九年级-机械能的概念及动能和势能转化.doc

机械能的概念及动能和势能转化。
一.重点、难点：
理解动能和势能的相互转化。
（1）知道动能和重力势能、弹性势能可以相互转化并能举例说明。
（2）能解释一些有关动能、重力势能、弹性势能在内的转化的简单物理现象。
（3）常识性了解水能和风能的利用及其对我国社会主义建设的意义。
二.知识点分析：

1. 动能
物体由运动而具有的能，叫做动能.
决定动能大小的因素是物体的质量和速度。
风吹着帆船航行，空气对帆船做了功；急流的河水把石头冲走，水对石头做了功；运动着的钢球打在木块上，把木块推走，钢球对木块做了功．流动的空气和水，运动的钢球，它们能够做功，它们都具有能量。空气、水、钢球是由于运动而能够做功的，它们具有的能量叫做动能。一切运动的物体都具有动能。
[例]下列物体中具有动能的是（ ）
A.转动的砂轮 B被吊起的重物
C.拉弯的弓箭 D.压缩的弹簧
分析：只有运动的物体才具有动能，四选项中只有A砂轮在运动，因此具有动能。
答案：A
动能的大小跟哪些因素有关呢？
实验：让钢球从斜面上滚下，打到一个小木块上，推动木块做功．让同一个钢球从不同高度滚下，看哪次木块被推得远．换用质量不同的钢球，让它们从同一高度滚下，看哪个钢球把木块推得远．
同一个钢球，原来的位置越高，滚到斜面下端时速度越大，把木块推得越远．在滚下速度相同时，钢球的质量越大，把木块推得越远．
实验结果表明，钢球的质量越大，它运动的速度越大，把木块推得越远，对木块做的功越多，表示钢球的动能越大．因此，运动物体的速度越大，质量越大，动能就越大．
实验方法：（1）控制变量法（2）转换法
结论：当物体质量相同时，物体运动速度越大，动能越大。
动物体运动速度相同时，物体质量越大，动能越大。
[例]质量相同的铁球和木球，木球的速度比铁球的速度大，将它们的动能相比则（ ）
A.铁球的动能大 B.木球的动能大
C.两球的动能一样大 D.无法比较
分析：当物体质量相同时，物体运动速度越大，动能越大。铁球和木球质量相同，但木球的速度比铁球的速度大，所以木球的动能大。
答案：B
2.势能
人们在打桩时，先把重锤高高举起，重锤落下就能把木桩打入地里。重锤是由于被举高而能够做功的，举高的物体具有的能量叫重力势能。物体的质量越大，举得越高，它具有的重力势能就越大。被举高的重锤具有重力势能。重锤的质量越大，被举得越高，下落时做的功越多，表示重锤的重力势能越大。（不是所有的举高都是人为的，而是相对水平面上升的高度为被举高的高度）
[例]关于空中的两个物体势能大小的说法中，正确的是（ ）
A.只要位置一样高，它们的势能就一定相等
B.只要质量相等，它们的势能就一定相等
C.位置不一样高，质量也不相等，它们的势能肯定不相等
D.虽然位置不一样高，质量也不相等，但它们的势能可能相等
分析：只有在高度和质量都存在的情况下才能比较物体势能的大小，A.B.C中都只指出了其中的一个参数，无法比较两个物体势能的大小。D中空中的两个物体虽然位置不一样高，质量也不相等，但它们的势能可能相等。这种可能性是存在的。
答案：D
射箭运动员把弓拉弯，放手后被拉弯的弓能把箭射出去．被压缩的弹簧在放松后能把压在上面的砝码举起．弓和弹簧都是由于发生弹性形变而能够做功的，发生弹性形变的物体具有的能量叫弹性势能．物体的弹性形变越大，它具有的弹性势能就越大．
[例]下列物体中具有势能的是（ ）
A.停在空中的直升飞机 B.拧紧的钟表发条
C.在水平路面上行驶的自行车 D.抛在空中的手榴弹
分析：A.D中的物体相对地面具有高度差，又具有一定的质量，因此具有重力势能，B中的钟表发条拧紧后发生了弹性形变，具有弹性势能。C中的自行车在水平路面行驶，相对水平面没有高度差，也没有弹性形变，因此没有势能，只有动能。
答案：A.B.D
3.机械能
机械能：动能和势能统称为机械能．一个物体可以既有动能，又有势能，例如，飞行中的飞机因为它在运动而具有动能，又因为它在高处而具有重力势能，把这两种能量加在一起，就得到它的总机械能．机械能是最常见的一种形式的能量．
