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第十章《机械与人》
10.6 合理利用机械能
【知识梳理】
知识点1：动能和势能
1、能量：如果一个物体能够对别的物体做功，就说这个物体具有能量。
物体做功的过程就是能量转化的过程，物体做的功越多，说明某种能转化为别的形式的能越多。
2、动能和势能的概念：
动能：
（1）概念：物体由于运动具有的能，叫做动能。一切物体都具有动能。
（2）影响动能大小的因素：物体的质量和速度。物体的质量越大，速度越大，物体具有的动能就越大。
（3）单位：焦耳（J）。
势能：弹性势能和重力势能统称为势能。
（1）重力势能
①概念：物体由于高度位置所具有的能量，叫做重力势能。
②影响重力势能大小的因素：物体的质量和物体所处的高度。物体的质量越大，所处的高度越高，物体的重力势能就越大。
③单位：焦耳（J），重为1N的物体（质量约为0.1kg），被举高1m时所获得的能量，就是1J。
（2）弹性势能
①概念：物体因弹性形变而具有的能，叫做弹性势能。
②影响弹性势能大小的因素：弹性形变程度。同一物体在弹性形变范围内的弹性形变程度越大，弹性势能就越大。
③单位：焦耳（J）。
3、影响动能和势能的大小因素：
（1）动能的大小与两个因素有关：一是物体的质量，二是物体运动的速度大小；当物体的质量一定时，物体运动的速度越大其动能越大，物体的速度越小其动能越小．具有相同运动速度的物体，质量越大动能越大，质量越小动能越小；
（2）重力势能的大小与两个因素有关：一个是物体的质量，另一个是物体被举高
的高度。当物体的质量一定时，物体被举高的高度越大，其重力势能越大，物体被举高的高度越小，其重力势能越小；当物体被举高的高度一定时，物体质量越大其重力势能越大，物体质量越小其重力势能越小．物体的质量越大，举得越高，其重力势能就越大；
（3）弹性势能的大小与两个因素有关：一个是弹簧本身的性质，另一个是弹性形变的大小。当弹簧本身的性质相同时，形变越大，它具有的弹性势能就越大，形变越小，具有的弹性势能就越小；当弹簧形变相同时，性质不同的弹簧弹性势能不同。
知识点2：动能和势能的相互转化
1、机械能的概念：
（1）动能和势能之和称为机械能。动能和势能都属于机械能，动能是物体运动时具有的能量，势能是存储着的能量，动能和势能是机械能的两种表现形式。
（2）机械能大小：等于动能和势能的总和。
2、动能和势能的转化
（1）在一定的条件下，动能和重力势能之间可以相互转化。如将一块小石块，从低处抛向高处，再从高下落的过程中，先是动能转化为重力势能，后又是重力势转化为动能。
（2）在一定的条件下，动能和弹性势能之间可以相互转化。如跳水运动员，在起跳的过程中，压跳板是动能转化为弹性势能，跳板将运动员反弹起来是弹性势能转化为动能。
【易错点】
看到物体下落，学生就容易习惯性地认为是重力势能转化为动能，但当物体匀速下落时，速度不变，物体的动能不变，此时重力势能没有转化为动能。
【规律总结】
对动能与势能转化问题的分析。在分析时：
（1）首先需明确掌握以下要点：影响动能大小的因素为物体的质量和运动速度；影响重力势能大小的因素为物体的质量和被举高的高度；影响弹性势能大小的因素为物体发生弹性形变的程度
（2）对应题目分析决定动能大小的因素，决定重力势能（或弹性势能）大小的因素——看动能和重力势能（或弹性势能）如何变化。
（3）注意动能和势能相互转化过程中的能量损失和增大——如果除重力和弹力外没有其他外力做功（即：没有其他形式能量补充或没有能量损失），则动能势能转化过程中机械能不变。
【典例分析】
（2021甘肃兰州中考）飞机在林场上空某一高度喷洒农药时，水平匀速飞行，关于飞机的动能和势能变化下列说法中正确的是（　　）
A．动能减少，势能减少 B．动能减少，势能增加
C．动能增加，势能减少 D．动能不变，势能不变
【答案】A
【解析】
当飞机在某一高度水平匀速飞行喷洒农药时，其质量在不断减小，高度和速度不变，因此，由动能和重力势能的影响因素可知，其动能和重力势能均减小。故选A。
【思路小结】
在解答本类题目时，要弄清楚物体质量、速度和高度的变化。然后对应影响动能、势能的因素进行判断。
【真题操练】
一、单选题
1．（2021山东济南中考）周末，小丽跟妈妈去千佛山游玩，如图所示，小丽和妈妈乘坐缆车匀速上山时，她们的（　　）
A．势能减小 B．势能增大 C．动能减小 D．动能增大
