第四讲 机械能

第四讲机械能一、知识点1、能把物体做功的本领叫做能。物体能做的功越多，就说它具有的能越多。能是一个状态量。它可以用一些状态参量（如速度v，高度h，形变x等）表示出其量的多少。能量的多少是可以改变的。起重机的钢索用力把重物提高使物体的重力势能增大，在牵引力作用下车辆行驶得越来越快，其动能增大，用力拉弹簧使其伸长而弹性势能增大……在物体能量改变过程中，通常伴随着有力对物体或物体克服阻力做功，所以功是能量改变的量度。2、动能和势能（1）动能动能是物体由于运动而具有的能。物体的质量越大，运动速度越大，其动能就越大。公式：（2）重力势能重力势能是物体处于某一高度时所具有的势能。物体质量越大，所处的位置越高，重力势能就越大。公式：（3）弹性势能弹性势能是物体由于发生弹性形变而具有的势能。物体的弹性形变越大，弹性势能就越大。公式：重力势能和弹性势能统称为势能。3、机械能动能和势能统称为机械能。动能和势能之间可以相互转化，在转化过程中若没有能量的损失或其他能量的补充，机械能的总和保持不变，机械能是守恒的。机械能和其他形式的能之间也可以相互转化。无论是动能和势能之间的相互转化，还是机械能和其他形式的能之间的相互转化常常是通过做功的过程来实现的。在转化过程中，所做的功越多，一种形式的能转化为另一种形式的能就越多。能量的转化多少可以用做功的多少来量度。在国际单位制中能的单位与功的单位相同，也是焦（J）二、机械能和其他形式能的转化没有外力对物体做功（或者只有重力、弹力对物体做功），在物体势能与动能相互转化的过程中，机械能总量将保持不变。如图所示，一个乒乓球从某一高度由静止开始下落，经光滑地面反弹再回到原高度（空气阻力不计）。当球在A处释放时具有重力势能，下落到B处时球既有动能（有速度），又有重力势能（有高度）。继续落到C处（设C为零高度）球的重力势能为零，动能最大。在此过程中球的重力势能转化成动能，而A处的重力势能最大，C处的动能最大，B处的重力势能与动能之和等于A处的重力势能，也等于C处的动能。球在C处发生形变使动能转化成弹性势能，再转化成动能，球被弹回A处。在此过程中，动能又转化成重力势能，机械能的总和扔保持不变（即机械能守恒）。若地面不光滑，空气阻力作用不可忽略，乒乓球便不能弹回原高度，表明球在运动过程中有机械能转化成其他形式的能（如内能），机械能的总量就会减少。机械能和其他形式的能之间可以相互转化，例如水电站水轮机带动发电机做功，将机械能转化为电能，而电动机则将电能重新转化为机械能。汽车和火车的内燃机通过燃气推动气缸中的活塞做功，将燃料的化学能转化为汽车的动能。现代生活和生产中随处可见的各种动力机械，小到电动玩具、大到喷气发动机，都是将电能、化学能等其他形式的能转化为动能的能量转化器。三、机械能守恒1、内容：在只有重力或弹力做功的物体系统内，动能和势能可以互相转化，而总的机械能保持不变。2、守恒的条件：只有重力或弹力做功．3、守恒表达式：二、精选练习题【典例】22．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。23．热爱劳动的津津，在家学做天津特色菜“贴饽饽熬鱼”时，一个饮料瓶不小心落到了松软的玉米面团上，在面团上留下较深的痕迹。于是他灵机一动，利用玉米面团和装有水的饮料瓶，依次做了如图所示的实验，对如下两个问题进行了探究。问题一：压力作用效果跟哪些因素有关。问题二：重力势能大小跟哪些因素有关。（1）做实验①②③是为了探究（选填“问题一”或“问题二”）；（2）利用实验④⑤可探究重力势能大小与是否有关；（3）《民法典》中规定“禁止从建筑物中抛掷物品”，生活中更要杜绝“高空抛物”这种严重危害公共安全的行为。“高空抛物”危害性大的原因，可通过分析实验⑤⑥得出的结论来解释，请你写出该结论。【变式训练】1．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2．2022年北京冬奥会赛场上，我国选手谷爱凌摘得自由式滑雪大跳台比赛的金牌。谷爱凌离开跳台后，从低处向高处跃起后下落，在此过程中（）A．动能一直减小 B．重力势能一直减小 C．动能先减小后增大 D．重力势能先减小后增大3．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4．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5．如图所示，用绳子把一块橡皮悬挂起来，把橡皮贴近自己的鼻子，稳定后松手，头保持不动，橡皮向前摆去又摆回来，不会碰到鼻子。下列说法正确的是（）A．橡皮在摆动的过程中机械能保持不变 B．橡皮摆动到最低点时动能最小 C．橡皮在下降过程中，重力势能转化为动能 D．橡皮在上升过程中，重力势能转化为动能6．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7．