學(xué)而優(yōu)教有方11.4機(jī)械能及其轉(zhuǎn)化（導(dǎo)學(xué)案）【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1.知道動能、重力勢能和彈性勢能統(tǒng)稱為機(jī)械能。2.能通過實驗或?qū)嵗J(rèn)識物體的動能和勢能可以相互轉(zhuǎn)化，能解釋與機(jī)械能轉(zhuǎn)化有關(guān)的現(xiàn)象。3.通過實例認(rèn)識能量可以從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，不同形式的能量可以相互轉(zhuǎn)化。通過水能和風(fēng)能的利用知道人類如何利用機(jī)械能的轉(zhuǎn)化與守恒解決實際問題。提高運用機(jī)械能轉(zhuǎn)化與守恒觀點分析力學(xué)問題的意識。【學(xué)習(xí)重點】動能和勢能之間的轉(zhuǎn)化。【學(xué)習(xí)難點】機(jī)械能守恒。【自主預(yù)習(xí)】閱讀教材，完成以下問題：1．機(jī)械能：能、能和能統(tǒng)稱為機(jī)械能。機(jī)械能是動能和勢能之。2．機(jī)械能及其轉(zhuǎn)化：動能和勢能之間(選填“可以”或“不可以”)相互轉(zhuǎn)化。3．機(jī)械能守恒：如果只有能和能的相互轉(zhuǎn)化，盡管動能和勢能的大小會變化，但機(jī)械能的不變，或者說，機(jī)械能是的。4.水能和風(fēng)能的利用：自然界中的流水和風(fēng)都具有大量的能，可以用來發(fā)電。【合作探究】探究一、機(jī)械能及其轉(zhuǎn)化1.機(jī)械能【想一想】高空飛行中的飛機(jī)具有什么能量？【分析】飛行中的飛機(jī)因為它在運動而具有能，又因為它處于高空而具有能，一個物體可以既有動能，又有勢能，把這兩種能量加在一起，就是它的能。動能、重力勢能和彈性勢能統(tǒng)稱為機(jī)械能。一個物體具有的機(jī)械能是動能和勢能之和。例如，如果飛行中的飛機(jī)的動能是4×108J，重力勢能為5×108J，那么總的機(jī)械能為：動能+勢能=4×108J+5×108J=9×108J。2.動能和勢能的轉(zhuǎn)化（1）動能和重力勢能的轉(zhuǎn)化動能和重力勢能可以相互轉(zhuǎn)化。下面以單擺和滾擺的運動為例分析。①單擺實驗如圖所示，擺球在豎直平面內(nèi)擺動，在A、C點時最高，在B點時最低，所以擺球的運動可分為下降段和上升段。其能量轉(zhuǎn)化情況見下表。運動過程高度重力勢能速度動能能的轉(zhuǎn)化A→B降低減小變大增大能轉(zhuǎn)化為能B→C升高增大變小減小能轉(zhuǎn)化為能C→B降低減小變大增大能轉(zhuǎn)化為能B→A升高增大變小減小能轉(zhuǎn)化為能【結(jié)論】單擺在擺動過程中，動能和重力勢能可以相互轉(zhuǎn)化。②滾擺實驗如圖所示，將滾擺掛起來，捻動滾擺，使懸線纏繞在軸上，當(dāng)滾擺上升到最高點后，放開手，滾擺會下降和上升，能量變化的分析過程如下表所示。運動過程高度重力勢能速度動能能的轉(zhuǎn)化下降降低減小變大增大能轉(zhuǎn)化為能上升升高增大變小減小能轉(zhuǎn)化為能【結(jié)論】滾擺在擺動過程中，動能和重力勢能可以相互轉(zhuǎn)化。（2）動能和彈性勢能的轉(zhuǎn)化如圖所示，讓一個木球從斜面上滾下來，撞到水平面的一根彈簧上。分析其能量轉(zhuǎn)化的情況。