11.4 机械能及其转化（导学案）- 八年级物理下册同步备课系列（人教版）(教师版)

学而优教有方11.4机械能及其转化（导学案）【学习目标】1.知道动能、重力势能和弹性势能统称为机械能。2.能通过实验或实例，认识物体的动能和势能可以相互转化，能解释与机械能转化有关的现象。3.通过实例认识能量可以从一个物体转移到另一个物体，不同形式的能量可以相互转化。通过水能和风能的利用知道人类如何利用机械能的转化与守恒解决实际问题。提高运用机械能转化与守恒观点分析力学问题的意识。【学习重点】动能和势能之间的转化。【学习难点】机械能守恒。【自主预习】阅读教材，完成以下问题：1．机械能：动能、重力势能和弹性势能统称为机械能。机械能是动能和势能之和。2．机械能及其转化：动能和势能之间可以(选填“可以”或“不可以”)相互转化。3．机械能守恒：如果只有动能和势能的相互转化，尽管动能和势能的大小会变化，但机械能的总和不变，或者说，机械能是守恒的。4.水能和风能的利用：自然界中的流水和风都具有大量的机械能，可以用来发电。【合作探究】探究一、机械能及其转化1.机械能【想一想】高空飞行中的飞机具有什么能量？【分析】飞行中的飞机因为它在运动而具有动能，又因为它处于高空而具有重力势能，一个物体可以既有动能，又有势能，把这两种能量加在一起，就是它的机械能。动能、重力势能和弹性势能统称为机械能。一个物体具有的机械能是动能和势能之和。例如，如果飞行中的飞机的动能是4×108J，重力势能为5×108J，那么总的机械能为：动能+势能=4×108J+5×108J=9×108J。2.动能和势能的转化（1）动能和重力势能的转化动能和重力势能可以相互转化。下面以单摆和滚摆的运动为例分析。①单摆实验如图所示，摆球在竖直平面内摆动，在A、C点时最高，在B点时最低，所以摆球的运动可分为下降段和上升段。其能量转化情况见下表。运动过程高度重力势能速度动能能的转化A→B降低减小变大增大重力势能转化为动能B→C升高增大变小减小动能转化为重力势能C→B降低减小变大增大重力势能转化为动能B→A升高增大变小减小动能转化为重力势能【结论】单摆在摆动过程中，动能和重力势能可以相互转化。②滚摆实验如图所示，将滚摆挂起来，捻动滚摆，使悬线缠绕在轴上，当滚摆上升到最高点后，放开手，滚摆会下降和上升，能量变化的分析过程如下表所示。运动过程高度重力势能速度动能能的转化下降降低减小变大增大重力势能转化为动能上升升高增大变小减小动能转化为重力势能【结论】滚摆在摆动过程中，动能和重力势能可以相互转化。（2）动能和弹性势能的转化如图所示，让一个木球从斜面上滚下来，撞到水平面的一根弹簧上。分析其能量转化的情况。研究的过程球的速度球的动能弹簧的形变程度弹簧的弹性势能能的转化乙木球压缩弹簧逐渐减小直至为零逐渐减小直至为零由小变大逐渐增大动能转化为弹性势能丙弹簧把木球弹回由零逐渐增大由零逐渐增大由大变小逐渐减小直至为零弹性势能转化为动能【结论】动能和弹性势能在一定条件下可以相互转化。（3）归纳结论动能和势能可以相互转化。动能和重力势能可以相互转化，动能和弹性势能可以相互转化。注意：动能和势能的相互转化的条件①动能和势能的相互转化过程中，必定有动能和势能各自的变化，而且一定是此增彼减。②动能的增减变化要以速度的变化来判断；重力势能的增减变化要以物体离地面高度的变化来判断；弹性势能的增减要根据弹性形变大小的变化来判断。（4）动能和势能相互转化的实例①人从滑梯下滑时，重力势能转化为动能。②拉弓射箭时，拉开的弓把箭射出去的过程中，弓的弹性势能转化为箭的动能。