八年级物理下册 11.4 机械能及其转化（解析版）

11.3动能和势能（解析版）知识清单1.机械能及其转化；2.水能和风能知识点1：机械能及其转化1.机械能（1）定义：动能、重力势能、弹性势能统称为机械能。机械能是和物体运动紧密联系的能量。机械能的单位是焦耳（J）。（2）对机械能的理解一个物体可以只有动能，也可以只有势能，还可以既有动能又有势能，都称为物体具有机械能。物体只有动能，如在水平路面上行驶的汽车；物体只有势能，如悬挂在空中静止的物体、射箭时发生弹性形变的弓；物体同时具有动能和势能，如在空中飞行的飞机、小鸟等。2.机械能守恒（1）机械能守恒大量研究结果证明，如果只有动能和势能相互转化，尽管动能、势能的大小会变化，但机械能的总和不变，或者说机械能守恒。★特别提醒机械能守恒的条件是只有动能和势能之间发生转化，没有其他形式的能参与转化。但在现实生活中，由于摩擦阻力的存在，动能和势能相互转化的过程中总要克服摩擦力做功，总有部分机械能转化为其他形式的能，机械能的总量减少。▲拓展培优能量转化的普遍性自然界中，各种形式的能量都可以相互转化，能量转化过程中总是一种形式的能量减少，另一种形式的能量增加动能和势能的相互转化只是各种能量转化的一种。（2）判断机械能如何变化①当物体的机械能守恒时，动能和势能中一种形式的能量减少，另一种形式的能量必然增加。示例（忽略空气阻力和摩擦导致的机械能损失）判断依据能的转化速度高度形变滚摆上升时减小增大——动能转化为重力势能过山车下降时增大减少——重力势能转化为动能运动的小球压缩弹簧时减小——增大动能转化为弹性势能弯弓射箭时增大——减小弹性势能转化为动能②物体受外力作用机械能不守恒时，可先分析动能和势能的变化情况，再结合“机械能=动能+势能”来判断。示例动能变化势能变化机械能水平路面上加速运动的小车增大不变增大水平路面上减速运动的小车减小不变减小匀速上升的热气球不变增大增大匀速下降的热气球不变减小减小斜面上减速下滑的滑块减小减小减小汽车加速冲上斜面增大增大增大③人造卫星运行时的机械能转化人造卫星绕地球椭圆轨道运行过程中，不受空气阻力，只有动能与势能的相互转化，故卫星的机械能守恒。如图所示，它离地球中心最远的一点叫远地点，离地球中心最近的一点叫近地点，卫星在两点间运行时能量转化情况如图所示。【典例1】如图所示，小明在做模拟“蹦极”“的小实验，一根橡皮筋一端系一个小石块，另一端固定在A点。B点是橡皮筋不系小石块自然下垂时下端所在的位置，C点是小石块从A点自由释放后所能达到的最低点，关于小石块从A点到C点的运动过程，下列说法中正确的是（）。A．小石块在B点时的动能最大；B．小石块在C点时的动能最大；C．从A点下落到C点的过程中，小石块的动能一直在增大；D．从B点下落到C点的过程中，小石块的动能先增大后减小【答案】D。【解析】A．如图：B点是橡皮筋不系小石块自然下垂时下端所在的位置，C点是小石块从A点自由释放后所能达到的最低点，O点是橡皮筋悬挂小球静止时的点即重力和弹力相等的点。B点是橡皮筋不系小石块自然下垂时下端所在的位置，在小石块未到达B点之前绳子没有发生形变，故从A点下落到B点的过程中，小石块只受到重力的作用，经过B点向下到重力和弹簧的弹力相等的位置（O点）的过程中，重力大于弹力，小球继续加速，所以动能继续增大，故A错误；B．C点是小球达到的最低点，此时速度为零，则小球的动能为零，故B错误；C．从A点下落到B点的过程中，小石块的重力势能转化为动能，由B到O的过程，小石块受重力和弹力的作用，橡皮筋的形变量逐渐变大，弹力逐渐变大，重力大于弹力，小石块受到的合力方向与运动方向相同，做加速运动，动能不断变大；由O到C的过程，重力小于弹力，小石块受到的合力方向与运动方向相反，做减速运动，动能不断变小，因此在由A到C的过程中，小石块的动能先增大后减小，故C错误；D．从B点下落到C点的过程中，可看作由B到O动能不断增大和由O到C动能不断减小的叠加，故D正确；故选D。知识点2：水能和风能1.水能：流动的水具有动能，高处的水具有势能，水所具有的机械能统称为水能。2.风能：风是流动的空气，风具有的机械能叫风能。3.风能和水能的利用水能风能本质机械能特点无污染、蕴藏量大、可循环利用资源丰富、无污染、不稳定、不便于储存利用（1）早期，人们利用水流冲击水轮机转动来汲水、磨粉、碾谷；（2）到18世纪，人们利用大功率水轮机来带动纺织机、冶金鼓风机工作；（3）近代，利用水轮机带动发电机发电（1）利用风能来驱动帆船航行；（2）利用风能来推动风车做功；（3）利用风能来发电【典例2】如图所示，这是水电站的示意图。 （1）我们知道水电站是利用水能资源的一项重大工程。那么，水电站到底是怎样“发电”的？其实它是利用能量的转化来“发电”的：把水库里的水蓄高后，打开水坝导管的闸门，水就会沿着导管泻下，推动水轮机把“电”发出来。请你根据以上的文字说明，试从能量转化的角度来说明水电站的工作原理。（2）建设水电站选址时，从能量的利用来看，你将选择图中的（A）址还是（B）址？请说说你的看法。

