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(共37张PPT)
10.4 机械能转化及其应用
一、课程导入：机械能 “转化” 的直观现象
（一）情境体验与提问
实物互动与现象观察：在讲台上完成三组实验 ——①将单摆拉开到一定高度后释放，观察单摆从最高点到最低点再到另一侧最高点的运动（高度降低时速度增大，高度升高时速度减小）；②将小球从斜面顶端释放，小球沿斜面下滑，最终在水平面上滚动（重力势能逐渐变为动能）；③将压缩的弹簧放在水平桌面，松开后弹簧弹起小球，小球上升过程中速度逐渐减小（弹性势能转化为动能，再转化为重力势能）。同时展示生活场景：④瀑布从高处落下，水流冲击水轮机转动；⑤游乐园的过山车从轨道顶端滑下，速度越来越快。
引导提问：“同学们，单摆摆动时高度和速度相互变化，小球下滑时高度降低、速度增大，这些现象说明动能和势能之间可以相互转化。那么，机械能转化有哪些具体形式？在什么条件下机械能的总量保持不变？这种转化在生活中有哪些实际应用？”
导入目标：通过机械能转化的直观现象，引发学生对 “转化规律” 的思考，明确本节课核心 —— 理解机械能转化的形式、守恒条件，掌握其在生活与科技中的应用，建立 “能量可相互转化且总量守恒（理想条件）” 的认知。
二、知识点 1：机械能转化的基本形式
动能、重力势能、弹性势能之间可以相互转化，常见形式有以下三种，且转化过程中往往伴随 “一种势能减少，另一种能量增加” 的规律。
（一）形式 1：动能与重力势能的相互转化
这是最常见的机械能转化形式，核心与 “高度” 和 “速度” 的变化相关：
重力势能转化为动能：物体高度降低、速度增大时，重力势能减少，动能增加，减少的重力势能转化为增加的动能。
实例：①苹果从树上落下，高度逐渐降低（重力势能减小），速度逐渐增大（动能增大）；②过山车从轨道顶端滑下，高度降低（重力势能减小），速度增大（动能增大）；③瀑布水流从高处落下，高度降低（重力势能减小），水流速度增大（动能增大），冲击水轮机转动。
动能转化为重力势能：物体速度减小、高度增大时，动能减少，重力势能增加，减少的动能转化为增加的重力势能。
实例：①竖直上抛的篮球，上升过程中速度逐渐减小（动能减小），高度逐渐增大（重力势能增大）；②单摆从最低点摆向另一侧最高点，速度减小（动能减小），高度增大（重力势能增大）；③向上飞行的直升机，发动机做功使动能增加，进而转化为重力势能，实现高度升高。
（二）形式 2：动能与弹性势能的相互转化
这种转化与 “弹性形变” 的变化相关，需伴随物体速度的改变：
弹性势能转化为动能：物体弹性形变程度减小、速度增大时，弹性势能减少，动能增加，减少的弹性势能转化为增加的动能。
实例：①压缩的弹簧松开后，形变逐渐减小（弹性势能减小），推动小球运动，小球速度增大（动能增大）；②拉开的弓箭松开后，弓的形变减小（弹性势能减小），箭的速度增大（动能增大），射向目标；③蹦床运动员落下时，蹦床形变增大（弹性势能增大），弹起时形变减小（弹性势能减小），运动员速度增大（动能增大），被弹向高空。
动能转化为弹性势能：物体速度减小、弹性形变程度增大时，动能减少，弹性势能增加，减少的动能转化为增加的弹性势能。
实例：①运动的小球撞击静止的弹簧，小球速度逐渐减小（动能减小），弹簧形变逐渐增大（弹性势能增大）；②蹦床运动员从高空落下，接触蹦床前速度增大（动能增大），接触后速度减小（动能减小），蹦床形变增大（弹性势能增大）；③汽车紧急刹车时，刹车片与刹车盘摩擦，部分动能转化为刹车系统的弹性势能（如刹车弹簧形变），实现减速。