③撑杆跳高时，能量的转化过程：动能→弹性势能（跳杆）→重力势能→动能。3.机械能守恒（1）机械能守恒动能、势能的大小会变化，它们的和是否变化呢？物理学家经过大量的实验研究与理论推导，得出了如下规律：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，机械能是守恒的。（2）机械能守恒的条件只有动能和势能的相互转化，而没有机械能与其他形式的能的相互转化。（即忽略摩擦力造成的能量损失，机械能守恒也是一种理想化的物理模型）在物理学中常常出现“光滑的表面”、“不计空气阻力”、“不计摩擦”等文字描述，表示没有摩擦阻力，机械能是守恒的（选填“守恒”或“不守恒”）。（3）机械能不守恒的一些事例汽车爬坡匀速下落的跳伞者火箭发射（4）用机械能守恒及其转化解释现象①本节开始提出的问题：用绳子把一个铁锁悬挂起来。把铁锁拿近自己的鼻子，稳定后松手，头不要动。铁锁向前摆去又摆回来。铁锁摆回时会碰到你的鼻子吗？【分析】铁锁下降的过程是重力势能转化为动能，上升的过程是动能转化为重力势能。在上升和下降的过程中，铁锁和空气之间存在摩擦，克服摩擦做功，一部分机械能转化为内能，机械能不守恒（减小），也就是重力势能的最大值越来越小，所以摆动的高度会越来越低，不会达到鼻尖的。②分析过山车在运动过程中的能量转化情况。【分析】从A到B的运动过程中，重力势能转化为动能；从B到C的运动过程中，动能转化为重力势能；从C到D的运动过程中，重力势能转化为动能。过山车运行过程中车与轨道之间有摩擦力，还受到空气的阻力，机械能并不守恒，机械能转化为内能，不给其他动力的情况下，过山车最终停下来。③分析人造地球卫星的机械能转化许多人造地球卫星沿椭圆轨道绕地球运行。离地球最近的一点叫近地点，最远的一点叫远地点。卫星在大气层外运行，不受空气阻力，只有动能和势能的转化，因此机械能守恒（选填“守恒”或“不守恒”）。卫星在远地点时势能最大，当它从远地点向近地点运动时，势能减小，动能增大，速度也增大。当卫星从近地点向远地点运动时，它的动能减小，势能增大，速度也减小。【例题1】小明从光滑的滑梯上下滑过程中，下列说法正确的是（不计空气阻力）（A）A.重力势能减小，动能增加，机械能不变。B.重力势能增加，动能减小，机械能不变。C.重力势能增加，动能不变，机械能增加。D.重力势能减小，动能不变，机械能减小。【解析】小明从光滑的滑梯上下滑过程中，不计空气阻力，机械能是守恒的。因为高度减小，速度增大，所以重力势能减小，动能增加。选项A正确。【例题2】在温哥华冬奥会上，来自黑龙江省的选手李妮娜在自由式滑雪比赛中获得银牌。她在比赛过程中运动的轨迹如图所示，如果不计空气阻力，则从a点向b点运动过程中，动能____（选填“增大”、“减小”或“不变”）；她在a点处的机械能_______她在c点处的机械能；c点的机械能______d点的机械能（选填“大于”、“小于”或“等于”）。【答案】增大，大于，等于。【解析】从a点下滑到b点过程中，高度减小，重力势能减小，速度增大，动能增大；从a点运动到c点的过程中，由于要克服雪面摩擦力做功，会消耗一部分机械能，则在a点的机械能大于c点的机械能。运动员从c点到d点运动时腾空运动，d点是落地点，运动过程中与雪面没有接触，忽略空气阻力，机械能不变，则c点的机械能与d点的机械能相等。探究二、水能和风能的利用地球上，海水潮汐涨落，江河日夜奔腾；有时微风拂面，有时狂风劲吹。从能量的角度来看，自然界的流水和风都具有大量机械能的天然来源，即水能和风能都是机械能。1.水能（1）水能：流动的水具有动能，高处的水具有重力势能，水所具有的机械能统称为水能。