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第4节
机械能及其转化
学习目标
理解机械能的概念。
能解释一些有关动能、重力势能、弹性势能之间相互转化的简单的物理现象。
了解风能和水能的利用。
知识点全解
知识点一：机械能及其转化
1.机械能：
动能
、
重力势能
和
弹性势能
统称为机械能。
说明：
（1）动能和势能都属于机械能，一个物体可以有动能，也可以有势能，还可以同时具有动能和势能；
（2）物体具有的机械能的大小等于物体具有的动能和势能之和，即机械能=动能+势能。
2.转化：在一定条件下，动能和势能是可以相互转化的。
3.机械能守恒
如果只有动能和势能相互转化，尽管动能、势能的大小会变化，但两者的总和
不变
，或者说，机械能是守恒的。
说明：
机械能守恒是有条件的，只有
动能
和
势能
相互转化时，机械能才是守恒的。
例1：在下图所示的四个过程中，属于弹性势能转化为动能的是（
）
【解析】滚摆从低处滚向高处，其质量不变，速度变小，动能变小，高度升高，重力势能变大，动能转化为重力势能，故A不符合题意；塑料圆桶滚动时，速度变小，动能变小，同时皮筋拉紧，弹性势能增大，动能转化为弹性势能，故B不符合题意；用拉弯的弓把箭射出去，弓的弹性势能变小，转化为箭的动能，故C符合题意；人造地球卫星从远地点向近地点运动时，质量不变，高度减小，
速度增大，重力势能转化为动能，故D不符合题意。
【答案】C
知识点二：水能和风能的利用
水能
风能
概述
水能属于自然界中具有大量机械能的自然资源，自然界中的瀑布、潮汐、河流都具有大量的水能
风是流动的空气，由于不同地区、不同时刻、不同高度的空气温度不同，压强也不同，空气就会流动起来，形成风，风具有风能
特点
无污染、蕴藏量大，可循环利用
资源丰富、无污染、
不稳定
、
不便于储存
利用
（1）早期：人们利用水车来汲水、磨粉、碾谷等
（2）到18世纪：人们利用大功率水
车来带动纺织机械、冶金鼓风机工作
（3）近代：利用水力带动水轮发电机发电
（1）利用风能来驱动帆船航行
（2）利用风能来推动风车做功
（3）利用风能来发电
例2：我国早在2000多年前就开始利用风来推动帆船航行，至少在1700多年前已开始利用风来推动风车做功。如图所示是现代的风力发电站，利用风力发电最明显的缺点是 ????。
【解析】风能利用起来比较简单、成本低，而且不会污染环境，但是风能不稳定。
【答案】不稳定
知识点全练
练习1：如图是李明参加蚌埠市“走进科学，走进梦想”科技节比赛中用的弹力小车，它依靠橡皮筋作为动力。比赛时卷紧橡皮筋后静止释放小车，橡皮筋牵动车上齿轮带动车轮使小车前进，这个过程中的能量转化是把 ????能转化为动能，小车的惯性将
（选填“变大”、“变小”或“不变”）。
【解析】比赛时卷紧橡皮筋后，橡皮筋发生弹性形变，具有弹性势能，释放橡皮筋，橡皮筋要恢复原状，使小车前进，所以是橡皮筋的弹性势能转化成小车的动能；惯性的大小只与物体的质量有关，小车的质量不变，惯性不变。
【答案】弹性势 不变
【点拨】分析动能和势能相互转化的一般步骤：①明确要研究的对象和所要研究的过程；②根据物体在初始状态的位置、速度、形变情况，确定物体具有的机械能类型及大小；③根据物体在最终状态的位置、速度、形变情况，确定物体具有的机械能类型及大小；对比②③中的结论做出机械能类型转化的判断。
练习2：蹦床运动是奥运会比赛项目。运动员比赛开始前直立在蹦床中央，比赛开始时快速下蹲并立即恢复直立被蹦床弹起，离开蹦床时成直立状态并一直保持，到达最高点后下落，接触蹦床时又快速下蹲并立即恢复直立，再次被蹦床弹起，达到更高点。忽略空气阻力，下列说法正确的是（
）
?
