3.2 机械能 学案（含答案）

10883900105791003.2 机械能
游乐园中的过山车从高处滑下时, 如图3-9所示，它的运动速度不断增大， 然后它又冲上另一个斜坡，速度就减小下来。过山车运动的速度为什么会发生这样的变化？
一、动能
1、动能：物体由于运动而具有的能量。一切运动的物体都具有动能，如飞翔的小鸟、行走的人、行驶的汽车、掷出的铅球、流动的水等物体，都具有动能。
【活动一】探究动能大小的影响因素
（1）如图3-11所示，放在斜面上某一高度处的小钢球A滚下时，撞击水平面上的木块B，并将木块B推出一段距离。木块B被推出的距离越远，说明小钢球A的动能越大。
（2）让同一个小钢球从斜面上不同的高度处分别由静止开始沿斜面滚下，比较木块被小钢球推出的距离大小。
（3）让不同质量的小钢球从斜面上相同的高度处分别由静止开始沿斜面滚下，比较木块被小钢球推出的距离大小。
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，它的动能也越大。
2、影响动能大小的因素：动能的大小与物体的质量和运动速度有关。在质量相同时，物体的运动速度越大，它具有的动能越大。②在运动速度相同时，物体的质量越大，它具有的动能越大。
二、势能
1、势能的分类：势能可分为重力势能和弹性势能。
2、重力势能
（1）定义：物体由于被举高而具有的能量叫做重力势能。判断一个物体是否具有重力势能，关键看此物体相对某一个平面有没有被举高，即相对此平面有没有一定的高度。若有，则物体具有重力势能；若没有，则物体不具有重力势能。
（2）影响重力势能大小的因素：重力势能的大小与物体的质量和被举高的高度有关。物体的质量越大，被举得越高，其具有的重力势能就越大。
【活动二】探究重力势能大小影响因素
（1）在一个铝盘中放入约2厘米厚的细沙。
（2）取大小不同的金属小球。
（3）将一根米尺竖直立在细沙上，把金属小球拿到某一高度自由释放，如图3-13所示, 记录这一高度。
（4）把金属小球从沙中拿出，观察被金属小球所撞出的沙坑深度和大小，并将结果记录下来。

（5）抹平盘中的沙，从不同的高度自由释放同一个金属小球，观察被金属小球所撞出的沙坑深度和大小，并将结果记录下来。
（6）抹平盘中的沙，从相同的高度自由释放不同质量的金属小球，观察被金属小球所撞出的沙坑深度和大小，并将结果记录下来。
（7）比较观察结果，被金属小球所撞出的沙坑深度和大小跟金属小球的质量和下落的高度有什么关系？
大量事实表明：物体的质量越大，被举得越高，具有的重力势能就越大。
3、弹性势能
（1）定义：物体由于发生弹性形变而具有的能量叫做弹性势能。判断一个物体是否具有弹性势能关键是看此物体是否发生了弹性形变，若物体发生了弹性形变，则物体具有弹性势能。如拉长的弹簧、压扁的皮球、机械手表等物体都具有弹性势能。
（2）影响弹性势能大小的因素：弹性势能的大小与物体形变的大小有关。物体的弹性形变越大，它具有的弹性势能就越大。
三、动能和势能的转化
1、机械能：动能和势能之和。
【活动三】
（1）如图3-16所示，用细绳把摆锤悬挂起来，将摆锤拉到某一高度后释放。在摆锤向下动的过程中，重力势能如何变化？动能如何变化？在摆锤摆过中点向上摆动的过程中，重力势能如何变化？动能如何变化？ （2）如图3-17所示，把一个滚摆悬挂起来。用手捻动滚摆，使悬线缠在轴上，将滚摆升高到最高点，然后放手。在滚摆下降的过程中， 重力势能如何变化？动能如何变化？当滚摆上升的过程中，重力势能如何变化？动能如何变化？
（3）如图3-18所示，把金属小球放在A处，然后让它沿轨道滚下，观察小球的滚动过程。小球在A、B、C、D各点具有什么形式的能量？小球在滚动过程中能量如何转化？
实验表明：物体的动能和重力势能可以相互转化。如果只有动能和势能的相互转化，机械能的总量就保持不变，或者说，机械能守恒。
2、动能和势能的相互转化的应用
（1）撑杆跳高运动员在 起跳前进行一段助跑，获得大量的动能。起跳后，他的身体不断上升，撑杆剧烈弯曲，动能转化为运动员的重力势能和撑杆的弹性势能。当上升到一定高度时，动能减小到最小值。此后，弹性势能不断释放，促使运动员不断上升，同时重力势能不断增加，如图3-19所示。当运动员越过横 杆下落的过程中，他的重力势能又被转化为动能。
