第2节 机械能
第1课时 动能和势能
知识点 1 动能
1．在水平街道上匀速行驶的洒水车，一边行驶一边向道路上洒水。下列关于其动能变化的说法中正确的是( )
A．动能不变 B．动能减小 C．动能增大 D．无法确定
2．质量相同的铁球和木球，木球的速度比铁球的速度大，将它们的动能相比，则( )
A．铁球的动能大 B．木球的动能大
C．两球的动能一样大 D．无法比较
3．图A3－2－1是立定跳远的图解，当人从起跳到落地的过程中，图A3－2－2中动能随时间变化关系正确的是( )
图A3－2－1
图A3－2－2
知识点 2 势能
4. 关于重力势能，下列说法中正确的是( )
A．质量大的物体，重力势能一定大
B．被举得高的物体，重力势能一定大
C．质量相等的物体，被举得越高，重力势能就越大
D．质量相等的物体，速度越大，重力势能就越大
5．关于弹性势能，下列说法中正确的是( )
A．橡皮泥的形变越大，它具有的弹性势能越大
B．弹簧的弹性越大，它具有的弹性势能越大
C．弹簧越长，它具有的弹性势能越大
D．对于给定的弹簧来说，它的弹性形变越大，它具有的弹性势能越大
6.如图A3－2－3所示是探究“动能的大小与什么因素有关”的实验示意图。
图A3－2－3
小球从a处滚下，在c处与小木块碰撞，并与小木块共同运动到d处停下。下列判断正确的是( )
A．从a到b，小球的势能不变，动能增大
B．从b到c，小球的势能增大，动能增大
C．到达c处，小球的势能最小，动能最大
D．到达d处，小球的动能为零，小木块的动能最大
7．质量相等的甲、乙两辆环保电动汽车同时同地同方向在同一水平面上运动，它们的s－t图像分别如图A3－2－4(a)、(b)所示，下列说法正确的是( )
图A3－2－4
A．甲、乙两车的动能相同
B．运动5 s甲、乙两车相距为6 m
C．甲、乙两车的动能始终保持不变
D．乙车的重力势能大于甲车的重力势能
8．2018·天台模拟 动能的大小与哪些因素有关呢？小雨用相同的斜面、长木板和纸盒，两个不同质量的小球，设计了如图A3－2－5所示的甲、乙、丙三次实验，测量出每次实验中纸盒移动的距离，再通过比较分析得出结论。
图A3－2－5
(1)小雨通过比较纸盒移动的距离来比较小球动能的大小，这种科学研究的方法与以下选项中的________相同。
A．研究磁场时用磁感线表示
B．用黄豆和芝麻混合前后的体积变化研究分子间的空隙
C．研究压力的作用效果与受力面积的关系时控制压力的大小相同
D．电流看不见、摸不着，判断电路中是否有电流可通过电路中灯泡是否发光来确定
(2)若要探究动能与质量的关系，应选图甲和图________进行实验。
(3)如果纸盒与小球碰撞的侧面过于柔软，则纸盒移动的距离会偏小，请分析解释原因：________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
9．如图A3－2－6所示是小明探究“物体的重力势能大小与物体的质量和被举起的高度是否有关”时所做三次实验的情景。
图A3－2－6
(1)为了探究“重力势能大小与物体被举起的高度是否有关”，应选__________两组实验，观察比较这两组实验得到的结论是____________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)本实验中探究的是影响__________(填“金属块”或“桌子”)重力势能大小的因素，但重力势能的大小无法直接观察，我们是通过观察桌子陷入沙坑的深度来间接比较的。下列四个研究实例中，同样用到此研究方法的是________。
A．认识电流时，用水流进行类比
B．根据磁场对磁体有力的作用来认识磁场
C．在学习蒸发和沸腾时，通过比较得出蒸发和沸腾的异同点
D．牛顿第一定律是在实验的基础上经分析推理而得出的
拓| 展| 培| 优
10．如图A3－2－7所示是“探究动能大小与哪些因素有关”的实验装置。
图A3－2－7
(1)实验中通过比较________________来判断钢球动能的大小。