A.在整个过程中，运动员机械能守恒
B.在整个过程中，运动员机械能一直在增加
C.从离开蹦床到下落接触蹦床的过程中，运动员机械能守恒
D.从下落接触蹦床到离开蹦床的过程中，运动员机械能守恒
【解析】从下落接触蹦床到离开蹦床的过程中，运动员的机械能先减少后增加，运动员的机械能不守恒，所以A、B、D错；从离开蹦床到下落接触蹦床的过程中，忽略空气阻力，运动员的机械能守恒，所以C正确。
【答案】C
【点拨】正确理解动能和势能的影响因素以及机械能转化和守恒的条件是解题的关键。在机械能相互转化过程中，只要给出“忽略空气阻力和摩擦力”等假设条件，就意味着机械能守恒，否则，就意味着机械能不守恒。
练习3：如图所示，小球在不同场景做不同运动。请你根据所给条件回答以下问题。
（1）如图甲，质量为m的小球从高度为h的光滑斜面顶端由静止自由滑下，到达斜面底端的速度为v0，此过程 ?
??能转化成 ???能，关系式mgh=?mv2成立，则一个物体从高0.2
m的光滑斜面顶端自由下滑到斜面底端时的速度为 ???m/s。（g=10
m/s2）
（2）如图乙，将物体以一定的初速度v0沿水平方向抛出（不计阻力），物体做平抛运动，在水平方向做匀速直线运动，则水平方向的距离公式为 ????（用图中字母符号表示），在竖直方向下落的高度y=?gt2，则y与x2的关系可用丙图中的图线
表示。
【解析】（1）小球从光滑斜面顶端由静止自由滑下，质量不变，高度变小，重力势能变小，重力势能转化为动能，使它的速度变大，动能变大；因为关系式mgh=?mv2成立，所以物体从高0.2
m的光滑斜面顶端自由下滑到斜面底端时的速度为；（2）将物体以一定的初速度v0沿水平方向抛出（不计阻力），物体做平抛运动，在水平方向运动的距离x=v0t，则运动时间为t=?，在竖直方向下落的高度y==，g与v0都是常数，所以y与x2成正比，故b符合题意。
【答案】（1）重力势
动
2 （2）x=v0t??b
【点拨】正确解答本题的关键是通过阅读题干获取相关信息。计算物体在底端速度大小时，考查了对题目中所给表达式的理解与运用的“物理观念”素养。
自我检测
一、选择题
1.下列过程中属于弹性势能转化为动能的是（
）
A.熟透的苹果从树上落下
B.弹簧枪将“子弹”射出
C.蹦极者落下拉紧橡皮绳
D.秋千由低处摆向高处
【解析】苹果从树上落下是重力势能转化为动能，故A不符合题意；弹簧枪将“子弹”弹出是弹性势能转化为动能，故B符合题意；蹦极者落下拉紧橡皮绳是动能和重力势能转化为弹性势能，故C不符合题意；秋千由低处摆向高处是动能转化为重力势能，故D不符合题意。
【答案】B
2.如图所示，空中加油机正在给匀速水平飞行的战斗机加油，加油后战斗机仍以原来的高度和速度做匀速飞行，则战斗机的（
）
A.动能不变，势能不变，机械能不变
B.动能不变，势能减少，机械能减少
C.动能增加，势能不变，机械能增加
D.动能增加，势能增加，机械能增加
【解析】加油后战斗机仍以原来的高度和速度做匀速飞行，战斗机油量增加，质量增大，速度不变，故动能增加。战斗机的质量增大，高度不变，故重力势能增加。机械能等于动能和势能的总和，故机械能增加。
【答案】D
3.如图所示，跳水运动员从起跳到入水过程中，若不计空气阻力，则（
）
A.起跳时，跳板的弹性势能转化为运动员的重力势能，机械能减小
B.上升时，运动员的动能转化为重力势能，机械能减小
C.下落时，运动员的重力势能转化为动能，机械能增加
D.下落时，运动员的重力势能转化为动能，机械能不变
【解析】运动员起跳时，跳板的弹性势能转化为运动员的动能，运动员的机械能增大；在上升时，动能再转化为重力势能，运动员的机械能不变，故A、B错误。运动员下落时，运动员的高度减小，速度增大，重力势能转化为动能，由于不计空气的阻力，所以机械能不变，故C错误、D正确。