研究的過程球的速度球的動能彈簧的形變程度彈簧的彈性勢能能的轉(zhuǎn)化乙木球壓縮彈簧逐漸減小直至為零逐漸減小直至為零由小變大逐漸增大能轉(zhuǎn)化為能丙彈簧把木球彈回由零逐漸增大由零逐漸增大由大變小逐漸減小直至為零能轉(zhuǎn)化為能【結(jié)論】動能和彈性勢能在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化。（3）歸納結(jié)論動能和勢能可以相互轉(zhuǎn)化。動能和重力勢能可以相互轉(zhuǎn)化，動能和彈性勢能可以相互轉(zhuǎn)化。注意：動能和勢能的相互轉(zhuǎn)化的條件①動能和勢能的相互轉(zhuǎn)化過程中，必定有動能和勢能各自的變化，而且一定是此增彼減。②動能的增減變化要以的變化來判斷；重力勢能的增減變化要以物體離地面的變化來判斷；彈性勢能的增減要根據(jù)大小的變化來判斷。（4）動能和勢能相互轉(zhuǎn)化的實例①人從滑梯下滑時，重力勢能轉(zhuǎn)化為動能。②拉弓射箭時，拉開的弓把箭射出去的過程中，弓的彈性勢能轉(zhuǎn)化為箭的動能。③撐桿跳高時，能量的轉(zhuǎn)化過程：動能→彈性勢能（跳桿）→重力勢能→動能。3.機(jī)械能守恒（1）機(jī)械能守恒動能、勢能的大小會變化，它們的和是否變化呢？物理學(xué)家經(jīng)過大量的實驗研究與理論推導(dǎo)，得出了如下規(guī)律：如果只有動能和勢能相互轉(zhuǎn)化，盡管動能、勢能的大小會變化，但機(jī)械能的不變。或者說，機(jī)械能是的。（2）機(jī)械能守恒的條件只有能和能的相互轉(zhuǎn)化，而沒有機(jī)械能與其他形式的能的相互轉(zhuǎn)化。（即忽略摩擦力造成的能量損失，機(jī)械能守恒也是一種理想化的物理模型）在物理學(xué)中常常出現(xiàn)“光滑的表面”、“不計空氣阻力”、“不計摩擦”等文字描述，表示沒有摩擦阻力，機(jī)械能是的（選填“守恒”或“不守恒”）。（3）機(jī)械能不守恒的一些事例汽車爬坡勻速下落的跳傘者火箭發(fā)射（4）用機(jī)械能守恒及其轉(zhuǎn)化解釋現(xiàn)象①本節(jié)開始提出的問題：用繩子把一個鐵鎖懸掛起來。把鐵鎖拿近自己的鼻子，穩(wěn)定后松手，頭不要動。鐵鎖向前擺去又?jǐn)[回來。鐵鎖擺回時會碰到你的鼻子嗎？【分析】鐵鎖下降的過程是重力勢能轉(zhuǎn)化為動能，上升的過程是動能轉(zhuǎn)化為重力勢能。在上升和下降的過程中，鐵鎖和空氣之間存在，克服摩擦做功，一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為能，機(jī)械能不守恒（減小），也就是重力勢能的最大值越來越小，所以擺動的高度會越來越，不會達(dá)到鼻尖的。②分析過山車在運動過程中的能量轉(zhuǎn)化情況。【分析】從A到B的運動過程中，能轉(zhuǎn)化為能；從B到C的運動過程中，能轉(zhuǎn)化為能；從C到D的運動過程中，重力勢能轉(zhuǎn)化為動能。過山車運行過程中車與軌道之間有摩擦力，還受到空氣的阻力，機(jī)械能并不守恒，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，不給其他動力的情況下，過山車最終停下來。③分析人造地球衛(wèi)星的機(jī)械能轉(zhuǎn)化許多人造地球衛(wèi)星沿橢圓軌道繞地球運行。離地球最近的一點叫，最遠(yuǎn)的一點叫。衛(wèi)星在大氣層外運行，不受空氣阻力，只有動能和勢能的轉(zhuǎn)化，因此機(jī)械能（選填“守恒”或“不守恒”）。