（2）水力发电站，被大坝拦住的上游水积蓄了大量的势能。当这些水通过坝中的水管向低处流动时，势能转化为动能。而流动的水冲击水轮机的叶轮，又将动能传递给水轮机，进而带动发电机发电，再转化为电能，如图3-20所示。
思考与讨论：如图为人造卫星沿椭圆轨道绕地球运动的示意图。卫星离地球中心最近的点叫做近地点，离地球中心最远的点叫做远地点。卫星在近地点的速度较大，在远地点的速度较小，那么，卫星从近地点运动到远地点的过程中，它的动能和势能如何变化？
【例1】如图所示是把小球放在相同的斜面上自由滚下，撞击静止在水平面上的木块进行的实验。能说明物体的动能与物体的速度有关的是（ C ）
A. 甲、丙 B. 乙、丙 C. 甲、乙 D. 甲、乙、丙
1、甲图是探究“阻力对物体运动的影响”的实验装置；乙图是探究“物体的动能与质量关系”的实验装置，两个实验都要控制物体从同一高度自由下滑，这是为了保证物体到达水平面开始端的__________ 相同，在下滑的过程中物体的动能将 ______ （选填“增大”、“减小”或“不变”）。
【答案】初速度；增大
【例2】关于重力势能的下列说法中正确的是（　D　）
A．重力势能的大小只由重物本身决定 B．重力势能恒大于零
C．在地面上的物体，它具有的重力势能一定等于零 D．重力势能实际上是物体和地球所共有的
1、如图所示是运动员拉开弓箭的情景，这个过程中（ C ）
A. 弓弦上的箭，具有弹性势能 B. 弓拉得越弯，人的弹性势能越大
C. 弓拉得越弯，弓的弹性势能越大 D. 拉得越弯，弓弦上的箭的弹性势能越大
【例3】西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭，成功将北斗八号导航卫星发射到预定椭圆轨道，该椭圆轨道近地点约200千米，远地点约3599千米，如图是北斗八号导航卫星的轨道示意图。已知该卫星沿椭圆轨道绕地球运行的过程中机械能守恒，则关于该卫星从远地点向近地点运行过程中势能、动能、速度的变化是（ 　B ）
A．势能增加、动能减小、速度减小 B．势能减小、动能增加、速度增加
C．势能减小、动能增加、速度不变 D．势能不变、动能不变、速度不变
1、2019年5月17日时48分，我国在西昌卫星发射中心用长征三号丙运载火，成功发射第45颗北斗导航卫星，如图1所示是北斗卫星在随火箭加速上升的情景。人造地球卫星沿椭圆轨道绕地球运行时，离地球最近的一点叫近地点，最远的一点叫远地点，如图2所示。下列说法正确的是（　C　）
A．如图1北斗卫星上升过程中，重力势能变大，动能变小
B．如图2人造地球卫星运行中，重力势能变大，动能变大
C．如图2人造地球卫星运行中，从近地点向远地点运动时，速度减小
D．如图1、2中卫星的机械能都不变

1、如图所示，将鸡蛋下的硬纸片用手指突然弹出，下列描述错误的是（ D ）
A. 鸡蛋下落过程中重力势能转化为动能 B. 纸片飞出说明力可以改变物体的运动状态
C. 弹纸片时手指感到疼说明力的作用是相互的 D. 鸡蛋受到惯性作用落人杯中。
2、如图所示是杂技演员演出时的过程示意图。男演员从甲处用力向上起跳，落下后踩在跷跷板的a端，能把站在b端的女演员弹上乙处。由于存在阻力，故（ C ）
A．男演员的质量必须要大于女演员的质量
B．甲处男演员的势能一定要大于乙处女演员的势能
C．男演员离开跳台时的机械能一定大于乙处女演员的势能
D．女演员弹起时的动能与她站在乙处时的机械能相等
3、在探究“物体动能的大小与哪些因素有关”的实验中，让不同质量的铁球从斜面的同一高度由静止释放，撞击同一木块，比较木块运动的远近，如图所示。下列说法中正确的是（ B ）
A. 铁球从斜面上滚下来的过程中动能一直减小
B. 这样做的目的是探究物体的动能大小与质量的关系
C. 这样做的目的是探究物体的动能大小与高度的关系
D. 这样做的目的是探究物体的动能大小与速度的关系
4、在电影《斯巴达三百勇士》中，波 斯军队用投石车投出巨石来攻击斯巴达克城的城墙，在巨石被投出到击中城墙的过程中，下列说法正确的是（ D ）
A. 巨石在最高点时动能最大
B. 巨石在最高点时重力势能最小
C. 巨石的动能先增大后减小
D. 巨石的重力势能先增大后减小