（三）形式 3：三种能量的综合转化
实际场景中，机械能转化往往不是单一形式，而是三种能量的综合转化：
实例：①弹簧弹射小球：压缩弹簧（弹性势能）→ 松开后弹簧形变减小（弹性势能减小），小球速度增大（动能增大）→ 小球上升过程中速度减小（动能减小），高度增大（重力势能增大），整个过程是 “弹性势能→动能→重力势能” 的转化；②跳蹦极：人从高处跳下（重力势能→动能）→ 蹦极绳拉伸（动能→弹性势能 + 重力势能）→ 弹起时（弹性势能→动能→重力势能），是三种能量的循环转化。
三、知识点 2：机械能守恒（理想条件）
（一）机械能守恒的定义
在只有重力或弹力做功的理想条件下（忽略空气阻力、摩擦阻力等额外力做功），动能与势能相互转化，机械能的总量保持不变，这一规律叫做 “机械能守恒定律”。
数学表达式：\(E_{ } = E_{ }\)，即初始状态的动能与势能之和等于末状态的动能与势能之和（\(E_{k } + E_{p } + E_{ } = E_{k } + E_{p } + E_{ }\)）。
（二）实验验证：单摆摆动中的机械能守恒
实验器材：单摆（带小球的细线）、铁架台、刻度尺。
实验步骤：
步骤 1：将单摆拉开到左侧最高点 A，测量 A 点相对于最低点 O 的高度\(h_A\)，此时小球速度为 0（动能\(E_{kA}=0\)），重力势能\(E_{pA}=mgh_A\)，机械能总量\(E_A = E_{pA}\)；
步骤 2：释放单摆，观察小球摆动到最低点 O 时的速度（速度最大，动能\(E_{kO}\)最大），此时高度为 0（重力势能\(E_{pO}=0\)），机械能总量\(E_O = E_{kO}\)；
步骤 3：观察小球继续摆动到右侧最高点 B，测量 B 点相对于 O 点的高度\(h_B\)，此时速度为 0（动能\(E_{kB}=0\)），重力势能\(E_{pB}=mgh_B\)，机械能总量\(E_B = E_{pB}\)；
实验现象：在忽略空气阻力的情况下，\(h_A h_B\)，因此\(E_{pA} E_{pB}\)，且\(E_A E_O E_B\)，证明机械能总量守恒。
（三）实际中的机械能损耗（非理想条件）
实际生活中，由于存在空气阻力、摩擦阻力等额外力，这些力会消耗部分机械能（转化为内能，如摩擦生热），导致机械能总量减少，但 “能量的总量守恒”（机械能 + 内能 = 总能量不变），只是机械能不再守恒。
实例：①单摆摆动一段时间后会逐渐停止，是因为空气阻力消耗了机械能，转化为内能；②汽车关闭发动机后会逐渐减速，是因为地面摩擦力消耗了动能，转化为内能。
四、知识点 3：机械能转化的生活与科技应用
机械能转化的规律在生活、生产、科技中应用广泛，核心是 “利用转化过程中的能量变化，实现特定功能”。
（一）生活中的应用
体育娱乐设施：
过山车：利用轨道顶端的重力势能转化为动能，实现高速下滑和爬升（轨道设计成 “高→低→高”，通过势能与动能的循环转化，减少动力消耗）；
蹦床：利用蹦床的弹性势能与运动员的动能、重力势能相互转化，实现弹跳（运动员落下时动能转化为弹性势能，弹起时弹性势能转化为动能和重力势能）；
秋千：人推动秋千到高处（获得重力势能），下落时势能转化为动能，上升时动能转化为势能，通过周期性转化实现持续摆动（需定期补充能量，抵消阻力损耗）。
