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11.4　动能和势能
第1课时　动能和势能
学习目标 1. 能通过实例从做功的角度描述能量，能说出能量与做功的关系。 2. 能通过实验探究，了解影响动能、重力势能大小的因素。 3. 能从能量的视角分析高空抛物的危害等。
任务一　能量
观察下列图片，回答问题。
　　
问题1：图(a)中流动的风可对 做功；图(b)中高处的桩锤下落可对 做功；图(c)中张开的弓可对 做功。
总结：上述三个实例存在一个共性，就是物体具有 的本领。
问题2：阅读课本P15，写出能量的定义。
问题3：根据能量的定义，是不是具有能量的物体一定在做功呢？
问题4：能量与做功有什么联系？能量的单位是什么？
1. 能量的定义：物体能够对别的物体做功，我们就说这个物体具有能量，简称能。
2. 能量的单位：焦耳(J)。
【应用1】下列关于能量的说法正确的是( )
A. 做功的物体具有能量，不做功的物体没有能量
B. 做功多的物体能量就多，做功少的物体能量就少
C. 能够做功的物体具有能量，但不一定就做功
D. 能量多的物体所做的功一定就多
任务二　动能
(一)动能
问题1：射出的箭、运动的球、流动的水、流动的空气等物体能否做功，它们有什么共同点？
问题2：阅读课本P15，写出动能的定义。
(二)探究动能的大小与哪些因素有关
活动1：猜想与假设
货车发生交通事故时，会破坏公路两边的护栏，速度较大的、满载的货车破坏程度更严重，你认为动能的大小可能与哪些因素有关？写出你的猜想。
活动2：设计方案
(1)实验器材：斜面、质量不同的钢球、木块。
(2)实验设计：
①怎样研究动能的大小与物体的速度和质量的关系？
②研究动能大小与质量的关系时，如何控制钢球的速度相同？
③研究动能大小与速度的关系时，如何改变钢球的速度？
④钢球的动能大小不可以直接测量，如何显示动能的大小？
活动3：实验过程
(1)从斜面的不同高度由静止释放同一钢球，比较平面上的木块被钢球撞击后运动的距离；
(2)从斜面的同一高度由静止释放质量不同的钢球，比较平面上的木块被钢球撞击后运动的距离。
活动4：得出结论
物体的动能与物体的 和 有关。质量相同时，速度 的物体具有的动能越大；速度相同时，质量越大的物体具有的动能 。
1. 物体由于运动而具有的能叫做动能。
2. 物体的动能与物体的质量和速度有关。
3. 质量相同时，速度越大的物体具有的动能越大。
4. 速度相同时，质量越大的物体具有的动能越大。
【应用2】小明用图示装置探究“动能大小与速度的关系”，下列说法正确的是( )
A. 水平面必须光滑
B. 让不同的小球从同一斜面同一高度静止释放
C. 实验得到结论，物体的速度越大，动能越大
D. 用木块移动的距离表示小球动能大小
任务三　势能
(一)重力势能和弹性势能
问题1：举高的铁锤、起重机吊起的重物、被举起的杠铃等物体能否做功，它们有什么共同点？
问题2：张开的弓、变形的撑竿、蹦极时拉紧的橡皮绳等物体能否做功，它们有什么共同点？
问题3：阅读课本P17，写出重力势能、弹性势能的定义。
(二)探究重力势能的大小与哪些因素有关
活动1：猜想与假设
下冰雹时，冰雹质量越大对地里的庄稼破坏越大；建楼房打地基时，重锤举得越高，地基打得越牢固。你认为重力势能的大小与哪些因素有关？提出你的猜想。
活动2：设计方案
(1)实验器材：质量不同的重物、小方桌、沙箱。
(2)实验设计：
①怎样研究重力势能的大小与物体的质量和物体所在位置高度的关系？
②如何显示物体重力势能的大小？
活动3：实验过程
