學而優(yōu)教有方.4機械能及其轉化（教學設計）年級八年級授課時間課題11.4機械能及其轉化教學目標1.知道動能、重力勢能和彈性勢能統(tǒng)稱為機械能。2.能通過實驗或實例，認識物體的動能和勢能可以相互轉化，能解釋與機械能轉化有關的現(xiàn)象。3.通過實例認識能量可以從一個物體轉移到另一個物體，不同形式的能量可以相互轉化。通過水能和風能的利用知道人類如何利用機械能的轉化與守恒解決實際問題。提高運用機械能轉化與守恒觀點分析力學問題的意識。教材分析本節(jié)要求學生不僅要知道動能和勢能之間可以相互轉化，而且要了解轉化過程中遵從的規(guī)律。教學中，以滲透機械能守恒的思想為前提，加強實驗，并利用動畫、視頻等，激發(fā)學生的學習興趣，使學生能夠從影響物體動能、重力勢能和彈性勢能大小的因素的角度判斷物體的機械能如何變化。本節(jié)內容由“機械能及其轉化”和“水能和風能的利用”兩部分構成，教學重點是動能和勢能之間的轉化。為了能夠從轉化和守恒的的觀點將動能和勢能聯(lián)系起來，可以讓學生分析、討論生活現(xiàn)象如蕩秋千、跳蹦蹦床、拍皮球等過程中物體高度、速度的變化，進而討論動能和勢能的變化情況，引出動能和勢能的轉化規(guī)律。教學器材教學過程教師活動學生活動導入新課【演示并提出問題】①用繩子把一個鐵鎖懸掛起來，把鐵鎖拉動自己的鼻子附近，穩(wěn)定后松手，頭不要動。鐵鎖向前擺去又擺回來。鐵鎖擺回時會碰到你的鼻子嗎？在這個實驗里，鐵鎖的動能和勢能是怎樣發(fā)生轉化的？在轉化過程中，動能與勢能的總量有什么變化？②播放視頻——《過山車》圖中的過山車具有什么能？過山車為什么能夠不斷地翻滾？動能和勢能發(fā)生變化嗎？學習了今天的知識，你就明白了—《11.4機械能及其轉化》。學習新課一、機械能及其轉化1.機械能【提出問題】高空飛行中的飛機具有什么能量？【師生分析】飛行中的飛機因為它在運動而具有動能，又因為它處于高空而具有重力勢能，一個物體可以既有動能，又有勢能，把這兩種能量加在一起，就是它的機械能。動能、重力勢能和彈性勢能統(tǒng)稱為機械能。一個物體具有的機械能是動能和勢能之和。例如，如果飛行中的飛機的動能是4×108J，重力勢能為5×108J，那么總的機械能為：動能+勢能=4×108J+5×108J=9×108J。2.動能和勢能的轉化（1）動能和重力勢能的轉化動能和重力勢能可以相互轉化。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。其能量轉化情況見下表。運動過程高度重力勢能速度動能能的轉化A→B降低減小變大增大重力勢能轉化為動能B→C升高增大變小減小動能轉化為重力勢能C→B降低減小變大增大重力勢能轉化為動能B→A升高增大變小減小動能轉化為重力勢能【結論】單擺在擺動過程中，動能和重力勢能可以相互轉化。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化下降降低減小變大增大重力勢能轉化為動能上升升高增大變小減小動能轉化為重力勢能【結論】滾擺在擺動過程中，動能和重力勢能可以相互轉化。（2）動能和彈性勢能的轉化如圖所示，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動能轉化為彈性勢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彈性勢能轉化為動能【結論】動能和彈性勢能在一定條件下可以相互轉化。（3）歸納結論動能和勢能可以相互轉化。動能和重力勢能可以相互轉化，動能和彈性勢能可以相互轉化。注意：動能和勢能的相互轉化的條件①動能和勢能的相互轉化過程中，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速度的變化來判斷；重力勢能的增減變化要以物體離地面高度的變化來判斷；彈性勢能的增減要根據(jù)形變大小的變化來判斷。（4）動能和勢能相互轉化的實例①人從滑梯下滑時，重力勢能轉化為動能。②拉弓射箭時，拉開的弓把箭射出去的過程中，弓的彈性勢能轉化為箭的動能。③撐桿跳高時，能量的轉化過程：動能→彈性勢能（跳桿）→重力勢能→動能。播放視頻——《觀察滾擺、單擺的運動》3.機械能守恒（1）機械能守恒動能、勢能的大小會變化，它們的和是否變化呢？物理學家經過大量的實驗研究與理論推導，得出了如下規(guī)律：如果只有動能和勢能相互轉化，盡管動能、勢能的大小會變化，但機械能的總和不變。或者說，機械能是守恒的。（2）機械能守恒的條件只有動能和勢能的相互轉化，而沒有機械能與其他形式的能的相互轉化。（即忽略摩擦力造成的能量損失，機械能守恒也是一種理想化的物理模型）在物理學中常常出現(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，機械能是守恒的。（3）機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【播放視頻】——《機械能守恒》（4）用機械能守恒及其轉化解釋現(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。