初中人教版第十一章 功和机械能11.4 机械能及其转化优质学案

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双基过关
知识点一、机械能：
1.定义：动能、重力势能和弹性势能统称为机械能。
2.单位：焦耳，简称焦，符号J。
3.影响因素：
物体的机械能由质量、速度、高度和弹性形变程度等共同决定。物体的质量越大、速度越大、所处的高度越高、弹性形变越大，物体的机械能就越大。
4.理解：
（1）机械能是与物体机械运动紧密相关的能量。
（2）一个物体可以既有动能，又有势能。
（3）一个物体具有机械能时，可以表现为只有动能，没有势能；也可以表现为只有势能，没有动能。
（4）物体的机械能等于它的动能和势能（重力势能和弹性势能）之和。
基础自测：
1．在物理学中，许多物理量的单位都是用物理学家的名字来命名的，这主要是为了纪念这些物理学家在物理学方面做出的巨大贡献，“焦耳”这个单位便是其中的一例。在下列各个物理量中，不是用“焦耳”作为单位的是（ ）
A．功B．功率C．动能D．机械能
2．淮安高架桥于2019年12月15日已开通，大大节省了广大司机出城和入城的时间，一辆轿车正从匝道（连接高架桥上下两条道路的辅路）加速驶上高架，则轿车的（ ）
A．动能不变，重力势能不变，机械能不变B．动能不变，重力势能增加，机械能增加
C．动能增加，重力势能不变，机械能增加D．动能增加，重力势能增加，机械能增加
3．现有质量相同的甲、乙两辆汽车，甲汽车正沿着盘山公路向山上行驶，乙汽车正在山脚下的水平公路上行驶。设甲、乙两汽车行驶的速度大小相同，则（ ）
A．甲汽车的动能比乙汽车的动能小
B．甲汽车的重力势能比乙汽车的重力势能小
C．甲汽车的机械能一定比乙汽车的机械能大
D．甲汽车的机械能与乙汽车的机械能相等
4．一个在空中飞行的篮球的动能大约是30J，重力势能大约是20J，它的机械能约是___________J。
5．蹦床运动是运动员从蹦床弹向空中表演技巧动作的一项体育活动。当运动员离开蹦床弹向空中的过程中，运动员具有的重力势能______，刚开始由最高点下落时，动能______。如不考虑空气阻力，下落过程中机械能______。（选填“增大”、“不变”或“减小”）
6．如图所示是小球弹跳的频闪照片，小球在A、B位置的高度一样．由图可知，小球在位置A的重力势能________小球在位置B的重力势能，小球在位置A的动能________小球在位置B的动能．(均选填“大于”“小于”或“等于”)
知识点二、机械能及其转化
1.动能和势能的相互转化
（1）生活中的实例
①单摆：小球向低处运动时，位置变低，速度变大；到达最低点时，位置最低，速度最大。小球向高处运动时，位置变高，速度变小；到达最高点时，位置最高，速度为零。
②滚摆：滚摆向低处运动时，位置变低，速度变大；到达最低点时，位置最低，速度最大。滚摆向高处运动时，位置变高，速度变小；到达最高点时，位置最高，速度为零。
③斜面：小球从光滑斜面向低处运动时，位置变低，速度变大；到达最低点时，位置最低，速度最大。小球从光滑斜面向高处运动时，位置变高，速度变小；到达最高点时，位置最高，速度为零。
（2）分析
①小球（滚摆）向低处运动时，动能增大，重力势能减小，重力势能转化为动能；小球（滚摆）向高处运动时，动能减小，重力势能增大，动能转化为重力势能。
②小球（滚摆）在运动的过程中若存在空气（摩擦）阻力，机械能总量会越来越少，能到达的最大高度越来越低，最终停止运动。
③若忽略运动过程中的一切阻力，小球（滚摆）将一直运动下去，总的机械能保持不变。
（3）结论：动能和重力势能可以相互转化，若忽略运动过程中的一切阻力，动能和重力势能的总和（机械能）将保持不变。
2.动能和弹性势能的相互转化
实例：小球从斜面滚下，以一定的速度压缩水平固定的弹簧，速度越来越小，压缩量越来越大；压缩量最大时，速度为零。弹簧逐渐恢复原长，推动小球，弹簧的压缩量越来越小，速度越来越大；弹簧恢复原长时，速度最大。
分析：小球压缩弹簧时，动能减小，弹性势能增大，动能转化为弹性势能；弹簧恢复原长的过程，弹性势能减少，动能增加，弹性势能转化为动能。
结论：动能和弹性势能可以发生相互转化。
3.重力势能和弹性势能的转化
弹性势能和重力势能之间不能直接转化。只有伴随动能的转化才能实现弹性势能和重力势能的转化。如撑杆跳高，助跑踏杆时，动能转化为弹性势能；人上升跃杆时，弹性势能转化为动能和重力势能；跃杆后，重力势能转化为动能；落到垫子上，动能和重力势能转化为弹性势能。
4.机械能守恒
大量事实表明，若只有动能和势能相互转化，尽管动能、势能的大小会变化，但机械能的总量保持不变，即机械能守恒。
基础自测
7．2021年是中国航天的丰收年，三名航天员在太空 “出差”三个月后重返家园，代表着我国航天事业迈人新篇章。如图甲所示的是卫星在随火箭加速上升的情景；如图乙所示的是人造地球卫星沿椭圆轨道绕地球运行的情景，离地球最近的点叫近地点，离地球最远的点叫远地点。下列说法中正确的是（ ）
A．在卫星加速上升的过程中，动能全部转化为重力势能
B．人造地球卫星从远地点向近地点运行时，机械能减小
C．人造地球卫星从近地点向远地点运行时，势能增大，动能减小
D．在甲、乙两图中，卫星的机械能都不变
8．2022年4月16日，神舟十三号载人飞船返回舱在东风着陆场成功着陆，载人飞行任务取得圆满成功。在返回舱减速着陆的过程中，下列说法正确的是（ ）