2021年7月30日，中国蹦床运动员朱雪莹和刘灵玲包揽了东京奥运会女子蹦床金银牌，为国争了光。比赛中朱雪莹先被蹦床弹起上升到最高点，之后从最高点下落直至将蹦床压缩到最低点。在此过程中，有关朱雪莹机械能变化的说法正确的是（）A．在空中上升过程中，她的动能转化为重力势能 B．在最高点她的动能最大 C．下落到将与床面接触时，她的动能为零 D．蹦床被压缩到最低点时，她的重力势能最大8．打篮球是很多同学喜爱的运动项目，某次打篮球过程中，篮球的部分运动轨迹如图所示，下列说法正确的是（）A．篮球经过相同高度的B、C两点时，机械能相等 B．篮球第一次反弹后到达最高点D时，动能为0 C．篮球经过B、E两点时，动能可能相等 D．篮球在整个过程中机械能守恒9．如图甲所示，轻弹簧竖直固定在水平面上。t＝0时刻，将一重为G的金属小球从弹簧正上方某一高度处静止释放，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．t1时刻小球的动能最大 B．t1时刻小球的重力势能最大 C．t2时刻小球的机械能等于t1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10．如图所示，小球从左侧斜面的P点由静止释放，在右侧斜面上能到达的最高位置是Q点，M、N是小球运动过程中先后通过的两个等高点，下列关于该过程的说法中正确的是（）A．小球在左侧斜面向下运动的过程中，重力势能全部转化为动能 B．小球从P点向Q点运动的过程中，机械能保持不变 C．小球从P点向Q点运动的过程中，所受支持力不做功 D．小球通过M、N两点时的速度大小相等11．如图，质量为2m的物块P下方连接有一个质量为m的钩码，上端通过细线绕过轻质定滑轮连接一质量为2m的物块Q，将它们由静止释放。在物块P下落到地面的过程中，P，Q间细线拉力大小为F，（细线重力及各处的摩擦均不计，钩码落地后不弹起）（）A．钩码落地前F＝3mg，Q的机械能增大 B．钩码落地前F＜3mg，Q的机械能增大 C．钩码落地后F＝2mg，P的机械能不变 D．钩码落地后F＞2mg，P的机械能减小12．一颗番茄从手中由静止开始下落，撞击水面时溅起许多水珠（如图），同时番茄仍有较大速度并继续下沉。若不计一切机械能损耗，番茄从开始下落至刚好浸没时减少的势能（）A．等于所有溅起的水珠在撞击过程中增加的机械能总和 B．大于所有溅起的水珠在撞击过程中增加的机械能总和 C．等于所有溅起的水珠在空中上升过程中增加的机械能总和 D．小于所有溅起的水珠在空中上升过程中增加的机械能总和13．如图所示为蹦极运动的简化示意图，弹性绳一端系在运动员双脚上，另一端固定在跳台O点。运动员由静止开始自由下落，A点处弹性绳正好处于原长；B点处运动员受到的重力与弹性绳对运动员的拉力大小相等；C点处是蹦极运动员到达的最低点。（整个过程忽略空气阻力，弹性绳的自重不计）（1）从O点到A点的过程中，运动员的机械能（选填“增大”“减小”“不变”或“先增大后减小”）。（2）从A点到C点的过程中，弹性绳的弹性势能（选填“增大”“减小”“不变”或“先增大后减小”，下同）；运动员的动能。14．跳台滑雪是冬奥会比赛项目之一。（1）北京冬奥会上某运动员在跳台滑雪比赛时的运动轨迹如图所示，该运动员沿跳台从A点到B点的下滑过程中，重力势能大小的变化是；（2）跳台采用的人造雪可循环利用，体现绿色奥运理念。造雪时不断吸入水，喷出粉状雪，该造雪过程中水发生的主要物态变化是。15．某兴趣小组通过自主探究得知“在一定范围内，弹簧的弹力大小与弹簧的伸长量成正比”。原长为10cm的弹簧（质量不计）上端固定在天花板上，下端系一重为20N的小球，静止时小球位于A处，弹簧长度变为11cm，再用力F将小球竖直向下拉到B处，弹簧长度为11.5cm（未超过弹性限度），然后由静止释放，在释放瞬间小球受到的合力大小为N，小球从B处第一次回到A处过程中，小球的动能（选填“增大”、“减小”、“先增大后减小”或“先减小后增大”）。16．如图所示，旋翼无人机正在喷洒农药，当无人机水平匀速飞行时，无人机处于（选填“平衡”或“非平衡”）状态，喷洒过程中无人机的动能（选填“增大”、“减小”或“不变”）。17．我国独立自主研制的火星探测器“天问一号”沿椭圆轨道绕火星运动时，不考虑空气阻力，只有动能和势能的相互转化，由近火点向远火点运动时，探测器的动能，机械能（选填“变大”、“变小”或“不变”）。18．如图1，小丽站在商场的手扶电梯上，随梯匀速下楼，运动轨迹如图2虚线所示。（1）在图2中画出小丽的受力示意图。（图中“•”表示小丽）（2）此过程中，小丽的动能（选填“增大”“不变”或“减小”），机械能（选填“增大”“不变”或“减小”）。19．如图所示，小球从A点摆到C点的过程中，不计空气阻力。能会先减小后增大；机械能总和（选填“增大”、“减小”或“不变”）。20．如图所示为游乐园过山车的轨道示意图。过山车