【答案】B
【解析】缆车匀速上山的过程中，质量不变，速度不变，但高度增大，所以动能不变，重力势能增大，故ACD不符合题意，B符合题意。故选B。
2．（2021四川绵阳中考）撑竿跳高是一项对压竿和起跳技术要求很高的体育运动。如图所示是运动员在一次比赛中的情景，从竿处于最大弹性形变到运动员松开竿的过程中（不考虑空气阻力）（　　）
A．竿的弹性势能增大，运动员的机械能减小
B．竿的弹性势能增大，运动员的机械能增大
C．竿的弹性势能减小，运动员的机械能减小
D．竿的弹性势能减小，运动员的机械能增大
【答案】D
【解析】
图示中，不计空气阻力，竿从弹性形变最大到运动员松开竿的过程中，竿逐渐恢复原状，则竿的弹性势能减小，减小的弹性势能转化为运动员的机械能，所以运动员的机械能增大，故ABC不符合题意，D符合题意。故选D。
3．（2021江苏镇江中考）如图所示，滑板运动员从高处沿坡道加速下滑的过程中，运动员的（　　）
A．动能减小 B．重力势能增大 C．动能不变 D．重力势能减小
【答案】D
【解析】
加速下滑的过程中，高度变小，重力势能减小，速度增大，动能变大，故ABC不符合题意，D符合题意。故选D。
4．（2021安徽中考）图示为游乐场中在竖直面内转动的摩天轮，小红乘坐该摩天轮时速度大小不变，则她从最低点上升到最高点的过程中（　　）
A．动能减少 B．重力势能不变 C．机械能增大 D．机械能不变
【答案】C
【解析】
小红的质量不变，乘坐该摩天轮时速度大小不变，则她从最低点上升到最高点的过程中动能不变，故A不符合题意；小红的质量不变，她从最低点上升到最高点的过程中高度升高，则重力势能变大，故B不符合题意；机械能等于动能与势能之和，从最低点上升到最高点的过程中，小红的动能不变，重力势能变大，则机械能变大，故C符合题意，D不符合题意。故选C。
5．（2021广西玉林中考）熟透的苹果从树上落下的过程中，下列说法正确的是（　　）
A．动能减小，重力势能减小 B．动能增大，重力势能增大
C．动能增大，重力势能减小 D．动能减小，重力势能增大
【答案】C
【解析】
熟透的苹果从树上落下的过程中，质量不变，速度增大、高度降低，则动能增大、重力势能减小。故选C。
6．（2021辽宁大连中考）踢毽子是一种传统的健身活动，当踢出的毽子上升时，毽子的（　　）
A．动能增大，重力势能增大 B．动能减小，重力势能减小
C．动能减小，重力势能增大 D．动能增大，重力势能减小
【答案】C
【解析】
当踢出的毽子上升时，毽子的质量不变，速度变小，高度升高，因此动能减小，重力势能增大。故C符合题意，ABD不符合题意。故选C。
7．（2018四川自贡中考）电梯匀速上升过程中，电梯的（　　）
A．重力势能保持不变 B．机械能保持不变
C．动能保持不变 D．动能转化为重力势能
【答案】C
【解析】
电梯匀速上升的过程中，质量不变、高度增大，电梯的重力势能增大，故A错误；电梯匀速上升的过程中，质量不变、速度不变，所以电梯的动能保持不变，故C错误；电梯的动能不变，重力势能增大，因机械能等于动能与势能的总和，所以其机械能增大，故B错误；由于电梯的动能不变，所以，不是动能转化为重力势能，故D错误。故选C。
8．（2021广西桂林中考）高空坠物危害大，就算一个苹果从十层高楼自由落下都可能把汽车玻璃砸烂。下列说法正确的是（　　）
A．运动的苹果具有动能 B．高空的苹果没有重力势能
C．下落过程中苹果的动能减小 D．下落过程中苹果的重力势能增大
【答案】A
【解析】
物体由于运动而具有的能叫做动能，所以运动的苹果具有动能，故A正确；物体由于处在一定高度并受到重力而具有的能叫做重力势能，高空的苹果具有重力势能，故B错误；苹果下落过程中质量不变，速度越来越快，所以动能增大，高度降低，所以重力势能减小，故CD错误。故选A。
9．（2021山东烟台中考）如图所示，跳伞运动员在空中匀速直线下降的过程中，关于运动员（不包含降落伞和绳）下列说法正确的是（　　）
A．动能不变，重力势能不变，机械能不变
B．动能变大，重力势能变小，机械能不变
C．动能不变，重力势能交小，机械能变小
D．动能变小，重力势能变小，机械能变小
【答案】C
【解析】
跳伞运动员在空中匀速直线下降的过程中，质量不变，速度不变，则动能不变；高度降低，则重力势能变小；机械能等于动能与势能之和，则机械能变小。故选C。
10．（2021浙江衢州中考）如图所示，物块在拉力F的作用下沿斜面向上做匀速直线运动。物块的相关科学量随时间变化规律的图像正确的是（　　）