A．返回舱的机械能总量不变B．返回舱的重力势能转化为动能
C．返回舱的重力势能减小，动能减小D．返回舱的重力势能减小，动能增大
9．如图所示，滚摆从高处向低处摆动的过程中（ ）
A．动能减少B．动能转化为重力势能
C．重力势能不变D．重力势能转化为动能
10．如图所示是拉弓射箭时的情境，松手后箭飞出，这是因为箭具有______；此过程中将弓的______能转化为箭的动能。
知识点三、水能和风能的利用
1.水能
（1）概述：水能属于自然界中具有大量机械能的天然资源，自然界中的瀑布、潮汐、河流都具有大量的水能。
（2）特点：无污染、蕴藏量大、可循环利用。
（3）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，利用水力带动水能发动机发电。
2.风能
（1）概述：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。
（2）特点：资源丰富、无污染、不稳定、不便于储存。
（3）应用
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。
基础自测
11．下列情况中，不计空气阻力，物体的机械能大小一定不变的是（ ）
A．木块沿斜面匀速上升
B．人乘着电梯匀速下降
C．物体在平衡力的作用下做匀速直线运动
D．瀑布中的水从山上倾泻而下
12．以下关于功和能说法不正确的是
A．物体能做功，这个物体就具有能
B．能和功的主单位是焦耳
C．压缩的弹簧具有动能，流动的水和风具有机械能
D．通电能使电动机运转，是因为电能转化为机械能
13．如图所示，光滑的半圆形轨道固定在水平桌面上，轨道上的A、C两点在同一高度，B点为最低点，小球从A点由静止自由释放，不计空气阻力，下列说法正确的是（ ）
A．小球不能到达C点
B．小球到达C点时惯性消失
C．小球由A点运动到B点的过程中受到的是非平衡力
D．小球从A点运动到B点的过程中动能转化为重力势能，机械能守恒
14．近年来我国抽水蓄能电站发展较快。其工作原理如图所示：用电低谷时利用电网多余电能把水从下水库抽到上水库中储存起来；用电高峰时，再利用上水库中的水发电。抽水蓄能时是将电能转化为水的 ___________能；电站选址时不仅需要当地水资源充足，还要地势陡峭，这样建成的电站上、下水库的高度差比较 ___________，有利于蓄能与发电。
考点突破
考点1.对机械能的理解
方法：三点理解机械能
(1)机械能是物体动能、重力势能和弹性势能的统称，机械能等于三者之和。
(2)物体的机械能由动能、重力势能和弹性势能共同决定。
(3)质量、速度、高度、弹性形变程度均会影响物体的机械能;需要特别注意的是，质量和形状都相同的不同物体静止在同一水平面上,其重力势能可能不同.原因是物体重心的高度可能不同。
例1.（2022·内蒙古呼和浩特·中考真题）荡秋千是一种喜闻乐见的运动，在越荡越高的欢乐中，享受的是激情与健身的欢欣。如图所示，晨光同学在荡秋千。他从A点自由出发，经过最低点B和与A点等高的C点，到达右侧最高点D返回。经测量，D点高于A点和C点。晨光同学从A到D的过程中，下列判断正确的是（ ）
A．A点和D点机械能相等
B．到达B点时，受力平衡
C．在此过程中，只有机械能与内能之间相互转化
D．从A点到D点，其机械能增加
考点2.机械能及其转化
方法：抓实质判断机械能转化及守恒问题
首先分析决定动能大小的因素(质量和速度)决定重力势能大小的因素(质量和高度)或决定弹性势能大小的因素(弹性形变)如何变化，再看动能和重力势能或弹性势能如何变化
只有动能和势能相互转化时,机械能才守恒,即只有重力和弹力做功时机械能守恒。“忽略空气阻力”“不计摩擦”等词语是判断机械能守恒的关键词，审题时一定要抓住这些关键词。
例2.（2022·山东滨州·统考中考真题）2022年2月北京冬奥会，中国代表团共收获9金4银2铜共15枚奖牌，金牌数和奖牌数均创历史新高。如图为高速摄影机记录的单板滑雪男子大跳台金牌得主苏翊鸣在比赛中，从跳台起跳到落地过程的情景。下列关于这一过程说法正确的是（ ）
A．他从起跳到最高点的过程中，动能逐渐转化成重力势能
B．他起跳后到达最高点时，机械能最大
C．他从空中下落过程中，重力做功越来越慢
D．他从起跳到落地的整个过程中，机械能是守恒的
例3.（2022·江苏南通·统考中考真题）下列四个情境中，属动能转化为势能的是（ ）
A． 拉弓放箭B． 踩板下滑
C． 秋千上摆D． 弹簧拉车
例4.（2022·山东济南·统考中考真题）把常用的按钮式圆珠笔笔尖朝上用力按下后放手，它会弹起很高。把它拆开后发现，它能弹起的原因是内部装有一根弹簧，如图甲所示。小强仔细观察后发现，圆珠笔弹起的过程可以分为“A：按下后放手”到“B：获得一个向上的速度”再到“C：向上运动到达最高点”，如图乙所示。圆珠笔在“A→B”阶段，___________转化为动能；圆珠笔在“B→C”阶段，动能转化为___________。
例5.（2022·广东·统考中考真题）图甲中过山车从A点出发，先后经过B、C、D、E点。图乙是过山车在B、C，D、E点的动能和重力势能大小的示意图，则过山车的动能在___________点最大，B点重力势能的大小___________E点动能的大小。在这个过程中，过山车的机械能是___________（选填“变化”或“不变”）的。