【答案】D
4.如图甲中斜面光滑，图乙中斜面粗糙，斜面上所放物块相同。则下列说法正确的是（
）
A.甲图中，物块从斜面滑下时，重力势能转化为动能
B.乙图中，物块由斜面滑下时，只受重力和摩擦力
C.乙图中，若物块匀速滑下，其机械能守恒
D.乙图中，若物块滑动到最低点时，其机械能为0
【解析】甲图中，物块从光滑斜面滑下，质量不变，高度下降，势能减小，速度加快，动能增大，重力势能转化为动能，故A正确。乙图中，物块受到重力、摩擦力和斜面对它的支持力三个力的作用；物块匀速滑下，速度不变，质量不变，动能不变，高度下降，重力势能减小，所以机械能减小；当物块滑到最低点时，其重力势能为零，动能不为零，故机械能不为零，故B、C、D错误。
【答案】A
5.如图所示，小明在做模拟“蹦极”的小实验，一根橡皮筋一端系一个小石块，另一端固定在A点，B点是橡皮筋不系小石块自然下垂时下端所在的位置，C点是小石块从A点自由释放后所能达到的最低点。下列关于小石块从A点到C点运动过程的说法，正确的是（不计阻力的影响）（
）
A.小石块减少的重力势能全部转化为动能
B.从A点下落到B点的过程中，小石块受到重力和弹力的作用
C.从B点下落到C点的过程中，小石块的动能先增大后减小
D.石块通过B点后，任一时刻减少的重力势能全部转化为橡皮筋的弹性势能
【解析】从A点到C点的运动过程中，小石块的重力势能转化为动能和橡皮筋的弹性势能，故A选项错误；B点是橡皮筋自然下垂时下端所在的位置，所以在AB段，橡皮筋对小石块没有弹力，故B选项错误；从B点下落到C点的过程中，小石块先加速后减速，故动能先增大后减小，故C选项正确；在BC段，小石块受到橡皮筋的拉力作用，过B点后橡皮筋开始伸长（大于原长），当拉力小于重力时，小石块仍处于加速状态，重力势能转化为动能和弹性势能，当拉力大于重力时，小石块减速下落，减少的重力势能和动能全部转化为橡皮筋的弹性势能，故D选项错误。
【答案】 C
二、填空题
6.如图表示机械能的组成，请你将图中的①②补充完整：①
；②
。
?
【解析】树上的苹果由于具有一定高度而具有重力势能；拉伸的弹簧由于发生弹性形变而具有弹性势能。
【答案】重力势能 弹性势能
7.如图，一辆正在公路上匀速行驶的洒水车正在洒水作业，该洒水车在洒水过程中，动能
，机械能
。（选填“增大”“减小”或“不变”）?
【解析】洒水车在水平公路上匀速行驶，行驶中不断洒水，在此过程中，洒水车的质量不断减小，速度不变，动能减小，重力势能也变小；机械能=动能+重力势能，所以机械能减小。
【答案】减小 减小
8.在空中飞行的小鸟，某时刻具有的机械能为1
000
J，若此时它的势能为30
J，则小鸟此时的动能为
。?
【解析】小鸟的机械能为1
000
J，它的势能为30
J，则小鸟的动能为1
000
J-30
J=970
J。
【答案】970
J
9.如图甲所示，高为h的光滑斜面上，一物块从顶端A点由静止自由滑到底端B点，在此过程中，物块的机械能
（选填
“守恒”或“不守恒”）；图乙所示的图象表示该物块的
（选填
“动能”或“重力势能”）随高度变化的规律。?
【解析】机械能守恒的条件是机械能在转化过程中不能有其他形式能的转化，即只有动能和势能相互转化，斜面是光滑的，物块下滑时不克服摩擦做功，即重力势能只转化成了动能，故机械能是守恒的。图乙中所表示的能量随高度的增大而增大，因此它表示的是物块的重力势能随高度变化的规律。
【答案】守恒
重力势能
10.沿水平桌面自由滚落的小球的运动轨迹如图所示，C、D两处高度相同。B点的动能 C点的动能；C点的重力势能 D点的重力势能。（均选填“大于”、“小于”或“等于”）?