A．B．C．D．
【答案】B
【解析】
物块在拉力F的作用下沿斜面向上做匀速直线运动，路程与时间成正比，图像应为正比例函数，故A错误；物块在拉力F的作用下沿斜面向上做匀速直线运动，速度不变，动能不变，故B正确；物块在斜面的位置逐渐升高，重力势能随时间的增加而增大，故C错误；运动过程中，物块动能不变，重力势能增加，则机械能增加，故D错误。故选B。
11．（2021山东泰安中考）在蹦床比赛中，运动员从高处落到蹦床上又被弹起，该过程中有关机械能及其转化的说法正确的是（ ）
A．运动员上升到最高点时重力势能为零
B．运动员下降过程中机械能增大
C．运动员从高处下落到蹦床前，重力势能转化为动能
D．运动员弹离蹦床后，上升的过程中弹性势能转化为动能
【答案】C
【解析】
运动员上升过程高度变大，重力势能增加，在最高点时重力势能最大，故A错误；运动员在空中下落过程中（未接触蹦床前），不计空气阻力，重力势能转化为动能，机械能不变，故B错误，C正确；运动员离开蹦床后上升过程中，上升的过程中动能转化为重力势能，故D错误。故选C。
二、填空题
12．（2021江苏淮安中考）在“探究影响重力势能大小因素”的实验中，小明在水平地面上铺一张白纸，将皮球表面涂黑，使其分别从不同高度处自由下落，目的是探究重力势能大小与______的关系。如图所示，在纸上留下黑色圆斑A、B，圆斑______（填“A”或“B”）是皮球从较高处下落形成的。
【答案】高度 B
【解析】
[1]相同的皮球质量不变，由于从不同高度自由下落，则目的是探究重力势能与高度的关系。[2]当皮球从较高的地方下落时，落地时的动能更大，则与地面撞击后形变量更大，形成的黑色圆斑更大，故B是皮球从较高处下落形成的。
13．（2020甘肃兰州中考）孔明灯俗称许愿灯，放孔明灯是我国的一种民俗文化。如图所示，孔明灯在点燃后加速上升的过程中，忽略其质量的变化，则孔明灯的动能_______，重力势能_______（均选填“增加”或“减少”）。
【答案】增加 增加
【解析】
孔明灯在加速上升的过程中，忽略其质量的变化，高度升高，则重力势能增加，速度增大，则动能增加。
14．（2021四川广元中考）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”）。
【答案】变小 不变
【解析】
[1]“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，探测器高度增加，重力势能增加，探测器的动能将变小，动能转化成重力势能。[2]因为运动过程中，不考虑空气阻力，只有动能和势能的相互转化，故机械能守恒，由近火点向远火点运动时，机械能不变。
15．（2021湖南常德中考）如图所示，在一个金属罐的盖和底各开两个小洞．先将橡皮筋两端穿过盖和底的小洞并固定起来，再将小铁块用细绳绑在橡皮筋的中部穿入罐中，使小铁块悬于罐体内．做好后将罐子从不太陡的斜面滚下，罐子和小铁块的动能会转化为橡皮筋的 _____ ，滚动一段时间后罐子停下来，然后再沿斜面向上滚动，此时罐子的重力势能会 _____ （选填“增大”“减小”或“不变”）．
【答案】弹性势能 增大
【解析】
[1]金属罐不太陡的斜面上滚下，是从最高处滚下时，金属罐先由慢到快、后由快到慢滚到最低点，上面一段滚动主要是重力势能减小，金属罐的动能和橡皮筋的弹性势能增加；下面一段滚动主要是重力势能和金属罐的动能减小，橡皮筋的弹性势能增加；金属罐在斜面上滚到最低处时，橡皮筋形变到最大程度，具有较大弹性势能．
[2]在橡皮筋恢复的过程中，金属罐会由斜面底部自动滚上去．从最低处滚上时，金属罐先由慢到快、后由快到慢滚到最高点，下面一段向上滚动主要是橡皮筋的弹性势能减小，金属罐的动能和重力势能增加；向上面一段滚动主要是橡皮筋的弹性势能和金属罐的动能减小，重力势能增加．
16．（2021辽宁沈阳中考）蹦极是一项极限体育运动，如图所示，A点最高点、B点为弹性绳自然伸长的位置，蹦极人在C点受弹性绳的弹力与自身重力相等，D点是能下落到的最低点。在蹦极人从A点下落到D点的过程中，______（填“B”、“C”或“D”）点动能最大，在这个过程中，减小的重力势能都转化为________能。（不计空气阻力）。
【答案】C 弹性势
【解析】