水能的大小由流量、流速和水位差决定。（2）古代对水能的利用：早在1900多年前，我们的祖先就制造了水轮，让流水冲击水轮转动，用来汲水、磨粉、碾谷。（3）水能发电站：将水的机械能转化成电能。修筑拦河坝提高上游水位，坝底装水轮机，发电机装在水轮机上面，它们的轴连接在一起，水轮机带动发电机发电。一定量的水，上、下水位差越大，水的重力势能越大，能发出的电就越多。2.风能（1）风能：流动的空气所具有的机械能叫做风能。风能的大小由风速和流动空气的质量决定。（2）古代对风能的利用：我国早在2000多年前就开始利用风来驱动帆船航行；至少1700多年前已开始利用风来推动风车做功。（3）风能发电站：将风的机械能转化成电能。单个风力发电机的输出功率较小，在风力资源丰富的地区，可以同时安装几百台风力发电机，组成“风车田”，连在一起供电。【例题3】下列关于水能和风能的说法中，正确的是（D）A.流动的河水只有动能，没有重力势能B.风只具有动能，不具有重力势能C.利用水能和风能都可以做连续性的工作D.水能和风能都不会污染环境【解析】流动的河水、风都具有动能和重力势能；利用水能和风能（不稳定）不可以做连续性的工作；水能和风能都不会污染环境；所以选项A、B、C均错误，D正确。【精讲点拨】1.机械能（1）机械能是物体动能、重力势能和弹性势能的统称，机械能等于三者之和。（2）物体的机械能由动能、重力势能和弹性势能共同决定。质量、速度、高度、弹性形变程度均会影响物体的机械能。2.机械能守恒（1）如果只有动能和势能的相互转化，机械能的总和不变，即机械能守恒。（2）注意机械能守恒的条件：只有动能和势能的相互转化，而没有机械能与其他形式的能的相互转化。（即忽略摩擦力造成的能量损失，所以机械能守恒也是一种理想化的物理模型）。在物理学中常常出现“光滑的表面”、“不计空气阻力”、“不计摩擦”等文字描述，表示没有摩擦阻力，机械能是守恒的。（3）机械能不守恒的情况：实际生活中，一般情况下，机械能会与其他形式的能发生转化，机械能不守恒。①机械能转化为其他形式的能。例如滚摆在摆动时与空气摩擦，机械能转化为空气的内能，最后会停下来。②其他形式的能转化为机械能。例如火箭升空，燃料的能量转化为机械能。【归纳整理】第4节机械能及其转化【课堂练习】1．如图，在2022年北京冬奥会开幕式上，质量约为3t的奥运五环缓缓升起。若将升起过程看成匀速直线运动，则该过程中奥运五环的（）A．重力势能不变 B．动能增大C．机械能不变 D．机械能增大【答案】D【详解】A．重力势能与物体的质量和高度有关，被提升的过程中，质量不变，高度增大，所以重力势能增大，故A不符合题意；B．动能与物体的质量和速度有关，物体匀速提升，质量不变，速度不变，所以动能不变，故B不符合题意；CD．物体动能不变，重力势能增大，所以机械能增大，故C不符合题意，D符合题意；故选D。2．如图为一摆球从左侧A点摆到右侧最高点B的过程图，请在图中三个位置的摆球上用“1”和“2”分别标注出机械能最大位置和动能最小位置。【答案】见右图。【解析】摆球从左侧A点摆到右侧最高点B的过程图，克服空气的阻力做功，一部分机械能转为内能，所以在该过程中，摆球的机械能逐渐减小。所以在A点的机械能是最大的，应标注“1”；摆球运动到B点时，摆球的质量不变，速度最小，动能最小，应标注“2”，如图所示。3.2022年2月北京冬奥会，中国代表团共收获9金4银2铜共15枚奖牌，金牌数和奖牌数均创历史新高。如图为高速摄影机记录的单板滑雪男子大跳台金牌得主苏翊鸣在比赛中，从跳台起跳到落地过程的情景。