(2)实验中为了探究动能大小与物体质量的关系，需要控制钢球撞击木块时的速度不变，具体的实验操作方法是________________________。
(3)为了进一步探究动能与质量和速度的关系，某物理兴趣小组借助速度传感器和其他仪器得出了两组数据，如表一和表二所示。
表一
钢球撞击时的速度为v＝1 m/s
序号
钢球质量m/g
木块滑行距离s/cm
1
100
10
2
200
20
3
300
30
表二
钢球质量为m＝100 g
序号
钢球撞击速度
v/(m·s－1)
木块滑行距离s/cm
1
1
10
2
2
40
3
3
90
分析表一中的数据可以得出动能与质量的关系是：________________________________________________________________________。
分析表二中的数据可以得出动能与速度的关系是：________________________________________________________________________。
教师详解详析
1．B [解析] 洒水车在不断洒水的过程中，虽然速度是不变的，但是由于质量减小，所以它的动能减小。
2．B [解析] 影响物体动能的因素有质量和速度，质量相同，速度大的物体动能大。
3．A [解析] 上升过程中克服重力，动能减小，从最高点到落地的过程中，动能增大；在最高点时人有水平速度，故动能不为零。
4．C [解析] 重力势能与物体的质量和被举的高度有关，所以质量大的物体，重力势能不一定大，被举得高的物体，重力势能也不一定大。质量相等的物体，被举得越高，重力势能越大。质量相等的物体，速度越大，动能越大，但重力势能不一定大。
5．D [解析] 橡皮泥发生的形变不是弹性形变，因此不具有弹性势能。弹性跟弹性形变不同，物体有弹性，但不一定发生形变，如果物体不发生弹性形变，就不具有弹性势能。弹簧的长度不是弹性形变，弹性势能的大小跟弹簧的长度无关。同一物体的弹性势能只跟弹性形变的大小有关，弹性形变越大，它具有的弹性势能越大。
6．C [解析] 小球从a向c滚下时，高度降低，重力势能减小，但是小球速度增加，动能增大；到达d处时，小球和木块的速度都是零，它们都没有动能。
7．C [解析] 由两图分析可知，甲、乙都做匀速直线运动，甲的速度为v甲＝＝＝0.8 m/s；乙的速度为v乙＝＝＝1.6 m/s，又两辆车质量相等，所以乙车的动能大。运动5 s甲、乙两车相距为8 m－4 m＝4 m。因为甲、乙两车各自的质量和速度不变，所以甲、乙两车的动能始终保持不变；又由于二者在同一水平面上运动，故甲、乙两车的重力势能相同。
8．(1)D (2)乙
(3)纸盒的形变需要消耗部分机械能
[解析] (1)小雨通过比较纸盒移动的距离来比较小球动能的大小，这种科学研究的方法叫转换法。
磁感线实际不存在，是人们为形象地描述磁场分布而假想出来的，属于建立模型法。
在研究分子间存在空隙的实验中，比较黄豆和芝麻混合前后的体积，根据体积减小来间接了解分子之间有空隙，这是通过类比法得出的。
研究压力的作用效果与受力面积的关系时控制压力的大小相同，属于控制变量法。
电流看不见、摸不着，判断电路中是否有电流可以通过电路中的灯泡是否发光来确定，属于转换法。
(2)要研究动能与质量的关系，需要改变小球的质量，即使小球到达水平面时的速度相等，即从相同的高度滚下，我们应选择图甲和图乙来进行比较。
(3)如果纸盒与小球碰撞的侧面过于柔软，小球撞击纸盒，纸盒要发生形变，需要消耗部分机械能，因而纸盒移动的距离会偏小。
9．(1)甲、丙 在质量相同的情况下，物体被举起的高度越高，它的重力势能就越大
(2)金属块 B
[解析] (1)要探究物体重力势能的大小与被举高度的关系，根据控制变量法，必须保证物体的质量相等，改变物体被举起的高度。甲、丙两组实验使用的是同一金属块，从不同高度落下，所以应选甲、丙两组实验。
(2)金属块的重力势能大小是通过桌子陷入沙坑的深度来间接比较的，采用的是转换法。认识电流时，用水流进行类比，采用的是类比法。根据磁场对磁体有力的作用来认识磁场，采用的是转换法。在学习蒸发和沸腾时，通过比较得出蒸发和沸腾的异同点，采用的是比较法。牛顿第一定律是在实验的基础上经分析推理而得出的，采用的是实验推理法。