[1]弹性绳绷紧后，开始阶段，拉力小于重力，人向下做加速运动，当拉力大于重力后，人做减速运动，即速度先增大后减小；当拉力等于重力时，速度最大，动能最大。即人到达C点时动能最大；
[2]人到达D点时，弹性绳伸长最长，弹性绳的弹性势能最大，减小的重力势能全部转化成弹性势能。
17．（2022江苏锡山九年级期中）2015年第53届世乒赛中首次使用了“40+”新球，新球与“40”旧球如图甲所示，小科想比较两种球的弹性大小，做了如下实验：将两球从相同高度由静止同时释放，比较两球落到同一桌面上弹起的高度得出弹性的大小，发现很难比较两球弹起的高度，继续观察，两球在桌面上反复弹跳，发现新球停止弹跳时，旧球还在弹跳，如图乙所示，多次实验结果相同，说明旧球的弹性比新球好。
（1）乒乓球下落过程中重力势能逐渐______（选填“增大”或“减小”）；
（2）该实验体现了转换的思想，将比较球的弹性分别转换为比较______和比较弹跳的时间。
【答案】减小 弹起高度
【解析】
（1）[1]乒乓球下落过程中高度减小，质量不变，根据重力势能和高度的关系可知，重力势能逐渐减小。（2）[2]两种球的弹性大小比较方法一：将两球从相同高度由静止同时释放，比较两球落到同一桌面上弹起的高度得出弹性大小；两种球的弹性大小比较方法二：将两球从相同高度由静止同时释放，比较两球落到同一桌面上弹跳时间比较弹性大小。所以这里用到的研究方法有控制变量法和转换法。
18．（2022陕西澄城九年级期末）图甲是2022年北京冬奥会会徽，以汉字“冬”为灵感，运用书法艺术形态，传递出实现“三亿人参与冰雪运动”的目标。图乙是滑雪运动员起跳后下落情景，运动员加速下落过程中重力势能______（选填“增大”、“减小”或“不变”），动能______（选填“增大”、“减小”或“不变”）。
【答案】减小 增大 做功
【解析】
运动员加速下落过程中，质量不变，高度减小，所以其重力势能减小；运动速度增大，动能增大。
19．（2021广西百色八年级期末）如图所示是小明玩蹦蹦杆的情景，蹦蹦杆由地面弹起，在空中升高的过程中，小明的重力势能______；在下落后，从杆尖触地到弹簧压缩至最短，弹簧弹性势能______（均选填“增大”“减小”或“不变”）。
【答案】增大 增大
【解析】
[1]蹦蹦杆由地面弹起，在空中升高的过程中，小伟的质量不变，高度增大，其重力势能增大。[2]在下落后，从杆尖触地到弹簧压缩至最短，弹簧的形变变大，则弹簧的弹性势能增大。
三、实验题
20．（2022甘肃肃州九年级期末）如图所示，在“探究物体的动能跟哪些因素有关”的实验中，将不同金属球从斜面的某一高度由静止开始滚下，推动同一小木块向前移动一段距离s后停下，完成甲、乙、丙所示的三次实验。
（1）金属球在滚下斜面的过程中，它的___________能转化为动能；
（2）做了甲、乙、丙三次实验：让不同金属球从斜面的某一高度由静止开始滚下，碰到水平面上的物块，将物块撞出一段距离。物块被撞击得越远，说明金属球到达水平面时的动能就越___________；这种比较动能大小的研究方法是___________；
（3）要探究动能与速度的关系应选用___________图，结论是___________；
（4）甲，乙两图中让不同质量的两个小球从同一高度滚下的目的是小球在水平面___________，结论是___________；
（5）如图丁所示是交通管理部门对不同车型设定的最高速度，由“十次车祸九次快”、“安全驾驶莫超载”可知事故的原因是超载或超速。用甲、丙两图的实验现象所得到的结论，可以解释汽车_________（选填“超载”或“超速”）行驶时危险性大的原因。
【答案】重力势能 大 转换法 甲、丙 物体质量一定时，速度越大，物体的动能越大
初速度相同 物体速度一定时，质量越大，物体的动能越大 超速
【解析】
（1）[1]金属球从斜面滚下过程中，质量不变，高度减小，故重力势能减小，同时速度变大，动能增加，所以是将重力势能转化为动能的过程。
（2）[2][3]实验中让不同金属球从斜面的某一高度由静止开始滚下，碰到水平面上的物块，将物块撞出一段距离。物块被撞击得越远，说明金属球到达水平面时的动能就越大，其动能大小是通过小木块被推动的距离大小来反映的，这种比较动能大小的研究方法是转换法。
（3）[4][5]分析比较甲和丙两组实验可得，物体的质量相同，而下滑的高度不同，甲图中下滑的高度大，运动到水平面时速度大，推动木块滑行的距离大，故物体质量相同时，速度越大，动能越大。