一个物体能够做的功越多，表示这个物体的能量越大，因此，能量的大小可以用做功的多少来衡量．动能、势能或机械能的单位跟功的单位相同，也是焦耳．例如我们说在空中飞行的一个球的重力势能是5 焦，动能是4 焦，球的机械能则为9 焦．
物体受到外力作用而发生的形状变化，叫做形变．如果外力撤消，物体能恢复原状，这种形变叫做弹性形变．
3.怎样理解“机械能”这个概念？
动能和势能统称为机械能，机械能是和物体的机械运动紧密联系的能量。
一个物体具有机械能时，可以表现为只有动能，没有势能。例如，在水平地面上运动的物体，它的动能为200J，势能为零，这个物体的机械能为200J+0，等于200J。
一个物体具有机械能时，也可以表现为只有势能，没有动能。例如，被举在空中静止的杠铃，它的动能为零，重力势能为6000J，那么这个杠铃具有的机械能是6000J+0，为6000J。
一个物体既有动能，又有势能，它的机械能等于它的动能与势能之和，比如，在空中飞行的一颗子弹，它的动能是5000J，势能是150J，那么这颗子弹的机械能是5150J。
一切物体可以既具有动能又具有势能，也可以只具有动能或只具有势能。机械能大小的决定因素：质量、速度、高度、形变量。
[例]下面物体中，只具有动能的是______；只有势能的是______；既具有动能、又具有势能的是（ ）
A.停在地面上的汽车
B.在空中飞行的飞机
C.被起重机吊在空中静止的货物
D.弹簧
E.在水平铁轨上正行驶的火车
分析：
停在地面上的汽车没有运动，它不具有动能；因在地面上，它也没有势能。
正在空中飞行的飞机，它在运动着，具有动能；它离地面有一定的高度，又具有重力势能。
在空中静止的货物，它没有动能，只有重力势能。
弹簧在没有发生弹性形变时，它不具有弹性势能。
水平铁轨上行驶的火车，只有动能没有势能。
解答：只有势能的是C；只有动能的是E；既有动能又有势能的是B。
说明：在确定物体具有何种能量时，应按照动能、重力势能、弹性势能的定义，分析物体是否在运动，是否被举高，是否发生了弹性形变，符合哪一种能量的定义，就确定物体具有哪一种能量。
2.怎样分析物体动能和势能的变化？
物体的动能是由它的质量和速度两个因素决定的。
注意：
（1）一个物体的动能与其质量的大小，运动的速度的大小有关。分析问题时不能只考虑其中一个因素。
（2）对于一个物体而言，当速度不变时，质量越大其动能越大；当质量不变时，速度越大动能越大。改变物体的质量和速度都可以改变物体动能的大小。
（3）若物体做的是匀速运动，则表示该物体的速度大小不变，若该物体的质量又一定，则表明该物体的动能大小不变。
对于同一个物体来说，可能通过它的速度是否改变来判定它的动能是否变化。物体的速度不变，它的动能不变，物体的速度变大，它的动能增加；物体的速度变小，它的动能减少。物体的速度是零，它的动能也是零。
物体的重力势能是由它的质量和高度两个因素决定的，对于同一个物体来说，可以通过它的高度是否改变来判定它的重力势能是否变化。高度不变，物体的重力势能不变，高度增大，它的重力势能变大；高度减小，它的重力势能减小，初中阶段是以地面做为高度的计算起点，则地面上物体的重力势能为零。
[例]判断下列几种情况下，物体的动能、势能是否变化？是增加还是减少？
（1）货物在钢丝绳的牵引下上升，但速度在减小
（2）电梯上升得越来越快
（3）汽车在平直公路上匀速前进
（4）弯曲的钢锯条在逐渐变直
分析：
（1）货物在上升过程中，离地面的高度增加，运动速度减小。
（2）电梯在上升过程中，离地面的高度及运动速度都增加。
（3）汽车在平直公路上匀速行驶时，其离地面的高度和运动速度都没有发生变化。
（4）弯曲的钢锯条在逐渐变直的过程中，弹性形变逐渐变小。
解答：
（1）货物的重力势能增加，动能减少
（2）电梯的重力势能增加，动能增加