10．(1)木块滑行的距离
(2)使钢球从斜面的相同高度由静止滚下
(3)速度一定时，物体的动能与其质量成正比
质量一定时，物体的动能与其速度的二次方成正比
第2课时 动能和势能的相互转化
知识点 1 动能和势能的转化
1.在如图B3－2－1所示的滚摆实验中，下列说法正确的是( )
图B3－2－1
A．滚摆下降时，动能减小，重力势能增加
B．滚摆运动时，有部分机械能转化为其他形式的能
C．滚摆运动至最低点时，动能为零
D．滚摆运动至最高点时，一切外力突然消失，滚摆会继续向上转动
知识点 2 机械能及其守恒
2.2017·杭州 如图B3－2－2所示，木块沿斜面从顶端匀速下滑的过程中，木块的( )
图B3－2－2
A．重力势能减小，动能增大
B．重力势能减小，机械能减小
C．动能不变，机械能不变
D．重力势能不变，机械能减小
知识点 3 动能和势能在生活中的应用
3．骑自行车上坡前，往往要用力蹬几下，其目的是( )
A．减小上坡时受到的阻力
B．增大自行车的惯性
C．增加人和自行车的动能
D．减小人和自行车的总重力
4．2018·杭州模拟 如图B3－2－3所示，在竖直平面内用轻质细线悬挂一个小球，将小球拉至P点，使细线处于张紧状态。由静止开始释放小球，到最低点Q处细线恰好断裂，若不计一切阻力，下列说法正确的是( )
图B3－2－3
A．从P到Q点的过程中，小球都受平衡力的作用
B．从P到Q点的过程中，小球机械能逐渐增大
C．从P到Q点的过程中，只有重力对小球做功
D．细线断裂后，小球将沿水平方向做匀速直线运动
5.如图B3－2－4所示，小球先以速度v竖直向上抛出，后以速度v沿光滑斜面向上运动(斜面足够长)，两次上升的高度分别为h1和h2，(不计空气阻力)则h1和h2的关系是( )
图B3－2－4
A．h1>h2 B．h1C．h1＝h2 D．无法确定?
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6．2017·绍兴 排球充气后，让排球从手上自由落下，排球每次弹回的高度都低于落下时的高度。
(1)解释整个过程中能量是否守恒。
(2)排球从接触地面到形变最大的过程中，速度v与形变大小ΔV之间的关系大致如图B3－2－5所示，请说明该过程中，排球受力情况与机械能变化的关系。
图B3－2－5
教师详解详析
1．B [解析] 滚摆下降时，质量不变、速度增大，动能增大；质量不变、高度减小，重力势能减小。滚摆运动时，与空气摩擦，将机械能转化为内能。滚摆运动到最低点时，速度不为零。滚摆运动到最高点时，速度为零，若此时外力消失，物体将处于静止状态。
2．B [解析] 木块下滑过程中，质量不变，高度减小，重力势能减小，速度不变，动能不变，动能与势能的和减小，即机械能减小。
3．C
4．C [解析] 当小球从P到Q点的过程中，小球受沿线向上的拉力和竖直向下的重力，这两个力不在同一直线上，小球受力不平衡。不计一切阻力，重力势能转化为动能，从P到Q点的过程中，小球机械能不变。小球由P运动到Q的过程中，在重力作用下，高度下降，重力做功；小球在拉力的方向上没有通过距离，所以细线的拉力对小球不做功。小球在最低点Q时动能最大，若在此处细线突然断开，小球由于受重力的作用，不处于平衡状态，不做匀速直线运动。
5．C [解析] 由于两次的初速度相等，初动能就相等，又由于斜面光滑，且不计空气阻力，故机械能守恒，从而可知前后两次小球的末势能相等，也就是说小球两次上升的高度相等。
6. (1)排球下落、排球与地板的每次碰撞以及排球上升过程中，能量始终守恒。虽然排球与空气摩擦、与地板碰撞过程中，有机械能转化成内能，但能量的总和仍然保持不变。
(2)排球接触地面后，受到重力和地面的弹力，开始时，弹力小于重力，排球的重力势能转化成动能和弹性势能。到B点时，排球的重力大小等于它受到地面的弹力，动能达到最大。从B点到形变最大，弹力大于重力，重力势能和动能转化成弹性势能。