（4）[6][7]研究动能大小与质量的关系时，需要控制小球速度相同，质量不同；甲，乙两图中让不同质量的两个小球从同一高度滚下的目的是小球到达水平面时，初速度相同；结论是：物体速度一定时，质量越大，物体的动能越大。
（5）[8]分析比较甲和丙两组实验可得：物体质量一定时，速度越大，推动木块滑行的距离大，物体的动能越大，破坏性越大；故可以解释汽车超速行驶时危险性大的原因。
21．（2020云南德宏九年级期末）弹弓是小朋友经常玩的一种玩具。小李同学利用同样大小的黏土弹珠、三根材料和厚度相同、长宽不同的橡皮条，探究“橡皮条的弹性势能与长度、宽度的关系”他依次将橡皮条固定在弹弓上。如图所示，在弹性范围内，拉伸相同的伸长量，将黏土弹珠在同一位置沿水平方向弹射出去，测得弹射的水平距离，数据如表：
次数 橡皮条 橡皮条宽/cm 橡皮条长/cm 弹射的水平距离/m
1 a 0.50 20.00 10.10
2 b 0.50 30.00 8.20
3 c 1.00 20.00 14.00
4 d 1.00 20.00
（1）实验中，是通过比较______来间接反映橡皮条的弹性势能大小；
（2）比较第1次和第2次实验可知，拉伸相同的伸长量，橡皮条的弹性势能与橡皮条的______有关；
（3）由1、2、3次实验数据可知，同种材料同厚度的橡皮条，拉伸相同的伸长量，弹性势能最大的橡皮条是______；
A．窄而长的
B．宽而长的
C．窄而短的
D．宽而短的
（4）该同学想进一步研究弹射水平距离与弹珠质量的关系，在前面实验基础上又用质量较大的铁弹珠进行了第4次实验，请你利用所学知识判断弹射的水平距离______（选填“大于”“等于”或“小于”）14m；
（5）用橡皮条将弹珠弹射出去是______能转化成______能，你认为影响橡皮条弹性势能大小的其他因素有______、______（写出两条即可）。
【答案】弹珠被弹射的水平距离 长度 D 小于 弹性势 动 橡皮条的厚度 橡皮条的长度
【解析】
（1）[1]弹弓橡皮条弹性势能的大小是通过弹珠射出的距离来表示，射出的越远，弹弓的弹性势能越大。
（2）[2]比较第1次和第2次实验可知，拉伸相同的伸长量，橡皮条宽度相同，长度不同，弹珠射出的距离不同，故橡皮条的弹性势能与橡皮条的长度有关。
（3）[3]由以上可知，弹性势能的大小与宽度、长度有关；在拉伸相同的伸长量时，宽度越宽，弹性势能越大，长度越短，弹性势能越大，故弹性势能最大的橡皮条是宽而短的，故ABC不符合题意，D符合题意。
故选D。
（4）[4]弹珠射出时将弹性势能转化为动能，弹性势能一定，动能一定，铁弹珠质量大，速度小，移动距离小，故弹射的水平距离小于14m。
（5）[5][6]用橡皮条将弹珠弹射出去时，是将橡皮条的弹性势能转化为弹珠的动能。
[7][8]橡皮条的长度、宽度、厚度都影响橡皮条的弹性势能大小。
22．（2021广西崇左市教育科学研究所九年级期末）某实验小组利用“模拟打桩”探究物体重力势能的大小与哪些因素有关，物体质量m1 = m2 < m3，实验时，让物体从木桩正上方某一高度自由下落，将木桩打入沙中，如图。
（1）物体下落过程中，重力势能转化为___________能，可以通过___________比较重力势能的大小，由图可判断：物体___________（选填“m1”“m2”或“m3”）释放前的重力势能最大；
（2）比较图甲和图丙，可探究重力势能与___________的关系；
（3）比较图甲和图乙，可初步得到的结论是___________；实验后，同学们联想到高空抛物是一种很不文明的行为，被称为“悬在城市上空的痛”，会带来很大的危害，因为高空的物体具有很大的___________能。
【答案】动 木桩下陷的深度 m2 质量 重力势能与物体的高度有关 重力势
【解析】
（1）[1][2][3]物体下落过程中，高度降低，速度增大，重力势能转化为动能，实验中采用转换法，可以通过木桩下陷的深度比较重力势能的大小，由图可知图乙木桩下陷的深度最大，说明物体m2释放前的重力势能最大。
（2）[4]根据控制变量法思想，比较下落高度相同的图甲和图丙，可探究重力势能与质量的关系。
（3）[5][6]根据控制变量法思想，比较质量相同但高度不同的图甲和图乙，可初步得到的结论是重力势能与物体的高度有关；因为高空的物体具有很大的重力势能，所以高空抛物是一种很不文明的行为，会带来很大的危害。
四、综合题
23．（2021山西临汾八年级期末）阅读短文，回答问题。