(1)让同一重物从不同高度由静止释放，自由下落撞击沙箱中的小方桌，比较小方桌下陷的深度；
(2)让质量不同的物体从相同高度由静止释放后，自由下落撞击沙箱中的小方桌，比较小方桌下陷的深度。
活动4：得出结论
物体的重力势能与物体的 和它所在 有关。质量相同时，越高的物体具有的重力势能 ；高度相同时，质量 的物体具有的重力势能越大。
1. 高处的物体由于受重力作用而具有的能叫做重力势能。
2. 物体的重力势能与物体的质量和它所在位置的高度有关。质量相同时，越高的物体具有的重力势能越大；高度相同时，质量越大的物体具有的重力势能越大。
3. 物体发生弹性形变而具有的能叫做弹性势能。物体的弹性形变越大，具有的弹性势能就越大。
4. 重力势能和弹性势能统称为势能。
【应用3】(2025·广东模拟)如图是我国探月工程“嫦娥六号”探测器，其返回舱在距离地面一定高度时，需要打开降落伞减速，以便安全着陆。在返回舱减速下降的过程中( )
A. 动能减小，势能减小　
B. 动能不变，势能减小
C. 动能不变，势能增大　
D. 动能增大，势能减小
第2课时　机械能的转化
学习目标 1. 通过实验，认识动能与势能的相互转化，能举例说明并解释与机械能转化有关的现象。 2. 通过分析实例，知道机械能及其守恒的条件。 3. 通过分析利用水能和风能的实例，体会能量转化与守恒观点，树立保护环境、节约资源、促进可持续发展的责任感。
任务一　机械能的相互转化
(一)单摆实验
如图所示，用细线拴住螺母制成一个单摆，将螺母拉到一定的高度释放，仔细观察螺母的摆动情况。
问题1：当螺母从最高点向最低点运动的过程中，动能和势能是如何变化的？
问题2：当螺母从最低点向最高点运动的过程中，动能和势能又是如何变化的？
问题3：在运动过程中动能和势能是如何转化的？
问题4：以上实验能说明什么？
问题5：螺母会一直不停地来回摆动吗？为什么？
(二)滚摆实验
如图所示，将悬吊滚摆的绳子缠绕在滚摆上，放开手，仔细观察滚摆上下运动的速度和高度的变化情况。
问题6：滚摆在最高点和最低点时的动能和势能是怎样的？在运动过程中动能和势能是如何变化的？
问题7：为什么滚摆每次上升的高度一次比一次低？
1. 物体的动能和势能统称为机械能。
2. 物体的动能和势能是可以相互转化的，如果只有动能和势能相互转化，则机械能的总和不变，即机械能是守恒的。
【应用1】 (2024·自贡中考)很多同学都玩过荡秋千，下列说法正确的是( )
A. 秋千荡到最低点时只有动能
B. 秋千荡到最高点时有重力势能和动能
C. 从最低点荡到最高点的过程中重力势能转化为动能
D. 从最高点荡到最低点的过程中动能增大，重力势能减小
任务二　机械能的应用
问题1：从能量的角度来看，自然界的流水和风都具有大量的 。
问题2：利用水能发电，修筑拦河坝提高上游水位，增加了水的 能；奔流而下的水的 转化为 ，通过水轮机带动发电机发电。水的 越大，能发出的电越多。
问题3：古人是怎样利用风能的？
问题4：利用风能发电时，风吹动风车，将风能转化为风车叶片的 能，再通过发电机将 能转化为 能。
1. 水能的利用：利用水能发电。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. 风能的利用：风能也可以用来发电，风吹动风车，可以带动发电机发电。
【应用2】如图所示是《天工开物》中的“筒车”汲水装置。水流冲击水车转动，水流的动能转化为水车轮子的 能；水车转动又提高了少部分水的高度，其实质是水流通过“筒车”这个机械装置，把自己整体的动能转化为一部分水的 能，达到了汲水浇田的目的。