日常用品：
机械钟表：拧紧发条时，动能转化为弹性势能（发条形变）；工作时，弹性势能逐渐转化为动能，带动指针转动（机械能转化为动能，实现计时）；
弹弓：拉开弹弓时，动能转化为弹性势能（橡皮筋拉伸）；松开时，弹性势能转化为动能，将弹丸射出（利用弹性势能→动能的转化，获得高速弹丸）；
跳高 / 跳远：运动员助跑时获得动能，起跳后动能转化为重力势能（跳高时上升高度增大，跳远时水平动能维持飞行距离），落地时势能转化为动能（需通过缓冲减少冲击力）。
（二）科技与工业中的应用
能源利用：
水力发电站：利用水库中高处的水的重力势能，水流下时势能转化为动能，冲击水轮机转动（动能转化为水轮机的机械能），进而带动发电机发电（机械能转化为电能）；
风力发电站：利用风的动能推动风车叶片转动（动能转化为风车的机械能），带动发电机发电（机械能转化为电能）；
潮汐发电站：利用潮汐涨落时海水的重力势能（涨潮时海水升高，储存势能；落潮时海水落下，势能转化为动能），推动水轮机发电。
交通运输：
电动汽车 regenerative braking（再生制动）：刹车时，汽车的动能通过电机转化为电能（储存于电池），同时部分动能转化为刹车系统的弹性势能，实现能量回收（减少机械能损耗，延长续航）；
高铁上坡：利用下坡时的动能转化为重力势能（储存能量），上坡时再将势能转化为动能（减少发动机功率消耗，节约能源）；
飞机起飞：发动机产生的推力使飞机获得动能，动能逐渐转化为重力势能（高度升高），同时机翼的升力辅助势能增加（利用动能→重力势能的转化，实现升空）。
航天航空：
火箭发射：燃料燃烧产生的推力使火箭获得动能，动能逐渐转化为重力势能（高度升高），同时速度增大（动能持续增加），实现脱离地球引力（利用动能与势能的协同增加，突破大气层）；
卫星绕地球运行：卫星在近地点时速度大（动能大）、高度低（势能小），远地点时速度小（动能小）、高度高（势能大），通过动能与势能的相互转化，维持轨道运行（忽略稀薄大气阻力，机械能近似守恒）。
五、知识点 4：常见误区与纠正
（一）常见误区
误区 1：“机械能转化时，只有一种能量增加”—— 忽略了综合转化场景（如弹簧弹起小球，弹性势能减小，小球的动能和重力势能同时增加，减少的弹性势能转化为两种能量）；
误区 2：“实际生活中机械能也守恒”—— 错误地认为理想条件适用于实际，实际中存在阻力，机械能会损耗（如单摆会停止，汽车会减速），机械能总量减少；
误区 3：“动能转化为势能时，动能一定完全转化为势能”—— 忽略了能量损耗，即使在理想条件下，也只是 “近似完全转化”，实际中会有部分转化为内能；
误区 4：“只有重力或弹力做功时，机械能才会转化”—— 机械能转化不需要 “只有重力或弹力做功”，额外力做功时仍会转化，只是总量不守恒（如发动机做功时，动能增加，同时可能转化为势能）。
（二）纠正方法
实例分析：用 “弹簧弹起小球” 的综合转化场景，说明 “一种能量减少，多种能量增加” 的情况；用 “单摆逐渐停止” 的实际现象，对比理想条件，明确机械能损耗的存在；
守恒条件辨析：牢记 “机械能守恒的前提是只有重力或弹力做功”，实际中因阻力存在，机械能不守恒，但总能量（机械能 + 内能）守恒；
能量流向追踪：分析转化过程时，明确 “减少的能量去向”（如弹性势能减少→动能 + 重力势能增加 + 内能损耗），避免 “完全转化” 的绝对化认知。
