114机械能及其转化（讲义）教师版

人教版八年级物理下册第11章《功和机械能》第4节机械能及其转化讲义（知识点总结+例题讲解）序号知识点难易程度例题数变式题数合计一机械能的概念★1114二机械能的相互转化★★11三机械能守恒★★33四机械能和其他形式的能的转化★22一、机械能的基本概念：1.机械能：动能和势能（重力势能、弹性势能）统称为机械能。2.说明：（1）有动能的物体具有机械能；（2）有势能的物体具有机械能；（3）同时具有动能和势能的物体具有机械能。【例题1】在2021年春节联欢晚会上，嫦娥五号总指挥杨孟飞携嫦娥五号返回舱在春晚现场向全国人民拜年，关于嫦娥5号返回舱说法正确的是（）A.返回舱随火箭发射加速上升过程中，返回舱的机械能不变B.返回舱返回地球，穿越大气层时，与大气层摩擦内能不变C.返回舱的外表面材料应具有良好的导热性D.返回舱落在漆黑的夜晚，通过红外成像设备，接收返回舱辐射的红外线来确定它的位置【答案】D【解析】（1）机械能＝动能+势能：①动能大小的影响因素：质量、速度。质量越大，速度越大，动能越大。②重力势能大小的影响因素：质量、被举得高度。质量越大，高度越高，重力势能越大（2）改变物体内能的方法有做功和热传递；（3）返回舱返回地球时，穿越大气层时，与大气层摩擦，机械能转化为内能，返回舱的内能增加，温度升高，所以返回舱外表面的材料应具有良好的耐高温性和隔热性；（3）所有的物体都能辐射红外线．温度越高，辐射的红外线越强．红外线的热作用强，返回舱返回地球时内能增加，温度升高，可以辐射出红外线；红外线夜视仪就是根据热作用强的原理制成。解：A、返回舱随火箭发射加速上升过程中，质量不变，速度变大、高度变大，所以动能变大、重力势能变大，机械能变大，故A错误；B、返回舱返回地球，穿越大气层时，与大气层摩擦，机械能转化为内能，是通过做功的方式改变内能的，内能增大，故B错误；C、返回舱返回地球时，穿越大气层时，与大气层摩擦，机械能转化为内能，返回舱的内能增加，温度升高，所以返回舱外表面的材料应具有良好的耐高温性和隔热性．故C错误；D、返回舱返回地球时内能增加，温度升高，可以辐射出红外线，返回舱落在漆黑的夜晚，通过红外成像设备，接收返回舱辐射的红外线来确定它的位置，通过以上分析可知，选项D正确。故选：D。【变式练习1】如图所示，一金属小球从塑料轨道的E点，由静止滑下，经过D点，到达最低点C后，到达左侧最高点A点。则下列说法中正确的是（）A.小球到达A点后，能沿轨道重新返回到E点B.小球从E到A过程，A点的机械能大于D点的机械能C.小球从E到A过程，B点的机械能大于D点的机械能D.小球从E到A过程，机械能在不断减小【答案】D【解析】由于克服摩擦力做功，所以小球在运动过程中的机械能一直在减小。解：AD、因为小球在运动过程中，要克服摩擦力做功，所以小球的机械能在不断减小，因此小球到达A点后，并不能沿轨道重新返回到E点，故A错误，D正确；BC、因为小球在运动过程中机械能在不断减小，所以D点的机械能大于B点的机械能，B点的机械能大于A点的机械能，故BC错误。故选：D。二、机械能的相互转化：1.在一定的条件下，动能和重力势能之间可以相互转化；2.在一定的条件下，动能和弹性势能之间可以相互转化；3.动能和重力势能间的转化规律：①质量一定的物体，如果加速下降，则动能增大，重力势能减小，重力势能转化为动能；②质量一定的物体，如果减速上升，则动能减小，重力势能增大，动能转化为重力势能；4.动能与弹性势能间的转化规律：①如果一个物体的动能减小，而另一个物体的弹性势能增大，则动能转化为弹性势能；②如果一个物体的动能增大，而另一个物体的弹性势能减小，则弹性势能转化为动能。【例题2】如图所示的四种运动中，重力势能转化为动能的是()【答案】D【解析】本题考查机械能之间的相互转化。运动员被蹦床弹起，是蹦床的弹性势能转化为运动员的动能和重力势能，故A错误；小球从B向C运动、滚摆向上滚动时，都是动能转化为重力势能，故B、C错误；卫星在远地点时重力势能最大，在近地点时动能最大，从远地点向近地点运动时，重力势能转化为动能，故D正确。【变式练习2】骑自行车下坡时，人不蹬车，车速也会加快，这是因为()A.人与车的动能保持不变B.人与车的重力势能不断增大C.人与车的机械能不断增大D.人与车的重力势能转化为动能【答案】D【解析】根据影响动能和重力势能大小的因素来分析动能和重力势能的变化。解：A、人与车的质量不变，速度增大，故动能增大，故A错误；B、人与车的质量不变，高度减小，故重力势能减小，故B错误C、由于摩擦的作用，使得人和车的一部分机械能转化为内能，故机械能变小，故C错误；D、在下坡的过程中，人和自行车的质量不变，所处的高度不断降低，其重力势能不断减小，但其速度越来越快，所以动能越来越大．