第四講機械能一、知識點1、能把物體做功的本領叫做能。物體能做的功越多，就說它具有的能越多。能是一個狀態量。它可以用一些狀態參量（如速度v，高度h，形變x等）表示出其量的多少。能量的多少是可以改變的。起重機的鋼索用力把重物提高使物體的重力勢能增大，在牽引力作用下車輛行駛得越來越快，其動能增大，用力拉彈簧使其伸長而彈性勢能增大……在物體能量改變過程中，通常伴隨著有力對物體或物體克服阻力做功，所以功是能量改變的量度。2、動能和勢能（1）動能動能是物體由于運動而具有的能。物體的質量越大，運動速度越大，其動能就越大。公式：（2）重力勢能重力勢能是物體處于某一高度時所具有的勢能。物體質量越大，所處的位置越高，重力勢能就越大。公式：（3）彈性勢能彈性勢能是物體由于發生彈性形變而具有的勢能。物體的彈性形變越大，彈性勢能就越大。公式：重力勢能和彈性勢能統稱為勢能。3、機械能動能和勢能統稱為機械能。動能和勢能之間可以相互轉化，在轉化過程中若沒有能量的損失或其他能量的補充，機械能的總和保持不變，機械能是守恒的。機械能和其他形式的能之間也可以相互轉化。無論是動能和勢能之間的相互轉化，還是機械能和其他形式的能之間的相互轉化常常是通過做功的過程來實現的。在轉化過程中，所做的功越多，一種形式的能轉化為另一種形式的能就越多。能量的轉化多少可以用做功的多少來量度。在國際單位制中能的單位與功的單位相同，也是焦（J）二、機械能和其他形式能的轉化沒有外力對物體做功（或者只有重力、彈力對物體做功），在物體勢能與動能相互轉化的過程中，機械能總量將保持不變。如圖所示，一個乒乓球從某一高度由靜止開始下落，經光滑地面反彈再回到原高度（空氣阻力不計）。當球在A處釋放時具有重力勢能，下落到B處時球既有動能（有速度），又有重力勢能（有高度）。繼續落到C處（設C為零高度）球的重力勢能為零，動能最大。在此過程中球的重力勢能轉化成動能，而A處的重力勢能最大，C處的動能最大，B處的重力勢能與動能之和等于A處的重力勢能，也等于C處的動能。球在C處發生形變使動能轉化成彈性勢能，再轉化成動能，球被彈回A處。在此過程中，動能又轉化成重力勢能，機械能的總和扔保持不變（即機械能守恒）。若地面不光滑，空氣阻力作用不可忽略，乒乓球便不能彈回原高度，表明球在運動過程中有機械能轉化成其他形式的能（如內能），機械能的總量就會減少。機械能和其他形式的能之間可以相互轉化，例如水電站水輪機帶動發電機做功，將機械能轉化為電能，而電動機則將電能重新轉化為機械能。汽車和火車的內燃機通過燃氣推動氣缸中的活塞做功，將燃料的化學能轉化為汽車的動能。現代生活和生產中隨處可見的各種動力機械，小到電動玩具、大到噴氣發動機，都是將電能、化學能等其他形式的能轉化為動能的能量轉化器。三、機械能守恒1、內容：在只有重力或彈力做功的物體系統內，動能和勢能可以互相轉化，而總的機械能保持不變。2、守恒的條件：只有重力或彈力做功．3、守恒表達式：二、精選練習題【典例】22．在探究“物體的動能跟哪些因素有關”的實驗中，如圖甲、乙、丙所示，將A、B、C三個鋼球先后從同一裝置高度分別為h1、h2、h3的位置由靜止開始滾下（mA＝mB＜mC，h1＝h3＞h2），水平面上同一位置的木塊被撞出一段距離后停下。請回答以下問題：（1）該實驗探究的是（填“木塊”或“鋼球”）的動能。（2）實驗通過觀察木塊被鋼球撞出的長短，來判斷鋼球動能的大小，這種研究問題的方法叫。（3）比較兩圖進行的實驗，可以探究鋼球動能大小與速度有關。（4）比較兩圖進行的實驗，可以探究鋼球動能大小與質量有關。此探究過程中兩球剛好運動到水平面時的速度（填“相等”或“不相等”）。（5）由此實驗聯想到某段道路限速牌上標明“100”和“80”字樣，（填“大客車”或“小轎車”）的限速應該是80km/h。23．熱愛勞動的津津，在家學做天津特色菜“貼餑餑熬魚”時，一個飲料瓶不小心落到了松軟的玉米面團上，在面團上留下較深的痕跡。