六、课堂小结
机械能转化形式：动能与重力势能、动能与弹性势能可相互转化，实际中常为三种能量的综合转化；
机械能守恒：理想条件下（只有重力或弹力做功），机械能总量不变；实际中因阻力存在，机械能会损耗（转化为内能）；
核心应用：生活中用于体育娱乐（过山车、蹦床）、日常用品（钟表、弹弓）；科技中用于能源利用（水力发电）、交通运输（再生制动）、航天航空（卫星运行）。
七、课堂练习
（一）基础题
下列过程中，主要是动能转化为重力势能的是（ ）
A. 苹果从树上落下
B. 过山车从轨道顶端滑下
C. 竖直上抛的篮球上升过程
D. 压缩的弹簧弹起小球
（答案：C，解析：A 是重力势能→动能，B 是重力势能→动能，D 是弹性势能→动能，C 是动能→重力势能，C 正确）
关于机械能守恒，下列说法正确的是（ ）
A. 实际生活中，机械能一定守恒
B. 只有重力做功时，机械能守恒
C. 机械能守恒时，动能和势能都不会变化
D. 机械能守恒时，机械能的总量会逐渐减少
（答案：B，解析：A 实际中机械能不守恒，C 机械能守恒时动能和势能相互转化，D 总量不变，B 正确）
（二）提升题
为什么水力发电站要修建拦河大坝，将水位抬高？请结合机械能转化的知识解释。
（答案：水力发电的核心是利用水的重力势能转化为动能，进而推动水轮机发电；修建拦河大坝可将水位抬高，增大水的相对高度，根据重力势能与高度的关系，高度越高，重力势能越大；水流下时，更多的重力势能转化为动能，能推动水轮机做更多的功，从而带动发电机产生更多的电能，提高发电效率）
分析 “扔出的篮球从出手到落地” 的整个过程中，机械能的转化情况（忽略空气阻力），并说明若考虑空气阻力，会有什么变化。
（答案：①忽略空气阻力（理想条件）：出手时，篮球具有动能和重力势能（出手高度）→ 上升过程中，速度减小（动能减小），高度增大（重力势能增大），动能转化为重力势能→ 到达最高点时，速度最小（动能最小），高度最大（重力势能最大）→ 下落过程中，速度增大（动能增大），高度减小（重力势能减小），重力势能转化为动能→ 落地时，速度最大（动能最大），高度最小（重力势能最小），整个过程机械能总量守恒。②考虑空气阻力（实际条件）：上升和下落过程中，空气阻力会消耗部分机械能（转化为内能），导致机械能总量逐渐减少，因此落地时的动能小于出手时的动能，篮球上升的高度也会比理想条件下低）
八、课后作业
实践作业：
家庭小实验：①用细线和小球制作一个单摆，观察单摆从最高点到最低点再到另一侧最高点的运动，记录每次摆动的最大高度变化（会逐渐降低），分析 “高度降低的原因”（空气阻力消耗机械能）；②用一个小球和斜面，将小球从斜面顶端释放，观察小球在水平面上滚动的距离，在斜面上铺一层毛巾（增大摩擦），再次释放小球，对比滚动距离，分析 “摩擦对机械能转化的影响”（摩擦增大，机械能损耗增多，滚动距离缩短）。
生活调研：观察家中或身边 3 个利用机械能转化的设备（如钟表、玩具车、弹弓），记录其 “能量转化路径”（如 “玩具车：发条弹性势能→车轮动能”），并思考 “如何延长其工作时间”（减少摩擦，降低机械能损耗）。
书面作业：完成课本对应练习题，重点练习 “机械能转化形式的判断”“守恒条件的应用”“实际应用分析” 相关题目，巩固本节课知识点，理解机械能转化与生活、科技的紧密联系，形成完整的能量认知体系。
沪科版2024版物理八年级全册
授课教师： . 班 级： . 时 间： .