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第1课时　动能和势能
学习目标 1. 能通过实例从做功的角度描述能量，能说出能量与做功的关系。 2. 能通过实验探究，了解影响动能、重力势能大小的因素。 3. 能从能量的视角分析高空抛物的危害等。
任务一　能量
观察下列图片，回答问题。
　　
问题1：图(a)中流动的风可对　帆船　做功；图(b)中高处的桩锤下落可对　桩头　做功；图(c)中张开的弓可对　箭　做功。
总结：上述三个实例存在一个共性，就是物体具有　对外做功　的本领。
问题2：阅读课本P15，写出能量的定义。
答：物体能够对别的物体做功，我们就说这个物体具有能量，简称能。
问题3：根据能量的定义，是不是具有能量的物体一定在做功呢？
答：物体能够做功表示物体具有做功本领，具有能量的物体不一定做功，而正在做功的物体一定具有能量。
问题4：能量与做功有什么联系？能量的单位是什么？
答：物体做功的过程就是能量转化的过程。能量反映了物体做功的本领。一个物体能够做的功越多，表示这个物体的能量越大。
能量的单位与功的单位相同，在国际单位制中，能量的单位是焦耳(J)。
1. 能量的定义：物体能够对别的物体做功，我们就说这个物体具有能量，简称能。
2. 能量的单位：焦耳(J)。
【应用1】下列关于能量的说法正确的是(　C　)
A. 做功的物体具有能量，不做功的物体没有能量
B. 做功多的物体能量就多，做功少的物体能量就少
C. 能够做功的物体具有能量，但不一定就做功
D. 能量多的物体所做的功一定就多
特别提醒：理解“能”的概念：
(1)一个物体具有的能越多，物体做功的本领就越大，它能够对外做的功就越多。
(2)具有能的物体能够做功，但不一定正在做功。
(3)能的形式是多种多样的：机械运动中有机械能，电现象中有电能，热现象中有内能(热能)，光现象中有光能，化学变化中有化学能等。
任务二　动能
(一)动能
问题1：射出的箭、运动的球、流动的水、流动的空气等物体能否做功，它们有什么共同点？
答：射出的箭、运动的球、流动的水、流动的空气等物体能做功，它们的共同点是都在运动。
问题2：阅读课本P15，写出动能的定义。
答：物体由于运动而具有的能叫做动能。
(二)探究动能的大小与哪些因素有关
活动1：猜想与假设
货车发生交通事故时，会破坏公路两边的护栏，速度较大的、满载的货车破坏程度更严重，你认为动能的大小可能与哪些因素有关？写出你的猜想。
答：动能的大小可能与物体的质量和速度有关。
活动2：设计方案
(1)实验器材：斜面、质量不同的钢球、木块。
(2)实验设计：
①怎样研究动能的大小与物体的速度和质量的关系？
答：利用控制变量法研究动能的大小与物体的速度和质量的关系：研究动能大小与质量的关系时，控制钢球的速度相同，改变钢球的质量，比较动能的大小；研究动能大小与速度的关系时，控制钢球的质量相同，改变钢球的速度，比较动能的大小。
②研究动能大小与质量的关系时，如何控制钢球的速度相同？
答：让质量不同的钢球从同一斜面的同一高度由静止滚下，使钢球到达水平面时的速度相同。
③研究动能大小与速度的关系时，如何改变钢球的速度？
答：让质量相同的钢球从同一斜面的不同高度由静止滚下，钢球到达水平面时的速度不同，钢球的起点位置越高，到达水平面时的速度越大。
④钢球的动能大小不可以直接测量，如何显示动能的大小？
答：钢球的动能大小不可以直接测量，利用转换法显示动能的大小：让从斜面上滚下的钢球撞击水平面上的木块，被撞木块移动的距离越长，钢球具有的动能越大。
活动3：实验过程