正是减少的重力势能转化为了动能，故D正确．故选D。三、机械能守恒：1.机械能守恒：如果一个过程中，只有动能和势能相互转化，机械能的总和就保持不变。2.说明：（1）机械能守恒是有条件的，只有重力或弹力做功时，机械能是守恒的。（2）在动能和势能相互转化中，若受摩擦等阻力，则机械能的总和减少。（3）“在光滑面上”、“不计空气阻力”等文字，表示没有摩擦等阻力，此时机械能总和可看作是不变的。（4）人造地球卫星的运动，近地点动能（速度）最大，势能最小；远地点势能最大，动能（速度）最小，近地点向远地点运动时，动能转化为势能，远地点向近地点运动，势能转化为动能，整个过程机械能守恒。（5）滚摆上升下落过程中，如果不计空气阻力，机械能守恒。上升动能转化为重力势能，下降重力势能转化为动能，最低点速度最大，动能最大；最高点重力势能最大，动能最小；下降过程反之。考虑空气阻力，滚摆每次上升高度减小，机械能转化为内能。3.水电站的工作原理：利用高处的水落下时把重力势能转化为动能，水的一部分动能转移到水轮机，利用水轮机带动发电机把机械能转化为电能。4.水电站修筑拦河大坝的目的：水电站修筑拦河大坝是为了提高水位，增大水的重力势能，水下落时能转化为更多的动能，通过发电机就能转化为更多的电能。【例题3】下列哪个选项中，物体的机械能守恒（）A.水平公路上匀速行驶洒水的洒水车B.加速升空的火箭C.从苹果树下自由落下的苹果D.绕地球旋转的人造卫星【答案】D【解析】机械能守恒时，机械能会保持不变，根据每个选项其动能、势能、机械能的变化。解：A、水平公路上匀速行驶洒水的洒水车，高度不变，速度不变，质量变小，动能和势能减小，机械能减小，机械能不守恒，故A错误；B、加速升空的火箭，速度变大，高度变大，动能变大，重力势能变大，所以机械能变大，机械能不守恒，故B错误；C、从苹果树下自由落下的苹果，由于受到空气阻力的作用，机械能转化为内能，机械能不守恒，故C错误；D、绕地球旋转的人造卫星，由于没有阻力，所以其机械能是守恒的，故D正确。故选：D。【变式练习3】玩“过山车”是一项非常惊险刺激的娱乐活动。如图所示，过山车时而从轨道的最低点D上升到最高点A，时而从最高点A飞驰而下。过山车在运动过程中，若不计能量损失，只有动能和势能的相互转化。下列说法正确的是()A．A点机械能小于B点机械能B．D点动能最大，A点势能最大C．D点动能最大，A点机械能最大D．A点势能最大，机械能最大【答案】B【解析】在不计能量损失，只有动能和势能的相互转化时，机械能是守恒的。故选B。【例题4】如图，轻质弹簧竖直放置如图所示，轻质弹簧竖直放置，下端与水平地面相连，让小球从距离弹簧上端一定高度自由下落，直至到弹簧被压缩到最大的整个下落过程中（弹簧始终在弹性限度内），下列说法正确的是（）（不计空气阻力）A.小球的机械能守恒B.小球、弹簧组成的系统机械能守恒C.小球的动能一直增大D.小球的机械能一直减小【答案】B【解析】对于小球从接触弹簧到将弹簧压缩到最短的过程中，小球的动能、重力势能和弹簧的弹性势能这三种形式的能量相互转化，没有与其他形式的能发生交换，也就说小球的动能、重力势能和弹簧的弹性势能之和保持不变。对于小球从接触弹簧到将弹簧压缩到最短的过程中，弹簧是一直被压缩的，所以弹簧的弹性势能一直在增大。解：AC、对于小球从接触弹簧到将弹簧压缩到最短的过程中，小球的高度不断减小，重力势能不断减小；小球的速度最终变为零，动能变为零，故小球的机械能不守恒，故AC错误；B、不计空气阻力，小球从接触弹簧到将弹簧压缩到最短的过程中，小球的动能、重力势能和弹簧的弹性势能这三种形式的能量相互转化，没有与其他形式的能发生交换，也就说小球、弹簧组成的系统机械能守恒，故B正确；D、小球在接触弹簧前，不计空气阻力，其机械能是不变的，只有当接触弹簧后，小球的机械能才开始转化为弹簧的弹性势能，故D错误。故选：B。【变式练习4】人造地球卫星在大气层外绕地球运行，只有动能和势能的相互转化，卫星从远地点向近地点运动的过程中越来越快．如图是人造地球卫星的轨道示意图，下列说法正确的是（）A.卫星在运动过程中不受任何力的作用 B.卫星在近地点和远地点的机械能相等 C.卫星在远地点向近地点运动的过程中机械能越来越大 D.卫星从远地点向近地点运动的过程中机械能越来越小【答案】B【解析】动能大小的影响因素：质量、速度。质量越大，速度越大，动能越大。势能大小的影响因素：质量、相对距离。