于是他靈機一動，利用玉米面團和裝有水的飲料瓶，依次做了如圖所示的實驗，對如下兩個問題進行了探究。問題一：壓力作用效果跟哪些因素有關。問題二：重力勢能大小跟哪些因素有關。（1）做實驗①②③是為了探究（選填“問題一”或“問題二”）；（2）利用實驗④⑤可探究重力勢能大小與是否有關；（3）《民法典》中規定“禁止從建筑物中拋擲物品”，生活中更要杜絕“高空拋物”這種嚴重危害公共安全的行為。“高空拋物”危害性大的原因，可通過分析實驗⑤⑥得出的結論來解釋，請你寫出該結論。【變式訓練】1．在北京冬奧會上蘇翊鳴獲得單板滑雪冠軍，如圖所示是他從高處加速下落時的情景，下列關于蘇翊鳴說法正確的是（）A．動能增加，重力勢能減小 B．動能增加，重力勢能增加 C．動能減小，重力勢能增加 D．動能減小，重力勢能減小2．2022年北京冬奧會賽場上，我國選手谷愛凌摘得自由式滑雪大跳臺比賽的金牌。谷愛凌離開跳臺后，從低處向高處躍起后下落，在此過程中（）A．動能一直減小 B．重力勢能一直減小 C．動能先減小后增大 D．重力勢能先減小后增大3．神舟13號返回艙在空中高速下降到適當位置時打開降落傘，返回艙和傘開始做減速運動，空氣阻力隨速度的減小而減小，下降一段高度后，開始勻速下降直到地面附近。以返回艙和傘為研究對象，下列說法不正確的是（）A．減速下降過程中受力不平衡 B．減速下降過程中減少的機械能等于克服空氣阻力做功消耗的能量 C．勻速下降過程中機械能減小 D．減速下降過程中重力做功的功率小于勻速下降時重力做功的功率4．如圖所示，為了把兩件相同貨物搬運到汽車上，工人用相同材質的木板搭建了AB、CD兩個斜面，用沿斜面向上的力將其中一件貨物從斜面AB的底端勻速推到頂端，另一件貨物用同樣的方法沿斜面CD搬運。下列說法正確的是（）A．沿斜面AB推動更省力 B．沿斜面CD推動，工人克服貨物重力做的功更多 C．無論利用哪個斜面，工人克服貨物重力做功的功率一定相同 D．沿斜面推動貨物的過程中，貨物的機械能增大5．如圖所示，用繩子把一塊橡皮懸掛起來，把橡皮貼近自己的鼻子，穩定后松手，頭保持不動，橡皮向前擺去又擺回來，不會碰到鼻子。下列說法正確的是（）A．橡皮在擺動的過程中機械能保持不變 B．橡皮擺動到最低點時動能最小 C．橡皮在下降過程中，重力勢能轉化為動能 D．橡皮在上升過程中，重力勢能轉化為動能6．如圖所示是小明端午小長假在游樂園乘坐過山車時的情景，過山車在粗糙軌道的頂端由靜止滑下，途中經過A、B、C三點，其中A點與B點等高，C點在水平軌道上。在此過程中保證絕對安全，不計空氣阻力，下列關于過山車分析正確的是（）A．重力勢能全部轉化為動能 B．A點和B點的速度相等 C．在B點時受三個力作用 D．在C點時受平衡力作用7．2021年7月30日，中國蹦床運動員朱雪瑩和劉靈玲包攬了東京奧運會女子蹦床金銀牌，為國爭了光。比賽中朱雪瑩先被蹦床彈起上升到最高點，之后從最高點下落直至將蹦床壓縮到最低點。在此過程中，有關朱雪瑩機械能變化的說法正確的是（）A．在空中上升過程中，她的動能轉化為重力勢能 B．在最高點她的動能最大 C．下落到將與床面接觸時，她的動能為零 D．蹦床被壓縮到最低點時，她的重力勢能最大8．打籃球是很多同學喜愛的運動項目，某次打籃球過程中，籃球的部分運動軌跡如圖所示，下列說法正確的是（）A．籃球經過相同高度的B、C兩點時，機械能相等 B．籃球第一次反彈后到達最高點D時，動能為0 C．籃球經過B、E兩點時，動能可能相等 D．籃球在整個過程中機械能守恒9．如圖甲所示，輕彈簧豎直固定在水平面上。t＝0時刻，將一重為G的金屬小球從彈簧正上方某一高度處靜止釋放，小球落到彈簧上壓縮彈簧到最低點，然后被彈簧彈起，上升到一定高度后再下落，如此反復。通過安裝在彈簧下端的壓力傳感器，測出這一過程彈簧彈力F隨時間t變化的圖象如圖乙所示。則（）A．t1時刻小球的動能最大 B．