10.4 机械能转化及其应用
第十章 功与机械能
a
i
T
u
j
m
i
a
N
g
机械能
动能
势能
重力势能
弹性势能
1. 动能、势能统称为机械能。
2.机械能 = 动能 + 势能
空中下落的运动员
空中飞行的飞机
弓的弹性势能去哪里了？
蹦极的人从高空跳下后，重力势能减小，重力势能是不是能量消失了呢？
初始态
减小
增大
重力势
动
最高水平位置
最低水平位置
初始态
最高水平位置
最低水平位置
减小
增大
重力势
动
减小
增大
重力势
动
(1)摆球从A到B过程中，重力势能_______，动能_______，_________能转化为____能；
B
单摆
A
C
(2)摆球从B到C的过程中，重力势能_______，动能_______，____能转化为_________能；
最高
最低
减小
增大
重力势
动
减小
增大
重力势
动
观察单摆的运动。
2. 探究2：单摆的动能和重力势能的转化
3. 结论1：
动能和重力势能的转化是________的。
相互
(1)小车从A向B运动中，弹簧的弹性势能_____，车动能_____，___能转化为________能；
(2)小车从B向A运动中，弹簧的弹性势能_____，车动能_____，_______能转化为____ 能；
增大
减小
动
弹性势
减小
增大
弹性势
动
(1)B到O的过程中，弹性势能_____，重力势能和动能_____，_______能转化为_______ 能和_____能；
减小
增大
重力势
弹性势
动
平衡位置O
最低位置B
最高位置A
受力平衡
开始振动
平衡位置
最高位置
平衡位置
最低位置
平衡位置
(2)O到A的过程中，动能_____，重力势能和弹性势能_____，____能转化为_______ 能和_______能；
减小
增大
重力势
动
弹性势
平衡位置O
最低位置B
最高位置A
受力平衡
开始振动
平衡位置
最高位置
平衡位置
最低位置
平衡位置
(3)A到O的过程中，重力势能和弹性势能_____，动能_____，______能和_________能转化为____能。
减小
增大
弹性势
重力势
动
平衡位置O
最低位置B
最高位置A
受力平衡
开始振动
平衡位置
最高位置
平衡位置
最低位置
平衡位置
(4) O到B过程中，弹性势能_____，球的重力势能和动能_____，_________能和 ____能转化为________能；
增大
减小
重力势
动
弹性势
平衡位置O
最低位置B
最高位置A
受力平衡
开始振动
平衡位置
最高位置
平衡位置
最低位置
平衡位置
6.结论2：
(1)动能和势能的转化是相互的；
动能
弹性势能
重力势能
(3)能量还可以一个物体转移到另一个物体。
(2)被转化的能量减少，转化成的能量增加；
小球静止释放时，到水平面的初速度只与初始位置的高度有关(不计摩擦)。
3.功是能量的转化和转移的量度，能量的转化和转移的过程实质就是做功的过程。
1.没有其它的能参与机械能的转化。
2.转化过程中往往要克服摩擦做功使机械能减小并转化为内能(热能)。
　　
水能
风能
水能和风能的破坏性释放造成灾害
2. 水力发电站，把水能转化为电能。
“不尽江河滚滚流，流的都是煤和油”
1星题 知识过关
机械能及其转化
1. 神舟十七号于2024年4月30日在东风着陆场成功
着陆。飞船返回减速下降过程中，重力势能______，动能
______，机械能______。(均填“变大”“变小”或“不变”)
变小
变小
变小
2.[2024·泉州期末] 如图为鱼鹰在空中直线俯冲
捕鱼的连拍照片。鱼鹰加速俯冲而下时，重力
势能主要转化为____能。
动
3.如图甲所示的弹簧门，装有如图乙所示的弹簧合页，其工
作原理：当用力推开弹簧门时，合页中的弹簧会发生弹性形
变，从而具有________能，松手后转化为门的____能，使门
自动闭合。
弹性势
动
甲
乙
机械能守恒