（3）汽车的重力势能、动能都不变
（4）钢锯条的弹性势能减小
说明：在说明动能的大小和变化时，应抓住质量和速度进行分析；说明势能的大小和变化时，应抓住质量和离地面的高度或抓住弹性形变的情况进行分析。
3.动能和势能相互转化的问题
（1）在动能和势能的相互转化过程中，机械能是否一定保持不变？
在动能和势能的转化过程中，若不考虑转化过程中的能量损失，则机械能的总量保持不变；在转化过程中若有能量损失（如克服阻力做功）或其他形式能的补充，则机械能的总量将发生变化。
在做滚摆的实验时，可以看到滚摆从高处旋转下降，越转越快，它的重力势能转化成了动能；到达最低点后，滚摆转而上升，它越转越慢，滚摆的动能又转化成重力势能。但滚摆不能回到原来的高度上，这表明滚摆的机械能减小了。这是因为滚摆与绳之间有摩擦，滚摆在运动中还受到了空气阻力，由于克服阻力做功，使滚摆的一部分机械能转化成其它能（内能），它的机械能总量就减小了，不再保持不变。
（2）在分析物体的动能和势能的转化过程中，机械能是否守恒，应注意题设条件。如一小孩从光滑的斜面上滑下，速度越来越快，到斜面底端时：动能______，势能______，机械能总量______（选填“增大”、“减小”或“不变”）。
在这里“光滑”的标准即认为可以不考虑摩擦，因此在能量的转化中不考虑摩擦及能量的损失，小孩在下滑时，减少的势能全部转化成小孩的动能，机械能的总量不变。所以应是：动能增加，势能减少，机械能总量不变。
又如，一小孩从斜面上匀速下滑，到斜面底端时，动能______，势能______，机械能总量______。
由于小孩从斜面上“匀速”下滑，到底端时速度不变，因此动能不变，而由于高度降低，势能减少，因而机械能的总量减少。在题目中虽没明确说明摩擦的存在，但小孩从斜面上“匀速”下滑，就隐含了存在摩擦这个条件。因此，在转化中必然有一部分机械能消耗在克服阻力做功上，而引起机械能总量的减少。
【典型例题】
[例1]一只乒乓球由高处静止下落撞击地板后又上升，在整个过程中，乒乓球机械能转化的情况是（ ）
A.势能→动能→势能
B.动能→势能→势能
C.动能→势能→动能→势能→动能
D.势能→动能→势能→动能→势能
分析：乒乓球在高处，由于被举高具有势能。在下落过程中，高度降低，速度增大，在撞击地面前，球的全部势能转化为动能。在撞击地板的一瞬间，由于球发生形变，球的动能转化为球的弹性势能。球在恢复形变的过程中，弹性势能又转化成动能，使球产生一个反方向的速度（如不考虑能的损失，则此速度与球撞击地板前的速度大小相同），向上跳起。在上升的过程中，动能又逐渐转化成势能，直至动能为零。从下落到反跳的全过程中，经历的能量变化过程是：重力势能→动能→弹性势能→动能→重力势能。
解答：D。
说明：在解答同一物体的重力势能和动能之间的转化问题时，由于同一物体质量一定，所以重力势能和动能的变化，主要表现在离地面的高度与速度的大小变化。
[例2]物体沿斜面匀速滑下时，它的（ ）
A.动能增加，重力势能减少，机械能不变
B.动能不变，重力势能不变，机械能不变
C.动能不变，重力势能减少，机械能减少
D.动能增加，重力势能减少，机械能减少
分析：注意物体是“匀速滑下”，说明物体运动的速度不变，所以动能不变。但随高度的降低，势能减少。因为机械能是动能与势能的统称，所以机械能由于动能不变而势能减少，因而也减少了。
解答：C。
说明：对于一个物体（质量一定），它的动能是否变化就看它的速度是否变；它的重力势能是否变化就看它的高度是否变。
[例3]用一根不可伸长的细线，一端拴住一小球，另一端固定，如图所示。使小球偏离它静止时的位置O移至B点，然后释放，小球就沿弧摆动，小球从B→O→C→的过程中机械能发生怎样的转化？
分析：小球运动过程中，没有摩擦阻力，也没有外力对小球做功，只有动能和重力势能之间的转化。把小球从O点移到B点，是小球被举高的过程，因此小球在B点具有重力势能，但在B点速度为零，不具有动能。