质量越大，相对距离越大，势能越大。机械能为动能和势能的和。解：人造地球卫星在大气层外绕地球运行，只有动能和势能的相互转化，则机械能是守恒的；A、卫星在运动过程中受到地球的吸引力的作用，故A错误；BCD、由于机械能守恒，则卫星在近地点和远地点的机械能相等，故B正确，CD错误。故选：B。【例题5】如图所示，材质均匀的弧形轨道固定在竖直平面，将小球置于轨道的顶端A点，小球具有的机械能为200J。让小球从A点由静止开始滚动，到右侧所能达到的最高位置B点时，具有的机械能为160J，随即小球向左侧滚动，当滚动到左侧所能达到的最高位置时，它具有的机械能可能是（不计空气阻力）（）A.130J B.120JC.110J D.100J【答案】A【解析】动能和重力势能之间可以相互转化，在转化过程中，由于与轨道摩擦，机械能逐渐减小，不计空气阻力，根据对摩擦力的分析可做出解答。解：由题意可知，小球在与轨道摩擦的过程中，其机械能转化为内能，逐渐减小。不计空气阻力，小球从A点到达B点时，机械能从200J减小为160J，减少了40J．而从B点再到达左侧所能达到的最高位置时，其通过轨道的长度应该比第一次短，所以机械能减少的大小应该小于40J，即小球的机械能是在160J的基础上，减去一个小于40J的数，即160J﹣40J＝120J，即最终的机械能大于120J，故A符合题意。故选：A。【变式练习5】用轻绳将小球系好后，固定在天花板上，做成一个摆，如图所示，小球在a点由静止释放，经过最低点b点后到达右端最高点c点，整个运动过程中存在空气阻力，对小球从a点向右摆动到c点的过程，下列说法中正确的是（）A.a点和c点等高 B.小球的机械能守恒 C.小球在c点机械能最小 D.小球在b点机械能最大【答案】C【解析】由于存在空气阻力，小球的机械能会转化为内能，其机械能会一直变小；动能的大小与质量和速度有关，重力势能的大小与质量和高度有关。解：由于存在空气阻力，小球的机械能会转化为内能，即小球的机械能不守恒，机械能会一直变小，所以小球从a到b到c的过程中，小球在c点机械能最小；由题意可知在a、c两点时小球的速度为0，动能相同，由于c点的机械能最小，且机械能等于动能与势能的总和，所以小球在c点的重力势能小于在a点的重力势能，则c点的高度要小于a点的高度，综上所述，C正确。故选：C。四、机械能和其他形式的能的转化：【例题6】将皮球从离地某一高度O点处水平抛出，球落地后又弹起，它的部分运动轨迹如图所示，下列说法正确的是（）A.皮球经过同高度的A、B两点时动能相等B.皮球第一次反弹后到达最高点P点时速度为零C.皮球在D点时的机械能小于在C点时的机械能D.皮球在D点时的动能大于在C点时的动能【答案】C【解析】A、由图知，每次小球反弹后到达的最高点都比上一次的最高点要低，说明小球运动时受到空气阻力，其机械能逐渐变小；机械能是物体动能与势能的总和，同一小球在A、B两点高度相同则重力势能相同，据此比较小球在A、B两点的动能大小。B、从轨迹来看，小球既有竖直方向的速度又有水平方向的速度。C、小球运动时受到空气阻力，其机械能逐渐变小，根据两点的先后顺序可判断小球机械能的大小。D、根据机械能不守恒和重力势能的大小分析动能的大小。解：A、由图可知，每次小球反弹后到达的最高点都比上一次的最高点要低，说明小球运动时受到空气阻力，其机械能逐渐变小，则在A点的机械能大于在B点的机械能；同一小球在A、B两点的高度相同则重力势能相同，因机械能是物体动能与势能的总和，所以在A点的动能大于在B点的动能；故A错误。B、小球在最高点时，竖直方向的速度为零，但是仍然能往右运动，说明小球还具有水平方向速度，所以皮球第一次反弹后到达最高点P点时速度不为零，故B错误。C、由A可知，小球运动时受到空气阻力，其机械能逐渐变小，D点在C点之后，故在D点的机械能小于在C点的机械能；故C正确。D、皮球在D点时的高度大于在C点时的高度，则在D点的重力势能大于C点的重力势能，由于在D点的机械能要小于C点的机械能，且机械能等于动能和势能的总和，所以皮球在D点时的动能小于在C点时的动能，故D错误。故选：C。【变式练习6】下列图形中，不属于机械能转化为内能的是（）A.滑下滑梯B.弯折铁丝C.做功冲程D.压缩点火【答案】C【解析】生活中存在很多机械能和其他形式能的转化的现象，分析选项中的实例，明确消耗能量与得到的能量可做出判断。解：A、滑下滑梯时，克服摩擦做功，机械能转化为内能，故A不符合题意；B、弯折铁丝，对铁丝做功，机械能转化为内能，故B不符合题意；C、内燃机的做功冲程中，内能转化为机械能，故C符合题意；D、压缩点火