“太空快递员”——“天舟二号”货运飞船
如图甲所示，年月日，搭载“天舟二号”货运飞船的“长征七号”遥三运载火箭在我国文昌航天发射场点火发射，“天舟二号”货运飞船精确进入预定轨道。
“天舟二号”货运飞船由货物舱和推进舱两舱组成，采用型谱化、模块化设计思想开展平台构型和布局设计。同时，“天舟二号”严格控制平台自身重量，最大程度提高货物运输能力——发射重量、运货能力达，超过飞船自重。此次“天舟二号”货运飞船装载多件包裹、两件分别重多千克的舱外航天服、吨推进剂。
5月日，中国“太空港”迎来第一艘飞船停靠，“天舟二号”货运飞船采用自主快速交会对接模式，精准对接于“天和核心舱”后向端口，如图乙所示，“天舟二号”货运飞船成为首个停靠空间站核心舱的航天器。
（1）“长征七号”遥三火箭加速上升过程中，“天舟二号”货运飞船的机械能_______（选填“增大”“减小”或“不变”）。
（2）“天和核心舱”在匀速圆周运动过程中受________（选填“平衡力”或“非平衡力”）作用。
（3）“天舟二号”货运飞船与“天和核心舱”交会对接时，若“天和核心舱”需要减速，此时“天和核心舱”应向___________（选填“前”或“后”）喷气，其理由是_________。
【答案】 增大 非平衡力 前 物体间力的作用是相互的
【解析】
（1）[1]“天舟二号”货运飞船加速上升时，质量不变，速度增大，动能变大，同时高度上升，重力势能变大，而机械能为动能和势能之和，所以，机械能增大。
（2）[2]“天和核心舱”在匀速圆周运动过程中方向在不断变化，所以受到的力是非平衡力。
（3）[3][4]“天和核心舱”需要减速时应向前喷气，此时气体给“天和核心舱”一个向后的力，其理由是物体间力的作用是相互的。第十章《机械与人》
10.6 合理利用机械能
【知识梳理】
知识点1：动能和势能
1、能量：如果一个物体能够对别的物体做功，就说这个物体具有能量。
物体做功的过程就是能量转化的过程，物体做的功越多，说明某种能转化为别的形式的能越多。
2、动能和势能的概念：
动能：
（1）概念：物体由于运动具有的能，叫做动能。一切物体都具有动能。
（2）影响动能大小的因素：物体的质量和速度。物体的质量越大，速度越大，物体具有的动能就越大。
（3）单位：焦耳（J）。
势能：弹性势能和重力势能统称为势能。
（1）重力势能
①概念：物体由于高度位置所具有的能量，叫做重力势能。
②影响重力势能大小的因素：物体的质量和物体所处的高度。物体的质量越大，所处的高度越高，物体的重力势能就越大。
③单位：焦耳（J），重为1N的物体（质量约为0.1kg），被举高1m时所获得的能量，就是1J。
（2）弹性势能
①概念：物体因弹性形变而具有的能，叫做弹性势能。
②影响弹性势能大小的因素：弹性形变程度。同一物体在弹性形变范围内的弹性形变程度越大，弹性势能就越大。
③单位：焦耳（J）。
3、影响动能和势能的大小因素：
（1）动能的大小与两个因素有关：一是物体的质量，二是物体运动的速度大小；当物体的质量一定时，物体运动的速度越大其动能越大，物体的速度越小其动能越小．具有相同运动速度的物体，质量越大动能越大，质量越小动能越小；
（2）重力势能的大小与两个因素有关：一个是物体的质量，另一个是物体被举高
的高度。当物体的质量一定时，物体被举高的高度越大，其重力势能越大，物体被举高的高度越小，其重力势能越小；当物体被举高的高度一定时，物体质量越大其重力势能越大，物体质量越小其重力势能越小．物体的质量越大，举得越高，其重力势能就越大；
（3）弹性势能的大小与两个因素有关：一个是弹簧本身的性质，另一个是弹性形变的大小。当弹簧本身的性质相同时，形变越大，它具有的弹性势能就越大，形变越小，具有的弹性势能就越小；当弹簧形变相同时，性质不同的弹簧弹性势能不同。
知识点2：动能和势能的相互转化
1、机械能的概念：
（1）动能和势能之和称为机械能。动能和势能都属于机械能，动能是物体运动时具有的能量，势能是存储着的能量，动能和势能是机械能的两种表现形式。
（2）机械能大小：等于动能和势能的总和。
2、动能和势能的转化
（1）在一定的条件下，动能和重力势能之间可以相互转化。如将一块小石块，从低处抛向高处，再从高下落的过程中，先是动能转化为重力势能，后又是重力势转化为动能。
（2）在一定的条件下，动能和弹性势能之间可以相互转化。如跳水运动员，在起跳的过程中，压跳板是动能转化为弹性势能，跳板将运动员反弹起来是弹性势能转化为动能。
