专题12-2功和机械能第2节机械能及其转化

第十二课功和机械能第2节机械能及其转化基础知识过关一、动能和势能1.能量（1）定义：物体能够对外做功，我们就说这个物体具有能量，简称能。（2）单位：焦耳，符号是J。（3）功与能量的关系：一个物体能够做的功越多，表示这个物体的能量越大。2.动能（1）定义：物体由于运动而具有的能，叫做动能。（2）影响因素：质量相同的物体，运动的速度越大，它的动能越大；运动速度相同的物体，质量越大,它的动能越大。3.重力势能（1）定义：物体由于受到重力并处在一定高度而具有的能，叫做重力势能。（2）影响因素：物体的质量越大，高度越高，它具有的重力势能就越大。4.弹性势能（1）定义：物体由于发生弹性形变而具有的能，叫做弹性势能。（2）影响因素：同种材料的物体的弹性形变程度越大，它具有的弹性势能越大。二、机械能及其转化1.机械能定义：动能、重力势能和弹性势能统称为机械能。2.转化（1）规律：减少的能量转化为增加的能量。（2）人造地球卫星的能量转化：①近地点→远地点：动能能转化为重力势能；②远地点→近地点：重力势能转化为动能。3.守恒：如果只有动能和势能的相互转化，机械能的总和保持不变，或者说机械能是守恒的。高频考点过关考点一：机械能及其转化1．（2022•盐城）在北京冬奥会上苏翊鸣获得单板滑雪冠军，如图所示是他从高处加速下落时的情景，下列关于苏翊鸣说法正确的是（）A．动能增加，重力势能减小 B．动能增加，重力势能增加 C．动能减小，重力势能增加 D．动能减小，重力势能减小【答案】A【解答】解：苏翊鸣从高处加速下落时，质量不变，高度变小，重力势能减小，速度变大，动能增加，故A正确。故选：A。2．（2022•呼和浩特）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【答案】D【解答】解：ACD、由题意和图示可知，他从A点自由出发（初速度为0、动能为0），经过最低点B和与A点等高的C点，到达右侧最高点D，D点高度大于A点，则此时人的重力势能大于A点时的重力势能，且人在D点时速度也为0、动能为0，因机械能等于动能与势能之和，所以可知A点和D点机械能不相等，且人在D点时机械能更大，故A错误；人站在秋千上，不靠外力做功，而秋千越荡越高，是因为荡秋千的人不断调节了重心的位置（最低点时蹲下、最高点时站起来），并将人体的化学能转化为机械能，所以从A点到D点，人的机械能增加；整个过程中，有化学能、机械能与内能之间相互转化，故C错误，D正确；B、到达B点时，晨光同学运动方向在改变，不是平衡状态，受力不平衡，故B错误。故选：D。3．（2022•襄阳）神舟13号返回舱在空中高速下降到适当位置时打开降落伞，返回舱和伞开始做减速运动，空气阻力随速度的减小而减小，下降一段高度后，开始匀速下降直到地面附近。以返回舱和伞为研究对象，下列说法不正确的是（）A．减速下降过程中受力不平衡 B．减速下降过程中减少的机械能等于克服空气阻力做功消耗的能量 C．匀速下降过程中机械能减小 D．减速下降过程中重力做功的功率小于匀速下降时重力做功的功率【答案】D【解答】解：A、减速下降过程中，返回舱和伞处于非平衡状态，所以它受力不平衡，故A项说法正确；B、减速下降的过程中，要克服空气阻力做功，则减少的机械能等于克服空气阻力做功消耗的能量，故B项说法正确；C、返回舱和伞匀速下降的过程中，质量不变、速度不变，但高度减小，则动能不变，重力势能减少，则机械能总量减少，故C项说法正确；D、返回舱和伞的重力大小不变，由题意可知返回舱和伞减速下降时的速度大于匀速下降时的速度，根据公式P＝＝＝Gv可知，减速下降中重力做功的功率大于匀速下降中重力做功的功率，故D项说法错误。故选：D。4．（2022•威海）如图所示，为了把两件相同货物搬运到汽车上，工人用相同材质的木板搭建了AB、CD两个斜面，用沿斜面向上的力将其中一件货物从斜面AB的底端匀速推到顶端，另一件货物用同样的方法沿斜面CD搬运。下列说法正确的是（）A．沿斜面AB推动更省力 B．沿斜面CD推动，工人克服货物重力做的功更多 C．