小球从B→O运动时，高度逐渐减小，说明小球的重力势能逐渐减少；而小球的运动速度逐渐增大，说明小球的动能逐渐增大。在这个过程中，小球的重力势能转化成它的动能。
小球从O→C运动时，高度逐渐增加，说明小球的重力势能逐渐增加；而小球的运动速度逐渐减小至零，说明小球的动能逐渐减少至零。在这个过程中，小球的动能又转化成它的重力势能了。
解答：
B—O重力势能减小，动能增加；
O—C重力势能增加，动能减小；
C—O同B—O；
O—B同O—C。
[例4]竖直向上抛起的石块，上升过程中，它的速度越来越小（空气的作用不计），这是为什么？
分析：可以从力的角度和能的角度去考虑。
解答：从力的角度分析，在石块向上的过程中，石块受到的重力跟它的运动方向相反，因此使石块的速度越来越小。
从能的角度分析，在石块上升的过程中，它的势能增加，而势能是石块的动能转化来的，因此石块的动能减小，它的速度就会减小。
【模拟试题】
一.判断题
1.向上抛出的小球速度越来越小，因而动能越来越小。（ ）
2.一块大石头与一块小石头都被高举以后，大石头的势能一定比小石头势能大。（ ）
3.一个人乘在电梯里，当电梯匀速上升时，人的势能增加了，动能减少了。（ ）
4.小孩在荡秋千的过程中，一定是动能转化为势能。（ ）
5.悬挂在天花板上的吊灯处于静止状态，没有做功，所以也就没有能。（ ）
6.因为机械能可以相互转化，所以有动能的物体就一定有势能。（ ）
7.被抛出的铅球在空中运动时，因为没有对其他物体做功，所以它没有能。（ ）
8.一个人乘在飞机里，当飞机在匀速飞行时人的势能一定保持不变。（ ）
9.跳伞运动员在匀速下降过程中势能在减少，动能在增加。（ ）
10.所谓机械能就是机械所具有的能。（ ）
二.填空题
1.人造地球卫星在近地点的速度比它在远地点的速度______，这是因为它在近地点的重力势能比它在远地点的重力势能______。从近地点到远地点的过程中，它的______能转化为______能。它在近地点的机械能______它在远地点的机械能（填“大于”、“小于”或“等于”）。
2.弹簧门在推开后，能自动关闭，这是由于被推开后，弹簧被卷紧变形，具有______能，放手后，这个能转化为门的______能，使门被关上。
3.物体在自由下落的过程中，物体的______减少，物体的______增加。
4.如图1所示，摆球运动到最高点A点时，势能最______，动能为______；摆球从A点运动到B点的过程中，是______转化为______；在B点时势能为______，摆球的速度最______；当摆球运动到C点时，此时势能为______，动能为______。