【易错点】
看到物体下落，学生就容易习惯性地认为是重力势能转化为动能，但当物体匀速下落时，速度不变，物体的动能不变，此时重力势能没有转化为动能。
【规律总结】
对动能与势能转化问题的分析。在分析时：
（1）首先需明确掌握以下要点：影响动能大小的因素为物体的质量和运动速度；影响重力势能大小的因素为物体的质量和被举高的高度；影响弹性势能大小的因素为物体发生弹性形变的程度
（2）对应题目分析决定动能大小的因素，决定重力势能（或弹性势能）大小的因素——看动能和重力势能（或弹性势能）如何变化。
（3）注意动能和势能相互转化过程中的能量损失和增大——如果除重力和弹力外没有其他外力做功（即：没有其他形式能量补充或没有能量损失），则动能势能转化过程中机械能不变。
【典例分析】
（2021甘肃兰州中考）飞机在林场上空某一高度喷洒农药时，水平匀速飞行，关于飞机的动能和势能变化下列说法中正确的是（　　）
A．动能减少，势能减少 B．动能减少，势能增加
C．动能增加，势能减少 D．动能不变，势能不变
【答案】A
【解析】
当飞机在某一高度水平匀速飞行喷洒农药时，其质量在不断减小，高度和速度不变，因此，由动能和重力势能的影响因素可知，其动能和重力势能均减小。故选A。
【思路小结】在解答本类题目时，要弄清楚物体质量、速度和高度的变化。然后对应影响动能、势能的因素进行判断。
【真题操练】
一、单选题
1．（2021山东济南中考）周末，小丽跟妈妈去千佛山游玩，如图所示，小丽和妈妈乘坐缆车匀速上山时，她们的（　　）
A．势能减小 B．势能增大 C．动能减小 D．动能增大
2．（2021四川绵阳中考）撑竿跳高是一项对压竿和起跳技术要求很高的体育运动。如图所示是运动员在一次比赛中的情景，从竿处于最大弹性形变到运动员松开竿的过程中（不考虑空气阻力）（　　）
A．竿的弹性势能增大，运动员的机械能减小
B．竿的弹性势能增大，运动员的机械能增大
C．竿的弹性势能减小，运动员的机械能减小
D．竿的弹性势能减小，运动员的机械能增大
3．（2021江苏镇江中考）如图所示，滑板运动员从高处沿坡道加速下滑的过程中，运动员的（　　）
A．动能减小 B．重力势能增大 C．动能不变 D．重力势能减小
4．（2021安徽中考）图示为游乐场中在竖直面内转动的摩天轮，小红乘坐该摩天轮时速度大小不变，则她从最低点上升到最高点的过程中（　　）
A．动能减少 B．重力势能不变 C．机械能增大 D．机械能不变
5．（2021广西玉林中考）熟透的苹果从树上落下的过程中，下列说法正确的是（　　）
A．动能减小，重力势能减小 B．动能增大，重力势能增大
C．动能增大，重力势能减小 D．动能减小，重力势能增大
6．（2021辽宁大连中考）踢毽子是一种传统的健身活动，当踢出的毽子上升时，毽子的（　　）
A．动能增大，重力势能增大 B．动能减小，重力势能减小
C．动能减小，重力势能增大 D．动能增大，重力势能减小
7．（2018四川自贡中考）电梯匀速上升过程中，电梯的（　　）
A．重力势能保持不变 B．机械能保持不变
C．动能保持不变 D．动能转化为重力势能
8．（2021广西桂林中考）高空坠物危害大，就算一个苹果从十层高楼自由落下都可能把汽车玻璃砸烂。下列说法正确的是（　　）
A．运动的苹果具有动能 B．高空的苹果没有重力势能
C．下落过程中苹果的动能减小 D．下落过程中苹果的重力势能增大
9．（2021山东烟台中考）如图所示，跳伞运动员在空中匀速直线下降的过程中，关于运动员（不包含降落伞和绳）下列说法正确的是（　　）
A．动能不变，重力势能不变，机械能不变
B．动能变大，重力势能变小，机械能不变
C．动能不变，重力势能交小，机械能变小
D．动能变小，重力势能变小，机械能变小
10．（2021浙江衢州中考）如图所示，物块在拉力F的作用下沿斜面向上做匀速直线运动。物块的相关科学量随时间变化规律的图像正确的是（　　）
A．B．C．D．
11．（2021山东泰安中考）在蹦床比赛中，运动员从高处落到蹦床上又被弹起，该过程中有关机械能及其转化的说法正确的是（ ）
A．运动员上升到最高点时重力势能为零
B．运动员下降过程中机械能增大
C．运动员从高处下落到蹦床前，重力势能转化为动能
D．运动员弹离蹦床后，上升的过程中弹性势能转化为动能
二、填空题