无论利用哪个斜面，工人克服货物重力做功的功率一定相同 D．沿斜面推动货物的过程中，货物的机械能增大【答案】D【解答】解：A、沿斜面CD推动更省力，因为CD斜面的倾斜角度更小，故A错误；B、由W＝Gh可知，G与h均相等，所以斜面CD推动和AB推动，工人克服货物重力做的功相等，故B错误；C、由P＝可知，W相同，时间的大小不确定，所以沿两个斜面推货物，工人克服货物重力做功的功率不一定相同，故C错误；D、沿斜面匀速推动货物的过程中，货物的质量、速度不变，动能不变，由于高度变大，重力势能变大，所以机械能增大，故D正确。故选：D。5．（2022•六盘水）如图所示是小明端午小长假在游乐园乘坐过山车时的情景，过山车在粗糙轨道的顶端由静止滑下，途中经过A、B、C三点，其中A点与B点等高，C点在水平轨道上。在此过程中保证绝对安全，不计空气阻力，下列关于过山车分析正确的是（）A．重力势能全部转化为动能 B．A点和B点的速度相等 C．在B点时受三个力作用 D．在C点时受平衡力作用【答案】C【解答】解：A.轨道粗糙，过山车在滑下的过程中摩擦生热，重力势能转化为动能和内能，故A错误；B.因为轨道粗糙，因此机械能不守恒，B点机械能低于A点，A、B高度相同，重力势能相等，因此B点速度低于A点速度，故B错误；C.过山车在B点时受到自身重力、轨道压力和摩擦力，故C正确；D.过山车经过C点时，受到重力、支持力和摩擦力的作用，且过山车处于非平衡状态（在水平轨道上运动时速度逐渐减小），所以这三个力不是平衡力，故D错误。故答案为：C。6．（2021•鞍山）如图所示，小球由静止开始沿着粗糙的曲面从a点向d点运动，其中b和d两点在同一水平高度。下列说法中正确的是（）A．小球从a点运动到c点，重力势能全部转化为动能 B．小球在b点的机械能大于在c点的机械能 C．小球在b点的动能等于在d点的动能 D．小球从a点运动到d点的过程中，机械能一定全部转化为内能【答案】B【解答】解：A、从a点到c点过程中，小球的质量不变，高度变小，则重力势能变小，同时速度变大，动能变大，重力势能会转化为动能，由于小球在滚动的过程中受摩擦力的作用，小球克服摩擦力做功，所以一部分重力势能会转化为内能，故A错误；B、因小球在滚动过程中要克服摩擦力做功，机械能会逐渐减小，所以小球在b点的机械能大于在c点的机械能，故B正确；C、小球从b运动到d的过程中，有一部分机械能会转化为内能，故小球在b点的机械能大于在d点的机械能；已知b和d两点在同一水平高度，即两位置小球的重力势能相同，根据“机械能＝动能+势能”可知，小球在b点的动能大于在d点的动能，故C错误；D、小球运动到d点时具有一定的高度，有一定的机械能，所以，小球从a到d的过程中，机械能不是全部转化为内能，故D错误。故选：B。7．（2021•南通）跳伞运动员从高空跳下后沿直线向下做加速运动，降落伞打开后开始减速，落地前运动员的速度已减至安全值且保持不变，若把运动员和降落伞作为一个整体进行研究，则（）A．加速运动时动能转化为重力势能 B．减速运动时所受的阻力大于重力 C．匀速直线运动时机械能保持不变 D．整个过程中所受的阻力保持不变【答案】B【解答】解：A、加速运动时，整体的质量不变，速度变大，动能变大，高度变小，重力势能变小，重力势能转化为动能，故A错误；B、减速运动时合力的方向是向上的，所受的阻力大于重力，故B正确；C、匀速直线运动时，整体的质量不变，高度变小，重力势能变小，速度不变，动能不变，机械能为动能和势能的和，所以机械能保持减小，故C错误；D、加速运动时，合力的方向向下，阻力小于装备的总重力；匀速直线运动时，阻力等于装备的总重力；减速运动时阻力大于重力，所以阻力是变化的，故D错误。故选：B。8．（2021•无锡）如图所示，摆球由A点静止释放，经过最低点O到达B点，A、B两点等高。关于摆球，下列说法中正确的是（）A．从A点到B点的过程中机械能守恒 B．在B点时处于平衡状态 C．在O点时重力势能最大 D．