地艰苦细致的工作和坚韧不拔的毅力及持之以恒的精神．
伽利略的斜面实验反映了一个重要的事实：如果空气阻力和摩擦力小到可以忽略，小球必将准确地终止于同它开始点相同高度的点，决不会更高一点，也不会更低一点．这说明，小球在运动过程中有一个“东西”是不变的，这个“东西”应是 ( )
A．弹力 B．势能
C．速度 D．能量
解析：在伽利略的斜面实验中，小球从一个斜面滚到另一个斜面，斜面弹力是不同的，势能先减小后增大，速度先增大后减小，所以A、B、C错，不变的“东西”应是能量，包括动能和势能，D对．
答案：D
点评：伽利略的理想实验为能量概念的建立和能量守恒定律的发现奠定了良好的基础，这也正是这一实验的重大意义所在．
在伽利略实验中，如果空气阻力和摩擦阻力不能忽略，人们要寻找的守恒量还存在吗？(如图所示)
答案：通过实验不难发现，在伽利略实验中有空气阻力的情况下，小球滚上B斜面高度减小了，因此与物体上升的高度对应的重力势能减小了，能量看起来不再守恒．由此引发两方面的思考：其一，物体系统减少的能量哪儿去了，是消失了吗？其二，如果没有消失，它转化为哪种形式出现？球减少的重力势能是否等量地以另一种形式出现？若球减少的重力势能以另外的形式等量出现，则能量仍是守恒的．
联系所学过的知识和生活中的经验知道，球在运动过程中有摩擦便会产生热，与物体的高度、速率对应的机械能有一部分转化为大量分子组成的系统的热运动．
设计精确的实验，收集测量这部分热能，便可以验证守恒量的存在.
试分析下列事例中能量转化的情况：
解析：对过山车来说，从最高处向最低处运动时，高度在减小，势能在减少，同时其速度在增大，动能在增加；对下落的果实来讲，其能量转化情况与过山车的情景相似；对斜抛物体来说，斜向上运动阶段，高度增大，速度减小，动能转化为势能；斜向下运动阶段，高度减小，速度增大，势能又转化为动能．
答案：a.过山车从高处到低处势能减少，动能增加，势能转化为动能；从低处到高处速度减小，高度增大，动能减少，势能增加，动能转化为势能．
b．下落的果实：果实的势能转化为动能．
c．斜抛的物体：斜向上运动过程，动能转化为势能；斜向下运动过程，势能转化为动能．
点评：本题主要突出动能和势能可以相互转化，体现转化过程中的守恒问题．
2008年北京奥运会上，我国射箭运动员在比赛中屡屡获胜．如图所示，请你分析一下在射箭过程中能量是如何转化的？
答案：在射箭过程中，运动员将弓拉开的过程，是把人体的生物能转化为弓的弹性势能．把箭射出的过程，是将弓的弹性势能转化为箭的动能.
下图是上海“明珠线”某车站的设计方案．由于站台建得稍高，电车进站时要上坡，出站时要下坡．忽略斜坡的摩擦力，你能分析这种设计的优点吗？
解析：电车进站前虽关闭了电动机，但仍具有动能，可使电车爬上斜坡，这是将动能转化为势能储存．出站时，电车可利用斜坡再将势能转化成动能．可见，这种设计方案可以节约电能．
答案：这样设计的主要优点在于节约电能．
点评：能量具有多种形式，能量能够进行转移，不同形式地能量之间还可以进行转化．在转化和转移的过程中，能量的总量虽保持不变，但不同形式能量的特征是不同的．我们要想方设法使能量朝有利于人类的方向转化．
2004年12月26日，国际标准时间00：58：50，一股压抑许久的“怒气”从印度洋深处狂躁地迸发而出，里氏9.0级(美国地震局测定)地震劈开周围的海水，形成一道道相距百十公里的弧形水幕，以每小时800公里的起始速度排山倒海般向四周袭去……
巨浪呼啸，以摧枯拉朽之势，越过海岸线，越过田野，迅猛地袭击着岸边的城市和村庄，瞬时人们都消失在巨浪之中．港口所有设施、被震塌的建筑物，在狂涛的洗劫下，被席卷一空．事后，海滩上一片狼藉，到处是残木破板和人畜尸体，地震海啸给人类带来的灾难是十分巨大的……
试查阅有关资料，谈一谈此次海啸中存在哪些能量转化？
答案：(1)印度洋深处积聚着内能
(2)内能转化为地震波的能量
(3)地震波的能量使岩石震动，海浪狂啸
(4)高速的巨浪具有很大的动能和势能，给人类带来巨大灾难