下列关于这一过程说法正确的是（）A．他从起跳到最高点的过程中，动能逐渐转化成重力势能B．他起跳后到达最高点时，机械能最大C．他从空中下落过程中，重力做功越来越慢D．他从起跳到落地的整个过程中，机械能是守恒的【答案】A。【解析】A．他从起跳到最高点的过程中，质量不变，速度逐渐变小，高度逐渐升高，动能逐渐变小，重力势能逐渐增大，动能逐渐转化成重力势能，故A正确；B．由于存在阻力，他起跳后到达最高点的过程中，机械能不断减小，在最高点机械能最小，故B错误；C．他从空中下落过程中，速度越来越大，由P=W/t=Fs/t=Fv=Gv得，重力做功越来越快，故C错误；D．由于存在阻力，他从起跳到落地的整个过程中，机械能不断减小，机械能不守恒，故D错误。所以选A.4.如图，让小球从光滑轨道AOB的A点由静止开始自由滑下，A点的高度H大于B点的高度h，沿轨道AOB到达B点后离开（不计空气阻力）。则小球离开B点后的运动轨迹最符合实际的是（）A．a B．b C．c D．d【答案】C.【解析】A．根据题意，小球从A点由静止滑下，小球的机械能等于A点时的重力势能，整个过程中，轨道光滑，不计空气阻力，机械能守恒。a图线的最高点超过了A点的高度，这是不可能的，A不符合题意；B．b图线的最高点与A点的高度相同，而在最高点时，小球仍具有向右运动的速度，即b图线的最高点，小球还具有动能，所以b图线的机械能大于A点的机械能，故B不符合题意；C．c图线的最高点低于A点，由于在最高点时小球仍运动，有一定动能，其总机械能可能与开始时的机械能相等，故C符合题意；D．小球离开轨道时，由于惯性，应具有沿轨道方向向上运动的速度，故D不符合题意。所以选C.5.如图，光滑水平桌面上的弹性小球被弹出后，经过A点和B点后落到地面，又被多次弹起，图中虚线为小球的运动轨迹。下列有关小球的运动，描述正确的是（）A．小球从A点运动到B点的过程中机械能不断减少B．小球反弹经过D点时动能为零C．若将弹性小球表面涂黑，则会在C、F两点留下等大的黑色圆斑D．小球经过E点的机械能大于经过G点的机械能【答案】D【详解】A．机械能等于动能与重力势能之和，因为桌面光滑，因此从A点到B点小球速度不变，动能不变，因桌面高度不变，因此小球重力势能不变，故机械能不变，故A错误；B．当小球在D点时，在竖直方向上速度为0，但在水平方向上速度不是0，因此动能不是0，故B错误；C．小球在地面上的黑斑大小取决于小球的形变程度，即此时小球的弹性势能大小。而B点的重力势能大于D点的重力势能，B点的重力势能转化为C点的弹性势能，D点的重力势能转化为F点的弹性势能，因此C点弹性势能大于F点的弹性势能，即C点黑斑大，故C错误；D．在运动过程中，小球要克服空气阻力而消耗机械能，机械能越来越小，E点在G点之前，因此E点机械能大于G点机械能，故D正确。故选D。6．球竖直向上运动，并落回地面，这过程中先后经过M、S两点。球在这两点的动能和重力势能如图所示，则球在M点的（）A．速度比在S点的大B．机械能大于在S点的C．机械能等于在S点的D．离地高度比在S点的低【答案】B【详解】A．由图可知，M点的动能小于S点的动能，所以球在M点的速度比在S点的小，故A不符合题意；BC．由图可知，M点的动能和重力势能之和大于S点的动能和重力势能之和，故M点的机械能大于在S点的机械能，故B符合题意，C不符合题意；D．由图可知，M点的重力势能大于S点的重力势能，所以M点的离地高度比在S点的高，故D不符合题意。故选B。7．衢江抽水蓄能电站全面投产发电，工作原理如图所示，用电低谷时（如深夜），电站利用电网多余电能把水