【答案】（1）水力发电是让水库中的水从闸门中奔泻下来，冲击水轮机，水轮机带动发电机转动发电，将水的机械能转化为电能。 （2）（B）址处水的落差较大，水奔流下来具有的机械能较大，可以将更多的机械能转化为电能。故选择（B）址建设水电站要好一些。【解析】 水电站是利用水的机械能来发电的。水库与水电站之间的落差越大，水奔流下来具有的机械能较大，便可以将更多的机械能转化为电能。 实验清单1.实验探究：动能和重力势能的相互转化；2.实验探究：动能和弹性势能的相互转化实验、探究1动能和重力势能的相互转化实验探究：动能和重力势能的相互转化单摆实验滚摆实验图示现象将小球拉至A点释放，小球加速摆向B点，然后摆向C点，速度越来越小，到C点的速度为零，之后再经过B点回到A点，不断往复（因为有空气阻力，实际上不能回到A点）捻动滚摆的轴，使滚摆上升至某一高度后松开，滚摆开始旋转下降，转速越来越大，到最低点后，开始缠绕悬线上升，转速逐渐变小，最终再次上升到原来的高度，之后再次下降，不断重复（因为有空气阻力，滚摆不能回答原来的高度）能量转化情况分析单摆的运动可分为上升段和下降段。其动能和重力势能转化情况见下表。运动阶段高度重力势能速度动能能的转化下降段A→BC→B降低减小变大增大重力势能转化为动能上升段B→AB→C升高增大变小减小动能转化为重力势能滚摆的运动也可分为上升段和下降段。其动能和重力势能转化情况见下表。运动阶段高度重力势能速度动能能的转化下降段降低减小变大增大重力势能转化为动能上升段升高增大变小减小动能转化为重力势能探究归纳在一定条件下，动能和重力势能可以互相转化。【典例3】2020年11月24日，探月工程嫦娥五号探测器成功发射，探测器在加速上升过程中（）。A.动能不变，势能增大 B.动能增大，势能增大C.动能不变，势能不变 D.动能增大，势能不变【答案】B。【解析】探测器在加速上升过程中，探测器的质量不变，速度增大，动能增大； 探测器在加速上升过程中，探测器的质量不变，高度增大，重力势能增大，探测器没有发生弹性形变，不具有弹性势能，故势能增大； 所以探测器在加速上升过程中，动能增大，势能增大，故B正确，ACD错误。 故选：B。 实验、探究2动能和弹性势能的相互转化实验探究：动能和弹性势能的相互转化【进行实验】一个木球以一定的速度v0撞到弹簧片上。【分析论证】探究过程球的速度球的动能弹簧片形变程度弹簧片的弹性势能能的转化木球压弯弹簧片不断减小，直至为零不断减小，直至为零由小变大不断增大动能转化为弹性势能弹簧片把木球弹回由零不断增大由零不断增大由大变小不断减小，直至为零弹性势能转化为动能【归纳总结】在一定条件下，动能和弹性势能可以互相转化。★特别提醒动能和弹性势能的之间的转化，可以发生在同一物体上，也可以发生在不同物体之间。例如，由高处落下的篮球在撞击地面发生了弹性形变过程中，球的动能转化为自身的弹性势能；球在恢复原状的过程中，球的弹性势能转化为自身的动能，动能和弹性势能在一个物体上相互转化。运动员进行蹦床表演时，运动员的动能和蹦床的弹性势能在两个物体间相互转化。方法清单1.对机械能守恒的理解；2.机械能守恒与图像结合题型一：对机械能守恒的理解★解题指导：判断机械能是否守恒的关键（1）从能量角度：若整个过程只有动能和势能的相互转化，没有其他形式的能参与转化，则机械能守恒；（2）从受力角度：若物体只受重力、弹力作用，而没有其他力的作用，则可认为机械能守恒。【典例4】如图所示，2021年6月17日搭载聂海胜、刘伯明和汤洪波三名航天员的神舟十二号飞船加速升空时的情景，下列说法正确的是（）。A．火箭的重力势能变大，动能变大，机械能不变；B．火箭的重力势能变大，动能减小，机械能不变；C．火箭的重力势能变大，动能变大，机械能变大；D．火箭的重力势能变大，动能减小，机械能减小【答案】C。【解析】ABCD．