4.如图，滚摆沿着悬线向上运动的过程中，它的动能转化为
________能。滚摆下降后又会上升，但每次上升的高度都在
逐渐减小，说明滚摆的机械能在______(填“减小”“增大”或
“不变”)。
重力势
减小
5.[2024·合肥二模改编] 如图所示，卫
星在太空中沿椭圆轨道绕地球运动，
不考虑阻力，只有动能和势能的转化，
则卫星在从远地点向近地点运动的过
变大
变小
不变
程中，动能______，重力势能______，机械能______。
(均填“变大”“变小”或 “不变”)
机械能的应用
6.［立德树人·传统文化］从能量角度看，
自然界中的流水和风都是具有大量______
能的天然资源。《天工开物》是我国古代
的科学著作，书中记载的筒车是一种以水
机械
动
重力势
流作为动力，用来取水的机械，如图所示，其工作原理是将
水的____能转化为水的________能。
2星题 情境应用
7.[2024·厦门三模] 如图是高速公路的避险
车道，斜向上的路面铺有碎石。若司机发现
刹车失灵，可以把车驶入避险车道自救，当
车驶入避险车道时( )
C
A.惯性增大 B.动能增大
C.机械能减小 D.重力势能减小
8.[2024·武汉中考] 如图所示，将一个小球用细线悬挂起来，
让小球从点静止释放，小球会在、 两点之间来回摆动，
最终静止下来。下列说法正确的是( )
C
A.小球从点摆动到 点，动能转化为重力势能
B.小球能从点摆动到 点是由于受到惯性
C.小球每次经过 点，其动能都比上一次小
D.小球最终静止在 点
(第9题)
9.［立德树人·传统文化］[2024·厦门期末] 河南
南阳汉墓出土的石砖上，记载着2 000多年前汉
代的顶碗表演。如图，当碗某次被抛出后，沿着
到的轨迹运动。上升经过 点时，碗的动能和
重力势能分别为和。下落经过高度 点
时，碗的动能和重力势能分别为和 ，
、 两点等高。则( )
A
A. B. C. D.
(第9题)
B、D两点等高，碗的质量不变，所以
B、D两点，碗的重力势能相等；碗在运动过程
中，要克服阻力做功，机械能减小，而B、D两
点，碗的重力势能相等，所以D点碗的动能变小，
B点碗的动能大于D点碗的动能。
10.如图所示，从 点沿水平桌面滚落的小球运动轨迹如虚线
所示，、两点等高， 为小球与水平地面的接触点，不计
空气阻力，下列说法正确的是( )
C
(第10题)
A.小球在点和 点的机械能相等
B.小球在点和 点的动能相等
C.小球从点到 点的过程中，机械能不变
D.小球在 点的动能为零
11.如图所示的是蹦床运动的简化示意图， 点是运动员由静
止开始自由落下的起始位置， 点是蹦床不发生形变时的位
置， 点是运动员受到的重力与蹦床对运动员的弹力相等
处， 点是运动员到达的最低点。(整个过程忽略空气阻力)
(1)运动员从点到 点的过程中，机械能的
转化情况是____________________，机械能
______(填“守恒”或“不守恒”)；
重力势能转化为动能
守恒
(2)从点到点的过程中，在___(填“”“ ”“
先增大后减小
”或“”)点处运动员的动能最大。从点到 点的过程中，
运动员的动能变化情况是_______________。
3星题 思维提升
12. 小明用力斜向右上方抛出一个小
球，在它运动过程中，先后经过、和 (机械能大小
)三点，其中、 两点的能量如图1所示。图2
四种运动轨迹中可能与(点的机械能)、
和(点的机械能 )位置关系
相似的是____和____， 点机械能大小范围可能是________
。
甲
乙
. .
. .
. .
一、动能、重力势能及弹性势能统称为机械能。
二、动能和势能可以相互转化。
三、如果只有动能和势能相互转化，机械能是守恒的。
必做作业：从教材习题中选取；
选做作业：完成练习册本课时的习题.
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