衛(wèi)星在遠(yuǎn)地點時能最大，當(dāng)它從遠(yuǎn)地點向近地點運動時，能減小，能增大，速度也增大。當(dāng)衛(wèi)星從近地點向遠(yuǎn)地點運動時，它的能減小，能增大，速度也減小。【例題1】小明從光滑的滑梯上下滑過程中，下列說法正確的是（不計空氣阻力）（）A.重力勢能減小，動能增加，機(jī)械能不變。B.重力勢能增加，動能減小，機(jī)械能不變。C.重力勢能增加，動能不變，機(jī)械能增加。D.重力勢能減小，動能不變，機(jī)械能減小。【例題2】在溫哥華冬奧會上，來自黑龍江省的選手李妮娜在自由式滑雪比賽中獲得銀牌。她在比賽過程中運動的軌跡如圖所示，如果不計空氣阻力，則從a點向b點運動過程中，動能____（選填“增大”、“減小”或“不變”）；她在a點處的機(jī)械能_______她在c點處的機(jī)械能；c點的機(jī)械能______d點的機(jī)械能（選填“大于”、“小于”或“等于”）。探究二、水能和風(fēng)能的利用地球上，海水潮汐漲落，江河日夜奔騰；有時微風(fēng)拂面，有時狂風(fēng)勁吹。從能量的角度來看，自然界的流水和風(fēng)都具有大量機(jī)械能的天然來源，即水能和風(fēng)能都是機(jī)械能。1.水能（1）水能：流動的水具有能，高處的水具有能，水所具有的機(jī)械能統(tǒng)稱為能。水能的大小由流量、流速和水位差決定。（2）古代對水能的利用：早在1900多年前，我們的祖先就制造了水輪，讓流水沖擊水輪轉(zhuǎn)動，用來汲水、磨粉、碾谷。（3）水能發(fā)電站：將水的能轉(zhuǎn)化成能。修筑攔河壩提高上游水位，壩底裝水輪機(jī)，發(fā)電機(jī)裝在水輪機(jī)上面，它們的軸連接在一起，水輪機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。一定量的水，上、下水位差越大，水的重力勢能越大，能發(fā)出的電就越多。2.風(fēng)能（1）風(fēng)能：流動的空氣所具有的能叫做風(fēng)能。風(fēng)能的大小由風(fēng)速和流動空氣的質(zhì)量決定。（2）古代對風(fēng)能的利用：我國早在2000多年前就開始利用風(fēng)來驅(qū)動帆船航行；至少1700多年前已開始利用風(fēng)來推動風(fēng)車做功。（3）風(fēng)能發(fā)電站：將風(fēng)的能轉(zhuǎn)化成能。單個風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率較小，在風(fēng)力資源豐富的地區(qū)，可以同時安裝幾百臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)，組成“風(fēng)車田”，連在一起供電。【例題3】下列關(guān)于水能和風(fēng)能的說法中，正確的是（）A.流動的河水只有動能，沒有重力勢能B.風(fēng)只具有動能，不具有重力勢能C.利用水能和風(fēng)能都可以做連續(xù)性的工作D.水能和風(fēng)能都不會污染環(huán)境【歸納整理】第4節(jié)機(jī)械能及其轉(zhuǎn)化【精講點撥】1.機(jī)械能（1）機(jī)械能是物體動能、重力勢能和彈性勢能的統(tǒng)稱，機(jī)械能等于三者之和。（2）物體的機(jī)械能由動能、重力勢能和彈性勢能共同決定。質(zhì)量、速度、高度、彈性形變程度均會影響物體的機(jī)械能。2.機(jī)械能守恒（1）如果只有動能和勢能的相互轉(zhuǎn)化，機(jī)械能的總和不變，即機(jī)械能守恒。