物体的动能与物体的运动速度和质量有关：速度越大、质量越大，动能就越大。火箭加速上升时，质量不变，速度变大，所以动能变大；物体的重力势能与物体的高度和质量有关：高度越高、质量越大，重力势能越大。火箭升空，质量不变，高度变大，重力势能变大。物体的机械能等于动能与势能之和，动能和势能都变大，所以机械能变大。故ABD错误，C正确。故选C。题型二：机械能守恒与图像结合【典例5】如图a、b为竖直向上抛出的小石块在上升过程中动能和重力势能随高度变化的图线（不计阻力），其中______是动能-高度关系图线，小石块上升到5m时的机械能为______J。【答案】a；4.【解析】抛出的小石块在上升过程中，受竖直向下重力的作用，则小石块上升的速度越来越小，当小石块的质量一定时，速度减小，小石块的动能减小，由图可知，图线a是小石块动能-高度关系图线；在只有动能和势能转化过程中，机械能总量保持不变，由于小石块的机械能总量E=2J+2J=4J，即当小石块上升至5m时，小石块的机械能为4J。 答：a；4。 易错清单1.动能和重力势能的转化；2.动能和弹性势能的转化；3.动能、重力势能和弹性势能之间的转化★易错预警1：动能和重力势能的转化看到下落，学生就容易习惯性的认为重力势能转化为动能，当当物体匀速下落时，速度不变，物体的动能不变，此时重力势能没有转化为动能。【典例6】跳水运动是奥运会的正式比赛项目，我国运动员在该项目上一直处于国际领先地位。比赛中，跳水运动员腾空跳起向上运动到最高点后再向下落人水中，若不计空气阻力，在整个空中运动过程中，运动员的（）。A.动能先减小后增大，重力势能先增大后减小；B.动能先增大后减小，重力势能先增大后减小；C.动能先减小后增大，重力势能先减小后增大；D.动能先增大后减小，重力势能先减小后增大【答案】A。【解析】（1）不计空气阻力，机械能守恒； （2）跳水运动员从腾空跳起向上运动后再向下落入水中，整个过程质量不变，高度先增大后减小，重力势能先增大后减小； （3）跳水运动员从腾空跳起向上运动后再向下落入水中，质量不变，速度先减小再增大，所以动能先减小后增大。 故选：A。 ★易错预警2：动能和弹性势能的转化解答此类问题的关键是确定哪个阶段物体做加速运动，哪个阶段小球做减速运动。（1）加速运动时：弹性势能转化为动能；（2）减速运动时：动能转化为弹性势能。【典例7】如图，弹簧的左端固定，右端连接一个小球，把它们套在光滑的水平杆上，a是压缩弹簧后小球静止释放的位置，b是弹簧原长时小球的位置，c是小球到达最右端的位置。则小球从a运动到c的过程中，在______（选填“a”、“b”或“c”）位置动能最大；从b到c的过程中，小球的动能转化为弹簧的______，小球从a运动到b的过程机械能总量______（选填“变大”、“变小”或“不变”）。【答案】b；弹性势能；不变。【解析】[1][2][3]由题意可知，小球从a运动到b的过程中，弹簧的形变程度减小，其弹性势能减小，小球的速度变大，动能变大，弹簧的弹性势能转化为小球的动能，而小球的重力势能不变，水平杆是光滑的，整个过程不需要克服摩擦做功，所以机械能总量不变；到达b点时，弹簧恢复原状，不计摩擦阻力，其弹性势能全部转化为小球的动能；再从b运动到c时，弹簧被拉伸，小球的动能再逐渐转化为弹簧的弹性势能，小球的动能会变小。因此，在b点时小球的动能最大。★易错预警3：动能、重力势能和弹性势能之间的转化不计空气阻力时，物体的机械能守恒。在分析动能、重力势能和弹性势能之间的转化时，根据物体运动情况，可以把物体的运动的整个过程进行分段。考虑每段运动过程中，物体运动速度的变化情况，物体的形变情况，即可分析重力势能和弹性势能的变化规律，以及动能与重力势能和弹性势能之间的转化。【典例8】如图甲所示，轻弹簧竖直固定在水平面上，时刻，将一重为G的金属小球从弹簧正上方某一髙度处静止释放，小球落到弹簧上压缩弹簧到最低点，然后被弹簧弹起，上升到一定高度后再下落，如此反复，通过安装在弹簧下端的压力传感器，测出这一过程弹簧弹力F随时间t变化的图象如图乙所示，则（）。A．时刻小球的动能最大；B．时刻小球的重力势能最大；C．时刻小球的机械能等于时刻小球的机械能；D．从开始下落到第一次到达最低点，小球内能的增加量小于这两个时刻小球机械能的减少量【答案】D。【解析】AB．t1时刻小球刚与弹簧接触，与弹簧接触后，开始一段时间内弹力小于重力，则小球仍然向下做加速运动，其动能变大，刚释