(1)从斜面的不同高度由静止释放同一钢球，比较平面上的木块被钢球撞击后运动的距离；
(2)从斜面的同一高度由静止释放质量不同的钢球，比较平面上的木块被钢球撞击后运动的距离。
活动4：得出结论
物体的动能与物体的　质量　和　速度　有关。质量相同时，速度　越大　的物体具有的动能越大；速度相同时，质量越大的物体具有的动能　越大　。
1. 物体由于运动而具有的能叫做动能。
2. 物体的动能与物体的质量和速度有关。
3. 质量相同时，速度越大的物体具有的动能越大。
4. 速度相同时，质量越大的物体具有的动能越大。
【应用2】小明用图示装置探究“动能大小与速度的关系”，下列说法正确的是(　D　)
A. 水平面必须光滑
B. 让不同的小球从同一斜面同一高度静止释放
C. 实验得到结论，物体的速度越大，动能越大
D. 用木块移动的距离表示小球动能大小
任务三　势能
(一)重力势能和弹性势能
问题1：举高的铁锤、起重机吊起的重物、被举起的杠铃等物体能否做功，它们有什么共同点？
答：举高的铁锤、起重机吊起的重物、被举起的杠铃等物体能做功，它们的共同点是都处于一定的高度。
问题2：张开的弓、变形的撑竿、蹦极时拉紧的橡皮绳等物体能否做功，它们有什么共同点？
答：张开的弓、变形的撑竿、蹦极时拉紧的橡皮绳等物体能做功，它们的共同点是都发生了弹性形变。
问题3：阅读课本P17，写出重力势能、弹性势能的定义。
答：高处的物体由于受重力作用而具有的能叫做重力势能。
物体发生弹性形变而具有的能叫做弹性势能。
(二)探究重力势能的大小与哪些因素有关
活动1：猜想与假设
下冰雹时，冰雹质量越大对地里的庄稼破坏越大；建楼房打地基时，重锤举得越高，地基打得越牢固。你认为重力势能的大小与哪些因素有关？提出你的猜想。
答：重力势能的大小与物体的质量和它所在位置的高度有关。
活动2：设计方案
(1)实验器材：质量不同的重物、小方桌、沙箱。
(2)实验设计：
①怎样研究重力势能的大小与物体的质量和物体所在位置高度的关系？
答：研究重力势能大小与质量的关系时，控制物体所在的位置高度相同，改变物体的质量，比较重力势能的大小。
研究重力势能大小与所在位置高度的关系时，控制物体的质量相同，改变物体所在的位置高度，比较重力势能的大小。
②如何显示物体重力势能的大小？
答：利用转换法，通过小方桌下陷的深度来显示物体重力势能的大小。
活动3：实验过程
(1)让同一重物从不同高度由静止释放，自由下落撞击沙箱中的小方桌，比较小方桌下陷的深度；
(2)让质量不同的物体从相同高度由静止释放后，自由下落撞击沙箱中的小方桌，比较小方桌下陷的深度。
活动4：得出结论
物体的重力势能与物体的　质量　和它所在　位置的高度　有关。质量相同时，越高的物体具有的重力势能　越大　；高度相同时，质量　越大　的物体具有的重力势能越大。
1. 高处的物体由于受重力作用而具有的能叫做重力势能。
2. 物体的重力势能与物体的质量和它所在位置的高度有关。质量相同时，越高的物体具有的重力势能越大；高度相同时，质量越大的物体具有的重力势能越大。
3. 物体发生弹性形变而具有的能叫做弹性势能。物体的弹性形变越大，具有的弹性势能就越大。
4. 重力势能和弹性势能统称为势能。
【应用3】(2025·广东模拟)如图是我国探月工程“嫦娥六号”探测器，其返回舱在距离地面一定高度时，需要打开降落伞减速，以便安全着陆。在返回舱减速下降的过程中(　A　)
A. 动能减小，势能减小　
B. 动能不变，势能减小
C. 动能不变，势能增大　
D. 动能增大，势能减小
第2课时　机械能的转化