【解析】从B点到C点的过程中，小球的质量不变，所处高度减小，小球的重力势能减小，重力势能转化为动能，故动能增大，即B点的动能小于C点的动能；C点和D点的高度相同，质量不变，所以C、D两点的重力势能相等。
【答案】 小于 等于
三、简答题
11.在一次娱乐节目中，魔术师表演了“硬币入杯”，吸引了许多魔术爱好者的关注，他们对“硬币入杯”进行了拆招（如图所示）：硬币从进币口进入桌面下方，然后被安排好的弹簧向上弹出，进入杯中。请你分析硬币在这个过程中的机械能是如何转化的（说出主要的即可）。
【解析】硬币从进币口向下运动时重力势能转化为动能；硬币被弹起时，弹性势能转化成动能；硬币在上升时动能转化为重力势能；从最高点下降时，重力势能转化为动能。
【答案】见解析
12.小红同学的家到学校本来是一条水平直路，学了能量转化的物理知识后，小红同学设想：要是能把从家到学校的路挖成“U”形就好了（如图）。只要从家里骑上自行车滑下，根本不用蹬，也不用踩刹车，等车停下来时便到学校了!
（1）在小红同学的设想中，机械能的转化情况是 。?
（2）小红同学的设想能够实现吗？请用相关的物理知识加以说明。
【解析】（1）将路挖成“U”形后，自行车下坡时重力势能转化为动能；上坡时动能转化为重力势能；（2）她的这种设想不能实现，因为自行车在运动过程中受到阻力的作用，使部分机械能转化为其他形式的能，机械能减少，所以不能到达学校。
【答案】 见解析中小学教育资源及组卷应用平台
第4节
机械能及其转化
学习目标
理解机械能的概念。
能解释一些有关动能、重力势能、弹性势能之间相互转化的简单的物理现象。
了解风能和水能的利用。
知识点全解
知识点一：机械能及其转化
1.机械能：
、
和
统称为机械能。
说明：
（1）动能和势能都属于机械能，一个物体可以有动能，也可以有势能，还可以同时具有动能和势能；
（2）物体具有的机械能的大小等于物体具有的动能和势能之和，即机械能=动能+势能。
2.转化：在一定条件下，动能和势能是可以相互转化的。
3.机械能守恒
如果只有动能和势能相互转化，尽管动能、势能的大小会变化，但两者的总和
，或者说，机械能是守恒的。
说明：
机械能守恒是有条件的，只有
和
相互转化时，机械能才是守恒的。
例1：在下图所示的四个过程中，属于弹性势能转化为动能的是（
）
知识点二：水能和风能的利用
水能
风能
概述
水能属于自然界中具有大量机械能的自然资源，自然界中的瀑布、潮汐、河流都具有大量的水能
风是流动的空气，由于不同地区、不同时刻、不同高度的空气温度不同，压强也不同，空气就会流动起来，形成风，风具有风能
特点
无污染、蕴藏量大，可循环利用
资源丰富、无污染、
、
利用
（1）早期：人们利用水车来汲水、磨粉、碾谷等
（2）到18世纪：人们利用大功率水
车来带动纺织机械、冶金鼓风机工作
（3）近代：利用水力带动水轮发电机发电
（1）利用风能来驱动帆船航行
（2）利用风能来推动风车做功
（3）利用风能来发电
例2：我国早在2000多年前就开始利用风来推动帆船航行，至少在1700多年前已开始利用风来推动风车做功。如图所示是现代的风力发电站，利用风力发电最明显的缺点是 ????。
知识点全练
练习1：如图是李明参加蚌埠市“走进科学，走进梦想”科技节比赛中用的弹力小车，它依靠橡皮筋作为动力。比赛时卷紧橡皮筋后静止释放小车，橡皮筋牵动车上齿轮带动车轮使小车前进，这个过程中的能量转化是把 ????能转化为动能，小车的惯性将
（选填“变大”、“变小”或“不变”）。
练习2：蹦床运动是奥运会比赛项目。运动员比赛开始前直立在蹦床中央，比赛开始时快速下蹲并立即恢复直立被蹦床弹起，离开蹦床时成直立状态并一直保持，到达最高点后下落，接触蹦床时又快速下蹲并立即恢复直立，再次被蹦床弹起，达到更高点。忽略空气阻力，下列说法正确的是（
）
?
A.在整个过程中，运动员机械能守恒
B.在整个过程中，运动员机械能一直在增加
C.从离开蹦床到下落接触蹦床的过程中，运动员机械能守恒
D.从下落接触蹦床到离开蹦床的过程中，运动员机械能守恒
练习3：如图所示，小球在不同场景做不同运动。请你根据所给条件回答以下问题。
（1）如图甲，质量为m的小球从高度为h的光滑斜面顶端由静止自由滑下，到达斜面底端的速度为v0，此过程 ?