鐵鎖向前擺去又擺回來。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化為動能，上升的過程是動能轉化為重力勢能。在上升和下降的過程中，鐵鎖和空氣之間存在摩擦，克服摩擦做功，一部分機械能轉化為內能，機械能不守恒（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低，不會達到鼻尖的。②分析過山車在運動過程中的能量轉化情況。【分析】從A到B的運動過程中，重力勢能轉化為動能；從B到C的運動過程中，動能轉化為重力勢能；從C到D的運動過程中，重力勢能轉化為動能。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，機械能并不守恒，機械能轉化為內能，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)星的機械能轉化許多人造地球衛(wèi)星沿橢圓軌道繞地球運行。離地球最近的一點叫近地點，最遠的一點叫遠地點。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化，因此機械能守恒。衛(wèi)星在遠地點時勢能最大，當它從遠地點向近地點運動時，勢能減小，動能增大，速度也增大。當衛(wèi)星從近地點向遠地點運動時，它的動能減小，勢能增大，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）A.重力勢能減小，動能增加，機械能不變。B.重力勢能增加，動能減小，機械能不變。C.重力勢能增加，動能不變，機械能增加。D.重力勢能減小，動能不變，機械能減小。【解析】小明從光滑的滑梯上下滑過程中，不計空氣阻力，機械能是守恒的。因為高度減小，速度增大，所以重力勢能減小，動能增加。故選A。【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點處的機械能_______她在c點處的機械能；c點的機械能______d點的機械能（選填“大于”、“小于”或“等于”）。【答案】增大，大于，等于。【解析】從a點下滑到b點過程中，高度減小，重力勢能減小，速度增大，動能增大；從a點運動到c點的過程中，由于要克服雪面摩擦力做功，會消耗一部分機械能，則在a點的機械能大于c點的機械能。運動員從c點到d點運動時騰空運動，d點是落地點，運動過程中與雪面沒有接觸，忽略空氣阻力，機械能不變，則c點的機械能與d點的機械能相等。與老師共同分析滾擺運動過程中，動能與重力勢能的相互轉化情況。歸納出結論。與老師共同分析木球撞到彈簧到被彈開的過程中，動能與彈性勢能的相互轉化情況。歸納出結論。能解釋與機械能轉化有關的現(xiàn)象。列舉生活中動能與勢能相互轉化的實例。觀看視頻，加深理解動能和勢能的相互轉化情況。知道機械能的守恒和守恒條件。能解釋與機械能守恒有關的現(xiàn)象。閱讀教材第73頁《人造地球衛(wèi)星的機械能轉化》，交流討論人造地球衛(wèi)星的機械能轉化。學習新課地球上，海水潮汐漲落，江河日夜奔騰；有時微風拂面，有時狂風勁吹。從能量的角度來看，自然界的流水和風都具有大量機械能的天然來源，即水能和風能都是機械能。1.水能（1）水能：流動的水具有動能，高處的水具有重力勢能，水所具有的機械能統(tǒng)稱為水能。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木質水輪，讓流水沖擊水輪轉動，用來汲水、磨粉、碾谷。（4）水能發(fā)電站將水的機械能轉化成電能。修筑攔河壩提高上游水位，壩底裝水輪機，發(fā)電機裝在水輪機上面，它們的軸連接在一起，水輪機帶動發(fā)電機發(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.風能（1）風能：空氣在流動過程中所具有的機械能叫做風能。風能的大小由風速和流動空氣的質量決定。（2）古代對風能的利用我國早在2000多年前就開始利用風來驅動帆船航行。至少1700多年前已開始利用風來推動風車做功。（3）風能發(fā)電站將風的機械能轉化成電能。單個風力發(fā)電機的輸出功率較小，在風力資源豐富的地區(qū)，可以同時安裝幾百臺風力發(fā)電機，組成“風車田”，連在一起供電。【播放視頻】——《水能、風能的利用》【例題3】下列關于水能和風能的說法中，正確的是（D）A.流動的河水只有動能，沒有重力勢能B.風只具有動能，不具有重力勢能C.利用水能和風能都可以做連續(xù)性的工作D.水能和風能都不會污染環(huán)境【解析】流動的河水、風都具有動能和重力勢能；利用水能和風能（不穩(wěn)定）不可以做連續(xù)性的工作；水能和風能都不會污染環(huán)境；所以選項A、B、C均錯誤，D正確。運用機械能轉化與守恒的觀點分析水能、風能的有關問題。閱讀教材第72頁《水能和風能的利用》。閱讀教材第73頁《水能和風能的利用》。