从A点到O点动能转化为重力势能【答案】A【解答】解：A、A、B两点等高，说明摆球由A点静止释放，经过最低点O到达B点的过程中没有能量损失，即从A点到B点的过程中机械能守恒，故A正确；B、当小球摆至B点时，摆球只受到竖直向下的重力和沿绳子向上的拉力作用，这两个力没有作用在同一直线上，不是平衡力，所以在B点时摆球受力不平衡，不是平衡状态，故B错误；C、由图可知，摆球在O点时高度最低，则重力势能最小，故C错误；D、摆球从A点到O点质量不变，高度降低，速度变大，则重力势能减少，动能增多，重力势能转化为动能，故D错误。故选：A。9．（2021•南京）2021年4月，中国女足通过奋勇拼搏，晋级奥运会。如图是足球落地后又弹起的示意图。分析可知，足球（）A．在B点时受力平衡 B．在A、D两点动能可能相等 C．在C点时，若所受力全部消失，其运动状态将不断改变 D．在运动过程中，只存在动能和势能的相互转化【答案】B【解答】解：A、在B点时，小球既不是静止，也不是匀速直线运动状态，不是平衡状态，所以受力不平衡，故A错误；B、图中小球的高度越来越小，说明有机械能的损失，则D点的机械能一定小于A点的机械能；机械能等于动能与势能之和。D点比A点低，所以D点的重力势能小，则其动能有可能与A点的动能相等，故B正确；C、在C点时，若所受力全部消失，其运动状态将不再改变，而是保持力消失一瞬间的速度，做匀速直线运动，故C错误；D、在运动过程中，其机械能在减小，因此不只存在动能和势能的相互转化，还存在机械能与内能的转化，故D错误。故选：B。10．（2020•鄂尔多斯）蹦床运动逐渐进入了大众生活。下列有关对蹦床者的分析，正确的是（）A．下落到与蹦床接触的瞬间时，动能最大 B．被蹦床弹起的过程中，弹性势能转化为重力势能 C．从接触蹦床到下落至最低处的过程中，弹性势能转化为动能 D．在空中上升过程中，动能转化为重力势能【答案】D【解答】解：A、刚与蹦床接触时，运动员受到合力向下，速度增大，当重力和弹力相等，合力为零时，速度最大，动能最大，故A错误；B、运动员被蹦床弹起的过程中，小孩离开蹦床前，动能增大，蹦床的弹性势能减小，是弹性势能转化为动能；离开蹦床后，小孩的重力势能增大，动能减小，动能转化为重力势能，故B错误；C、运动员从接触蹦床到下落到最低处的过程中，速度最终减小为0，动能减小，同时高度变小，重力势能变小，蹦床的弹性形变变大，弹性势能增大，是动能和重力势能转化为弹性势能，故C错误；D、运动员在空中上升的过程中，质量不变，速度变小，动能减小，同时其高度变大，重力势能增大，所以动能转化为重力势能，故D正确。故选：D。11．（2020•丹东）如图，滚摆下降过程中，滚摆的能转化为能。滚摆上下往复运动过程中，其每次上升所能达到的高度越来越低，滚摆在运动过程中的机械能（选填“增加”、“减少”或“不变”）。【解答】解：滚摆在下降过程中，高度逐渐减小，重力势能减小，速度越来越大，动能增大，滚摆的重力势能转化为动能。滚摆上下往复运动过程中，要克服阻力做功，部分机械能转化为内能，故总的机械能减少。故答案为：重力势；动；减少。12．（2020•河北）蹦极是一种运动游戏。如图中A点是弹性绳自然下垂时绳下端的位置，B点是游戏者所能到达的最低点。当游戏者离开跳台向A点运动的过程中（忽略空气阻力），其重力势能逐渐转化为能；游戏者从A点到B点的过程中，绳子具有的能逐渐增加；到达B点时游戏者受到的弹力大于重力，所以游戏者在B点时（选填“是”或“不是”）处于平衡状态。【解答】解：游戏者从最高点到A时，高度减小，速度变大，重力势能减小，动能变大，重力势能转化为动能；从A点到B点的过程中，绳子逐渐伸长，弹性形变程度变大，弹性势能变大；到达B点时游戏者受到的弹力大于重力，合力不为0，所以游戏者在B点时不是处于平衡状态。故答案为：动；弹性势；不是。考点二：探究物体的动能与哪些因素有关13．（2022•阜新）在探究“物体的动能跟哪些因素有关”的实验中，如图甲、乙、丙所示，将A、B、C三个钢球先后从同一装置高度分别为h1、h2、h3的位置由静止开始滚下（mA＝mB＜mC，h1＝h3＞h2），水平面上同一位置的木块被撞出一段距离后停下。请回答以下问题：（1）该实验探究的是（填“木块”或“钢球”）的动能。