t1時刻小球的重力勢能最大 C．t2時刻小球的機械能等于t1時刻小球的機械能 D．從開始下落到第一次到達最低點，小球內能的增加量小于這兩個時刻小球機械能的減少量10．如圖所示，小球從左側斜面的P點由靜止釋放，在右側斜面上能到達的最高位置是Q點，M、N是小球運動過程中先后通過的兩個等高點，下列關于該過程的說法中正確的是（）A．小球在左側斜面向下運動的過程中，重力勢能全部轉化為動能 B．小球從P點向Q點運動的過程中，機械能保持不變 C．小球從P點向Q點運動的過程中，所受支持力不做功 D．小球通過M、N兩點時的速度大小相等11．如圖，質量為2m的物塊P下方連接有一個質量為m的鉤碼，上端通過細線繞過輕質定滑輪連接一質量為2m的物塊Q，將它們由靜止釋放。在物塊P下落到地面的過程中，P，Q間細線拉力大小為F，（細線重力及各處的摩擦均不計，鉤碼落地后不彈起）（）A．鉤碼落地前F＝3mg，Q的機械能增大 B．鉤碼落地前F＜3mg，Q的機械能增大 C．鉤碼落地后F＝2mg，P的機械能不變 D．鉤碼落地后F＞2mg，P的機械能減小12．一顆番茄從手中由靜止開始下落，撞擊水面時濺起許多水珠（如圖），同時番茄仍有較大速度并繼續下沉。若不計一切機械能損耗，番茄從開始下落至剛好浸沒時減少的勢能（）A．等于所有濺起的水珠在撞擊過程中增加的機械能總和 B．大于所有濺起的水珠在撞擊過程中增加的機械能總和 C．等于所有濺起的水珠在空中上升過程中增加的機械能總和 D．小于所有濺起的水珠在空中上升過程中增加的機械能總和13．如圖所示為蹦極運動的簡化示意圖，彈性繩一端系在運動員雙腳上，另一端固定在跳臺O點。運動員由靜止開始自由下落，A點處彈性繩正好處于原長；B點處運動員受到的重力與彈性繩對運動員的拉力大小相等；C點處是蹦極運動員到達的最低點。（整個過程忽略空氣阻力，彈性繩的自重不計）（1）從O點到A點的過程中，運動員的機械能（選填“增大”“減小”“不變”或“先增大后減小”）。（2）從A點到C點的過程中，彈性繩的彈性勢能（選填“增大”“減小”“不變”或“先增大后減小”，下同）；運動員的動能。14．跳臺滑雪是冬奧會比賽項目之一。（1）北京冬奧會上某運動員在跳臺滑雪比賽時的運動軌跡如圖所示，該運動員沿跳臺從A點到B點的下滑過程中，重力勢能大小的變化是；（2）跳臺采用的人造雪可循環利用，體現綠色奧運理念。造雪時不斷吸入水，噴出粉狀雪，該造雪過程中水發生的主要物態變化是。15．某興趣小組通過自主探究得知“在一定范圍內，彈簧的彈力大小與彈簧的伸長量成正比”。原長為10cm的彈簧（質量不計）上端固定在天花板上，下端系一重為20N的小球，靜止時小球位于A處，彈簧長度變為11cm，再用力F將小球豎直向下拉到B處，彈簧長度為11.5cm（未超過彈性限度），然后由靜止釋放，在釋放瞬間小球受到的合力大小為N，小球從B處第一次回到A處過程中，小球的動能（選填“增大”、“減小”、“先增大后減小”或“先減小后增大”）。16．如圖所示，旋翼無人機正在噴灑農藥，當無人機水平勻速飛行時，無人機處于（選填“平衡”或“非平衡”）狀態，噴灑過程中無人機的動能（選填“增大”、“減小”或“不變”）。17．我國獨立自主研制的火星探測器“天問一號”沿橢圓軌道繞火星運動時，不考慮空氣阻力，只有動能和勢能的相互轉化，由近火點向遠火點運動時，探測器的動能，機械能（選填“變大”、“變小”或“不變”）。18．如圖1，小麗站在商場的手扶電梯上，隨梯勻速下樓，運動軌跡如圖2虛線所示。（1）在圖2中畫出小麗的受力示意圖。（圖中“?”表示小麗）（2）此過程中，小麗的動能（選填“增大”“不變”或“減小”），機械能（選填“增大”“不變”或“減小”）。19．如圖所示，小球從A點擺到C點的過程中，不計空氣阻力。能會先減小后增大；機械能總和（選填“增大”、“減小”或“不變”）。20．如圖所示為游樂園過山車的軌道示意圖。過山車