??能转化成 ???能，关系式mgh=?mv2成立，则一个物体从高0.2
m的光滑斜面顶端自由下滑到斜面底端时的速度为 ???m/s。（g=10
m/s2）
（2）如图乙，将物体以一定的初速度v0沿水平方向抛出（不计阻力），物体做平抛运动，在水平方向做匀速直线运动，则水平方向的距离公式为 ????（用图中字母符号表示），在竖直方向下落的高度y=?gt2，则y与x2的关系可用丙图中的图线
表示。
自我检测
一、选择题
1.下列过程中属于弹性势能转化为动能的是（
）
A.熟透的苹果从树上落下
B.弹簧枪将“子弹”射出
C.蹦极者落下拉紧橡皮绳
D.秋千由低处摆向高处
2.如图所示，空中加油机正在给匀速水平飞行的战斗机加油，加油后战斗机仍以原来的高度和速度做匀速飞行，则战斗机的（
）
A.动能不变，势能不变，机械能不变
B.动能不变，势能减少，机械能减少
C.动能增加，势能不变，机械能增加
D.动能增加，势能增加，机械能增加
3.如图所示，跳水运动员从起跳到入水过程中，若不计空气阻力，则（
）
A.起跳时，跳板的弹性势能转化为运动员的重力势能，机械能减小
B.上升时，运动员的动能转化为重力势能，机械能减小
C.下落时，运动员的重力势能转化为动能，机械能增加
D.下落时，运动员的重力势能转化为动能，机械能不变
4.如图甲中斜面光滑，图乙中斜面粗糙，斜面上所放物块相同。则下列说法正确的是（
）
A.甲图中，物块从斜面滑下时，重力势能转化为动能
B.乙图中，物块由斜面滑下时，只受重力和摩擦力
C.乙图中，若物块匀速滑下，其机械能守恒
D.乙图中，若物块滑动到最低点时，其机械能为0
5.如图所示，小明在做模拟“蹦极”的小实验，一根橡皮筋一端系一个小石块，另一端固定在A点，B点是橡皮筋不系小石块自然下垂时下端所在的位置，C点是小石块从A点自由释放后所能达到的最低点。下列关于小石块从A点到C点运动过程的说法，正确的是（不计阻力的影响）（
）
A.小石块减少的重力势能全部转化为动能
B.从A点下落到B点的过程中，小石块受到重力和弹力的作用
C.从B点下落到C点的过程中，小石块的动能先增大后减小
D.石块通过B点后，任一时刻减少的重力势能全部转化为橡皮筋的弹性势能
二、填空题
6.如图表示机械能的组成，请你将图中的①②补充完整：①
；②
。
?
7.如图，一辆正在公路上匀速行驶的洒水车正在洒水作业，该洒水车在洒水过程中，动能
，机械能
。（选填“增大”“减小”或“不变”）?
8.在空中飞行的小鸟，某时刻具有的机械能为1
000
J，若此时它的势能为30
J，则小鸟此时的动能为
。?
9.如图甲所示，高为h的光滑斜面上，一物块从顶端A点由静止自由滑到底端B点，在此过程中，物块的机械能
（选填
“守恒”或“不守恒”）；图乙所示的图象表示该物块的
（选填
“动能”或“重力势能”）随高度变化的规律。?
10.沿水平桌面自由滚落的小球的运动轨迹如图所示，C、D两处高度相同。B点的动能 C点的动能；C点的重力势能 D点的重力势能。（均选填“大于”、“小于”或“等于”）?
三、简答题
11.在一次娱乐节目中，魔术师表演了“硬币入杯”，吸引了许多魔术爱好者的关注，他们对“硬币入杯”进行了拆招（如图所示）：硬币从进币口进入桌面下方，然后被安排好的弹簧向上弹出，进入杯中。请你分析硬币在这个过程中的机械能是如何转化的（说出主要的即可）。
12.小红同学的家到学校本来是一条水平直路，学了能量转化的物理知识后，小红同学设想：要是能把从家到学校的路挖成“U”形就好了（如图）。只要从家里骑上自行车滑下，根本不用蹬，也不用踩刹车，等车停下来时便到学校了!
（1）在小红同学的设想中，机械能的转化情况是 。?
（2）小红同学的设想能够实现吗？请用相关的物理知识加以说明。