学习目标 1. 通过实验，认识动能与势能的相互转化，能举例说明并解释与机械能转化有关的现象。 2. 通过分析实例，知道机械能及其守恒的条件。 3. 通过分析利用水能和风能的实例，体会能量转化与守恒观点，树立保护环境、节约资源、促进可持续发展的责任感。
任务一　机械能的相互转化
(一)单摆实验
如图所示，用细线拴住螺母制成一个单摆，将螺母拉到一定的高度释放，仔细观察螺母的摆动情况。
问题1：当螺母从最高点向最低点运动的过程中，动能和势能是如何变化的？
答：重力势能减小，动能增大。
问题2：当螺母从最低点向最高点运动的过程中，动能和势能又是如何变化的？
答：重力势能增大，动能减小。
问题3：在运动过程中动能和势能是如何转化的？
答：单摆下降时，重力势能转化为动能；单摆上升时，动能转化为重力势能。
问题4：以上实验能说明什么？
答：物体具有的动能和势能是可以相互转化的。
问题5：螺母会一直不停地来回摆动吗？为什么？
答：不会，因为螺母在来回摆动过程中会克服空气阻力做功。
(二)滚摆实验
如图所示，将悬吊滚摆的绳子缠绕在滚摆上，放开手，仔细观察滚摆上下运动的速度和高度的变化情况。
问题6：滚摆在最高点和最低点时的动能和势能是怎样的？在运动过程中动能和势能是如何变化的？
答：在最高点时，重力势能最大，动能最小；在最低点时，重力势能最小，动能最大；下降时，重力势能减小，动能增大，重力势能转化为动能；上升时，动能减小，重力势能增大，动能转化为重力势能。
问题7：为什么滚摆每次上升的高度一次比一次低？
答：滚摆在动能与重力势能相互转化的过程中受到空气阻力的作用。
1. 物体的动能和势能统称为机械能。
2. 物体的动能和势能是可以相互转化的，如果只有动能和势能相互转化，则机械能的总和不变，即机械能是守恒的。
【应用1】 (2024·自贡中考)很多同学都玩过荡秋千，下列说法正确的是(　D　)
A. 秋千荡到最低点时只有动能
B. 秋千荡到最高点时有重力势能和动能
C. 从最低点荡到最高点的过程中重力势能转化为动能
D. 从最高点荡到最低点的过程中动能增大，重力势能减小
特别提醒：动能与势能相互转化的判断步骤：
明确研究对象和所要研究的过程→物体在起始位置所具有的动能和势能→在运动过程中，物体的位置、形状、速度是否发生变化，物体的重力势能、弹性势能和动能是否变化→得出结论：减小的一种形式的能必定转化为另一种形式的能
任务二　机械能的应用
问题1：从能量的角度来看，自然界的流水和风都具有大量的　机械能　。
问题2：利用水能发电，修筑拦河坝提高上游水位，增加了水的　重力势　能；奔流而下的水的　重力势能　转化为　动能　，通过水轮机带动发电机发电。水的　动能　越大，能发出的电越多。
问题3：古人是怎样利用风能的？
答：古人利用风来驱动帆船航行，利用风能来推动风车做功，带动“龙骨水车”提取海水制盐或提水灌溉农田。
问题4：利用风能发电时，风吹动风车，将风能转化为风车叶片的　动　能，再通过发电机将　动　能转化为　电　能。
1. 水能的利用：利用水能发电。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. 风能的利用：风能也可以用来发电，风吹动风车，可以带动发电机发电。
【应用2】如图所示是《天工开物》中的“筒车”汲水装置。水流冲击水车转动，水流的动能转化为水车轮子的　动　能；水车转动又提高了少部分水的高度，其实质是水流通过“筒车”这个机械装置，把自己整体的动能转化为一部分水的　重力势　能，达到了汲水浇田的目的。
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