5.重锤从高处落下将桩打入土中，重锤在高处时具有______能，落下后转化为______能，在这个过程中______能不变。
6.如图2所示，让摆在最高点A点时，势能最______，动能为______；从A滚动到B点时，是______转化为______，此时既有______又有______；从B点滚动到最低点C点时，势能最______，动能最______。

图2
7.在空气中匀速下落的降落伞，它的动能______，重力势能______，机械能______（填“增大”、“减小”、“不变”）
8.小孩在打秋千时，别人把他推高一下后，他就来回悠荡，秋千由高处荡回再向另一侧升高的过程中，是由______能转化为______能，再由______能转化为______能的过程。
三.选择题
1.如图3所示，同一木块沿AB，AC，AD三个光滑的斜面（高度相等）滑下的过程中，重力势能都转化成动能，滑至底端时，动能较大的是（ ）
A.沿AB滑下的木块
B.沿AC滑下的木块
C.沿AD滑下的木块
D.它们的动能一样大

图3
2.风力发电是（ ）
A.将风变成电
B.将风的势能转变为电能
C.将风的动能转变为电能
D.将风的动能转变为势能
3.下列各个过程中，属于动能转化为势能的是（ ）
A.钟表的发条使指针转动
B.冰雹从空中落下
C.篮球从地上弹起后上升过程
D.大型塔式起重机将货物匀速吊起
4.如图4所示，A、B、C是三个高度相同而倾角不同的光滑斜面，让质量相同的小球沿斜面从顶端运动到底端，比较小球滚到底端时速度大（ ）

图4
A.在A的速度最大
B.在C点的速度最大
C.在A、B、C三点速度相同
D.无法判断
5.如图5所示，小球从离地h的高度沿着光滑的轨道滑下，使小球滑到光滑的离心轨道顶端A而不下落，此时（ ）

图5
A.小球既有势能，又有动能
B.小球只有势能，没有动能
C.小球只有动能，没有势能
D.以上说法都不正确
6.一个人乘在电梯里，当电梯匀速上升时，人的（ ）
A.势能增加，动能减少 B.势能减少，动能不变
C.势能增加，动能增加 D.势能增加，动能不变
7.如图6所示，让一个小球分别沿着光滑的斜面BA或BC滚下，比较小球滚到A处与C处的速度大小是（ ）

图6
A.小球在A点的速度大于在C点的速度
B.小球在A点的速度等于在C点的速度
C.小球在A点的速度小于在C点的速度
D.无法判定
8.把玩具汽车的发条旋紧后，它能在桌面上水平前进。这是因为（ ）
A.发条的动能转化为小车的动能
B.发条的弹性势能转化为小车的动能
C.由于能量守恒，所以小车会一直运动下去
D.到最后小车会停止，这说明能量不守恒
9.如图7所示，AB为光滑斜面，BC为粗糙而足够长的水平面。物体m从斜面的顶端A点由静止开始下滑，则在BC水平面上物体的（ ）

图7
A.动能减少，势能增加 B.势能减少，动能增加
C.动能增加，势能不变 D.动能减小，势能不变
10.下列过程中，动能转化成势能的是（ ）
A.将一块石头向上抛去 B.张开的弓把箭射出去
C.雨滴自房顶落下 D.山坡上滚下的大石头
11.做功是需要消耗能量的，在以下各种情况下，消耗势能转化成动能的是（ ）
A.箭能射穿靶心 B.上发条的钟在走动
C.风吹使风车转动 D.电风扇在转动
12.机械手表中指针的走动是利用了（ ）
A.弹性势能转化为动能 B.动能转化为弹性势能
C.重力势能转化为动能 D.以上说法都不对
四.问答题
1.从玩具店买来的橡塑小球掉在地上（水泥地）再弹起来，试分析整个过程中机械能转化的情况。
2.骑自行车时，在上坡前往往要加紧蹬几下，为什么要这样做？
3.试说明水轮机的作用。
五.实验题
如图8所示，一小钢球从斜面滚下，滚到水平面上后又被一弹簧片把钢球弹了回去，指出下面几个过程中小球的能量转化关系：
（1）小球由A→B是______能转化为______能；
（2）小球由B→C是______能转化为______能；
（3）小球由C→D是______能转化为______能；

图8
【试题答案】
一.
1.√2.×3.×4.×5.×6.×7.×8.×9.×10.×
二.
1.大；小；动；势；等于
2.弹性势；动
3.势能；动能
4.大；零；势能；动能；最小；大；最大；零
5.势；动；机械能
6.大；零；势能；动能；势能；动能；小；大
7.不变；减少；减少
8.重力势；动；动；重力势
三.
1.D 2.C 3.C 4.C 5.A 6.D 7.B 8.B 9.D 10.A
11.B 12.A
四.
1.松手后小球是势能转化为动能，碰地以后，小球在上升的过程中是动能转化为势能。
2.加紧蹬几下是增加动能，有利于上坡时动能转化为势能。
3.自然界中的水能不便于人们直接利用，需要把水能转变成转动形式的动能，以便带动各种机器的转动。水轮机的叶轮就可以实现这种转变。水轮机能直接带动工作机，也可以带动发电机把机械能转化为电能使用。
五.
（1）重力势；动
（2）动；弹性势
（3）弹性势；动