（2）注意機(jī)械能守恒的條件：只有動能和勢能的相互轉(zhuǎn)化，而沒有機(jī)械能與其他形式的能的相互轉(zhuǎn)化。（即忽略摩擦力造成的能量損失，所以機(jī)械能守恒也是一種理想化的物理模型）。在物理學(xué)中常常出現(xiàn)“光滑的表面”、“不計空氣阻力”、“不計摩擦”等文字描述，表示沒有摩擦阻力，機(jī)械能是守恒的。（3）機(jī)械能不守恒的情況：實際生活中，一般情況下，機(jī)械能會與其他形式的能發(fā)生轉(zhuǎn)化，機(jī)械能不守恒。①機(jī)械能轉(zhuǎn)化為其他形式的能。例如滾擺在擺動時與空氣摩擦，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為空氣的內(nèi)能，最后會停下來。②其他形式的能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。例如火箭升空，燃料的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。【課堂練習(xí)】1．如圖，在2022年北京冬奧會開幕式上，質(zhì)量約為3t的奧運五環(huán)緩緩升起。若將升起過程看成勻速直線運動，則該過程中奧運五環(huán)的（）A．重力勢能不變 B．動能增大C．機(jī)械能不變 D．機(jī)械能增大2．如圖為一擺球從左側(cè)A點擺到右側(cè)最高點B的過程圖，請在圖中三個位置的擺球上用“1”和“2”分別標(biāo)注出機(jī)械能最大位置和動能最小位置。3.2022年2月北京冬奧會，中國代表團(tuán)共收獲9金4銀2銅共15枚獎牌，金牌數(shù)和獎牌數(shù)均創(chuàng)歷史新高。如圖為高速攝影機(jī)記錄的單板滑雪男子大跳臺金牌得主蘇翊鳴在比賽中，從跳臺起跳到落地過程的情景。下列關(guān)于這一過程說法正確的是（）A．他從起跳到最高點的過程中，動能逐漸轉(zhuǎn)化成重力勢能B．他起跳后到達(dá)最高點時，機(jī)械能最大C．他從空中下落過程中，重力做功越來越慢D．他從起跳到落地的整個過程中，機(jī)械能是守恒的第3題圖第4題圖4.如圖，讓小球從光滑軌道AOB的A點由靜止開始自由滑下，A點的高度H大于B點的高度h，沿軌道AOB到達(dá)B點后離開（不計空氣阻力）。則小球離開B點后的運動軌跡最符合實際的是（）A．a(chǎn) B．b C．c D．d5.如圖，光滑水平桌面上的彈性小球被彈出后，經(jīng)過A點和B點后落到地面，又被多次彈起，圖中虛線為小球的運動軌跡。下列有關(guān)小球的運動，描述正確的是（）A．小球從A點運動到B點的過程中機(jī)械能不斷減少B．小球反彈經(jīng)過D點時動能為零C．若將彈性小球表面涂黑，則會在C、F兩點留下等大的黑色圓斑D．小球經(jīng)過E點的機(jī)械能大于經(jīng)過G點的機(jī)械能6．球豎直向上運動，并落回地面，這過程中先后經(jīng)過M、S兩點。球在這兩點的動能和重力勢能如圖所示，則球在M點的（）A．速度比在S點的大B．機(jī)械能大于在S點的C．機(jī)械能等于在S點的D．離地高度比在S點的低7．衢江抽水蓄能電站全面投產(chǎn)發(fā)電，工作原理如圖所示，用電低谷時（如深夜），電站利用電網(wǎng)多余電能把水從下水庫抽到上水庫中儲存起來；用電高峰時，再利用上水庫中的水發(fā)電．（1）蓄能時，水被抽到上水庫，此過程是將____能轉(zhuǎn)化為水的機(jī)械能．（2）抽水蓄能電站選