（2）实验通过观察木块被钢球撞出的长短来判断钢球动能的大小，这种研究问题的方法叫。（3）比较两图进行的实验，可以探究钢球动能大小与速度有关。（4）比较两图进行的实验，可以探究钢球动能大小与质量有关。此探究过程中两球刚好运动到水平面时的速度（填“相等”或“不相等”）。（5）由此实验联想到某段道路限速牌上标明“100”和“80”字样，（填“大客车”或“小轿车”）的限速应该是80km/h。【解答】解：（1）该实验研究的主体是钢球，研究的是钢球动能的大小与速度和质量的关系；（2）该实验中钢球动能的大小是通过木块移动的距离体现的，木块被撞的越远，说明钢球的动能越大，被撞的越近，说明钢球的动能越小，这里采用了转换法的思想；（3）为了研究物体动能与物体速度的关系，应多次让同一钢球从斜面不同高度上静止滚下，控制钢球的质量相同，改变钢球的速度，故选甲、乙两图；质量相同，速度越大，钢球推动木块移动的距离越大，动能越大；（4）为了研究物体动能与物体质量的关系，应多次让不同钢球从斜面相同高度上静止滚下，控制钢球到达水平面时的速度相同，改变钢球的质量，故选甲、丙两图；速度相同，质量越大，钢球推动木块移动的距离越大，动能越大；（5）因速度相同时，质量越大，动能越大，克服摩擦力做功的越多，越不容易刹车，因大客车的质量更大，故限制的速度要越小，大客车的限速应该是80km/h。故答案为：（1）钢球；（2）距离；转换法；（3）甲、乙；（4）甲、丙；相等；（5）大客车。14．（2020•温州）在做“探究动能大小与质量关系”的实验时，小明想：小球从相同高度滚下，若小球材质和斜面倾角不同，到达水平位置时的速度会相同吗？（1）图甲是用挡板控制大小不同的两个小球在斜面上起始位置的两种方案，小明实验时选择A方案而不能选择B方案的原因是。（2）小明选择大钢球、小钢球、木球以及可调整倾角的斜面进行实验。分别让球从斜面同一高度由静止开始释放，利用测速仪测出球到达水平位置时的速度如表所示。10°20°30°40°50°60°大钢球2.672.672.672.752.882.97小钢球2.672.672.672.752.882.97木球2.672.672.672.672.742.89分析表中数据可知：要使球到达水平位置时的速度与球是钢质或木质无关，则斜面倾角不可能是。A.15°B.25°C.35°D.45°（3）小明利用图乙装置做“探究动能大小与质量关系”的实验时，通过观察球撞击相同塑料软片的数目来比较球的动能大小（图中未画出固定塑料软片的装置）。老师指出此装置不适合体积不同的两个球做实验，原因是。【解答】解：（1）图A中挡板水平放置，两小球从起始位置到水平位置的高度差相同，图B中挡板与斜面垂直放置，两小球从起始位置到水平位置的高度差不同，为了控制大小不同的两个小球在斜面上从起始位置到水平位置的高度差相同，实验时选择A方案而不能选择B方案；（2）根据表中数据可知，斜面倾角为10°、20°、30°时，大钢球、小钢球、木球达到水平面时的速度相同，斜面倾角为40°、50°、60°时，大钢球、小钢球、木球达到水平面时的速度不同，所以要使球到达水平位置时的速度与球是钢质或木质无关，则斜面倾角不可能是40°以上，故D符合题意；（3）体积大的小球从塑料软片下面通过时受到的阻力大，即体积大小不同的小球从塑料软片下面通过时受到的阻力不同，无法“探究动能大小与质量关系”。故答案为：（1）B方案中两球从起始位置到水平位置的高度差不同；（2）D；（3）塑料软片对不同体积的小球的阻力不同。考点三：探究物体的势能与哪些因素有关15．（2021•淄博）小雨和小明利用沙子、小桌、重物、透明的箱子进行实验探究。（1）如图1所示，把小桌放在透明的沙箱中，让重物从高处落下，撞击小桌，观察桌腿陷入沙子的深度，探究重力势能的大小与哪些因素有关。①实验探究的是（填“重物”或“小桌”）的重力势能。②通过实验，发现同一个重物从不同高度落下，高度越高，能够对外做功越，说明它的重力势能越。③要进一步探究重力势能与质量的关系，应换用不同的重物，让它们从同一高度落下，观察桌腿陷入沙子的深度。（2）把重物按图2所示方式