課堂練習課堂練習1．如圖，在2022年北京冬奧會開幕式上，質量約為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．機械能不變 D．機械能增大【答案】D【詳解】A．重力勢能與物體的質量和高度有關，被提升的過程中，質量不變，高度增大，所以重力勢能增大，故A不符合題意；B．動能與物體的質量和速度有關，物體勻速提升，質量不變，速度不變，所以動能不變，故B不符合題意；CD．物體動能不變，重力勢能增大，所以機械能增大，故C不符合題意，D符合題意；故選D。2．如圖為一擺球從左側A點擺到右側最高點B的過程圖，請在圖中三個位置的擺球上用“1”和“2”分別標注出機械能最大位置和動能最小位置。【答案】見右圖。【解析】擺球從左側A點擺到右側最高點B的過程圖，克服空氣的阻力做功，一部分機械能轉為內能，所以在該過程中，擺球的機械能逐漸減小。所以在A點的機械能是最大的，應標注“1”；擺球運動到B點時，擺球的質量不變，速度最小，動能最小，應標注“2”，如圖所示。3.2022年2月北京冬奧會，中國代表團共收獲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，動能逐漸轉化成重力勢能B．他起跳后到達最高點時，機械能最大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，機械能是守恒的【答案】A。【解析】A．他從起跳到最高點的過程中，質量不變，速度逐漸變小，高度逐漸升高，動能逐漸變小，重力勢能逐漸增大，動能逐漸轉化成重力勢能，故A正確；B．由于存在阻力，他起跳后到達最高點的過程中，機械能不斷減小，在最高點機械能最小，故B錯誤；C．他從空中下落過程中，速度越來越大，由P=W/t=Fs/t=Fv=Gv得，重力做功越來越快，故C錯誤；D．由于存在阻力，他從起跳到落地的整個過程中，機械能不斷減小，機械能不守恒，故D錯誤。所以選A.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 B．b C．c D．d【答案】C.【解析】A．根據(jù)題意，小球從A點由靜止滑下，小球的機械能等于A點時的重力勢能，整個過程中，軌道光滑，不計空氣阻力，機械能守恒。a圖線的最高點超過了A點的高度，這是不可能的，A不符合題意；B．b圖線的最高點與A點的高度相同，而在最高點時，小球仍具有向右運動的速度，即b圖線的最高點，小球還具有動能，所以b圖線的機械能大于A點的機械能，故B不符合題意；C．c圖線的最高點低于A點，由于在最高點時小球仍運動，有一定動能，其總機械能可能與開始時的機械能相等，故C符合題意；D．小球離開軌道時，由于慣性，應具有沿軌道方向向上運動的速度，故D不符合題意。所以選C.5.如圖，光滑水平桌面上的彈性小球被彈出后，經過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點的過程中機械能不斷減少B．小球反彈經過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．小球經過E點的機械能大于經過G點的機械能【答案】D【詳解】A．機械能等于動能與重力勢能之和，因為桌面光滑，因此從A點到B點小球速度不變，動能不變，因桌面高度不變，因此小球重力勢能不變，故機械能不變，故A錯誤；B．當小球在D點時，在豎直方向上速度為0，但在水平方向上速度不是0，因此動能不是0，故B錯誤；C．小球在地面上的黑斑大小取決于小球的形變程度，即此時小球的彈性勢能大小。而B點的重力勢能大于D點的重力勢能，B點的重力勢能轉化為C點的彈性勢能，D點的重力勢能轉化為F點的彈性勢能，因此C點彈性勢能大于F點的彈性勢能，即C點黑斑大，故C錯誤；D．在運動過程中，小球要克服空氣阻力而消耗機械能，機械能越來越小，E點在G點之前，因此E點機械能大于G點機械能，故D正確。故選D。6．球豎直向上運動，并落回地面，這過程中先后經過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．機械能大于在S點的C．機械能等于在S點的D．離地高度比在S點的低【答案】B【詳解】A．由圖可知，M點的動能小于S點的動能，所以球在M點的速度比在S點的小，故A不符合題意；BC．由圖可知，M點的動能和重力勢能之和大于S點的動能和重力勢能之和，故M點的機械能大于在S點的機械能，故B符合題意，C不符合題意；D．由圖可知，M點的重力勢能大于S點的重力勢能，所以M點的離地高度比在S點的高，故D不符合題意。故選B。7．衢江抽水蓄能電站全面投產發(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____能轉化為水的機械能．（2）抽水蓄能電站選址衢江黃壇口，不僅因當?shù)厮Y源豐富，同時還考慮到當?shù)氐貏葺^陡，這樣建成的電站上、下水庫的高度差比較____，有利于蓄能與發(fā)電．【答案】（1）電；（2）大。【詳解】（1）蓄能時，水被抽到上水庫中，電能轉化為