5、2018年5月5日，中国国产航母完成首次舰载机直升机起降，直升机减速下降靠近航母甲板的过程中（　B　）
A. 惯性变大 B. 动能变小 C. 重力势能不变 D. 机械能不变
6、2018年5月21日凌晨，我国成功利用长征四号丙运载火箭将“鹊桥”号中继卫星发射升空，迈出了人类航天器月背登陆第一步！下列有关说法正确的是（　A　）
A. 火箭点火升空过程中，内能转化为机械能
B. 火箭点火升空过程中，火箭的惯性消失
C. 火箭加速上升过程中，重力势能转化为动能
D. 火箭加速上升过程中，只受到重力和空气阻力
7、扬州城区的高层建筑越来越多，但高空抛物却存在巨大的安全隐患，因为高处的物体具有较大的（　B　）
A．弹性势能 B．重力势能 C．体积 D．阻力
8、如图所示，甲、乙两个质量不同的小球从相同高度静止释放，假球下落过程中经过P、Q两点，忽略空气阻力，下列说法正确的是（ B ）
A. 着地瞬间，两球的动能相等 B. 甲球在P点和Q点的机械能相等
C. 释放瞬间，两球的重力势能相等 D. 从释放到着地，两球所受重力相等
9、如图所示，一弹簧的左端固定，右端连接一个小球，把它们套在光滑的水平杆上。α点是压缩弹簧后小球静止释放的位置，b点是弹簧原长时小球的位置，c点是小球到达最右端的位置。则小球从a点运动到c点的过程中，下列说法正确的是（ C ）
A. 小球在a点，弹簧的弹性势能最小
B. 小球在b点，小球的速度最小
C. 从a点到b点，小球的动能逐渐增大
D. 从b点到c点，弹簧的弹性势能逐渐减小
10、图2所示是一个左右对称的凹形槽，将小球从A点由静止释放，若小球由A点到B点运动过程中克服摩擦力做的功用W表示，忽略空气阻力，则下列说法正确的是（　A　）
A. 小球从A点运动到B点的过程中，势能的减少量与动能的增加量之差等于W
B. 小球能够从A点运动到D点
C. 小球从A点运动到B点的过程中，势能的减少量等于动能的增加量
D. 小球从A点运动到C点的过程中，机械能的减少量等于动能的增加量
11、相关资料表明，大部分重大交通事故是因为汽车超载超速造成的。兴趣小组决定对超载超速问题进行一次模拟探究，经讨论后认为，可以用小球作为理想模型，代替汽车作为研究对象，如图，将小球从高度为h的同一斜面上由静止开始滚下，推动同一小木块向前移动一段距离s后停下。完成甲、乙、丙三次实验，其中h1＝h3＞h2，mA＝mB＜mC
（1）把小球放在同一高度由静止开始沿斜面滚下是为了控制　 　相同。
（2）实验中超载超速带来的危害程度用　 　表示；
（3）研究超载带来的危害时，选择甲、乙、丙三次实验中的　 　进行比较；
（4）为比较超载超速带来的危害程度，兴趣小组利用上述器材进行定量研究。得到数据如下表：
小球
质量/克
高度/厘米
木块滑动距离/厘米
A
10
5
10
B
20
5
18
C
30
5
29
D
10
10
38
E
10
15
86
请根据上表数据分析，货车超载20%与超速20%两者相比，潜在危害较大的是　 　。
【答案】（1）速度；（2）小木块移动的距离；（3）甲、丙；（4）超速20%。
12、小明利用如图所示实验装置做“探究物体动能跟哪些因素有关”的实验。
（1）该实验中物体的动能是指　 　的动能。小明通过观察　 　被推动的距离来判断物体动能的大小（均选填“小车”或“木块”）
（2）实验中将同一小车从不同高度处自由滑下，发现小车从较高处滑下时，木块被推动的距离更远，由此可得出结论：当质量一定时，　 　越大，物体的动能就越大
（3）小红认为去掉木块，利用粗糙且足够长的木板，比较小车在木板上运动的距离也能比较小车动能的大小，即小车运动距离越远，说明小车的动能越大。于是小红通过在小车上加砝码来改变质量（如图乙），得出速度一定时，质量越大，物体的动能越小，该结论是　 　（选填“正确”或“错误”）的，理由是
　 　。
（4）小丽在探究“动能大小与质量的关系”时，对实验装置进行改进（如图丙），用质量不同的铁球将弹簧压缩相同程度静止释放（不计铁球与木板间的摩擦），撞击同一木块。该实验方案　 　（选填“可行”或“不可行”）按此方案操作，会看到木块移动的距离　 　（选填“相同”或“不相同”）。
【答案】（1）小车；木块；（2）速度；（3）错误；小车（在木板上）所受摩擦力不同；（4）不可行；相同。