12．（2021江苏淮安中考）在“探究影响重力势能大小因素”的实验中，小明在水平地面上铺一张白纸，将皮球表面涂黑，使其分别从不同高度处自由下落，目的是探究重力势能大小与______的关系。如图所示，在纸上留下黑色圆斑A、B，圆斑______（填“A”或“B”）是皮球从较高处下落形成的。
13．（2020甘肃兰州中考）孔明灯俗称许愿灯，放孔明灯是我国的一种民俗文化。如图所示，孔明灯在点燃后加速上升的过程中，忽略其质量的变化，则孔明灯的动能_______，重力势能_______（均选填“增加”或“减少”）。
14．（2021四川广元中考）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”）。
15．（2021湖南常德中考）如图所示，在一个金属罐的盖和底各开两个小洞．先将橡皮筋两端穿过盖和底的小洞并固定起来，再将小铁块用细绳绑在橡皮筋的中部穿入罐中，使小铁块悬于罐体内．做好后将罐子从不太陡的斜面滚下，罐子和小铁块的动能会转化为橡皮筋的 _____ ，滚动一段时间后罐子停下来，然后再沿斜面向上滚动，此时罐子的重力势能会 _____ （选填“增大”“减小”或“不变”）．
16．（2021辽宁沈阳中考）蹦极是一项极限体育运动，如图所示，A点最高点、B点为弹性绳自然伸长的位置，蹦极人在C点受弹性绳的弹力与自身重力相等，D点是能下落到的最低点。在蹦极人从A点下落到D点的过程中，______（填“B”、“C”或“D”）点动能最大，在这个过程中，减小的重力势能都转化为________能。（不计空气阻力）。
17．（2022江苏锡山九年级期中）2015年第53届世乒赛中首次使用了“40+”新球，新球与“40”旧球如图甲所示，小科想比较两种球的弹性大小，做了如下实验：将两球从相同高度由静止同时释放，比较两球落到同一桌面上弹起的高度得出弹性的大小，发现很难比较两球弹起的高度，继续观察，两球在桌面上反复弹跳，发现新球停止弹跳时，旧球还在弹跳，如图乙所示，多次实验结果相同，说明旧球的弹性比新球好。
（1）乒乓球下落过程中重力势能逐渐______（选填“增大”或“减小”）；
（2）该实验体现了转换的思想，将比较球的弹性分别转换为比较______和比较弹跳的时间。
18．（2022陕西澄城九年级期末）图甲是2022年北京冬奥会会徽，以汉字“冬”为灵感，运用书法艺术形态，传递出实现“三亿人参与冰雪运动”的目标。图乙是滑雪运动员起跳后下落情景，运动员加速下落过程中重力势能______（选填“增大”、“减小”或“不变”），动能______（选填“增大”、“减小”或“不变”）。
19．（2021广西百色八年级期末）如图所示是小明玩蹦蹦杆的情景，蹦蹦杆由地面弹起，在空中升高的过程中，小明的重力势能______；在下落后，从杆尖触地到弹簧压缩至最短，弹簧弹性势能______（均选填“增大”“减小”或“不变”）。
三、实验题
20．（2022甘肃肃州九年级期末）如图所示，在“探究物体的动能跟哪些因素有关”的实验中，将不同金属球从斜面的某一高度由静止开始滚下，推动同一小木块向前移动一段距离s后停下，完成甲、乙、丙所示的三次实验。
（1）金属球在滚下斜面的过程中，它的___________能转化为动能；
（2）做了甲、乙、丙三次实验：让不同金属球从斜面的某一高度由静止开始滚下，碰到水平面上的物块，将物块撞出一段距离。物块被撞击得越远，说明金属球到达水平面时的动能就越___________；这种比较动能大小的研究方法是___________；
（3）要探究动能与速度的关系应选用___________图，结论是___________；
（4）甲，乙两图中让不同质量的两个小球从同一高度滚下的目的是小球在水平面___________，结论是___________；
（5）如图丁所示是交通管理部门对不同车型设定的最高速度，由“十次车祸九次快”、“安全驾驶莫超载”可知事故的原因是超载或超速。用甲、丙两图的实验现象所得到的结论，可以解释汽车_________（选填“超载”或“超速”）行驶时危险性大的原因。
21．（2020云南德宏九年级期末）弹弓是小朋友经常玩的一种玩具。小李同学利用同样大小的黏土弹珠、三根材料和厚度相同、长宽不同的橡皮条，探究“橡皮条的弹性势能与长度、宽度的关系”他依次将橡皮条固定在弹弓上。如图所示，在弹性范围内，拉伸相同的伸长量，将黏土弹珠在同一位置沿水平方向弹射出去，测得弹射的水平距离，数据如表：
次数 橡皮条 橡皮条宽/cm 橡皮条长/cm 弹射的水平距离/m
1 a 0.50 20.00 10.10
2 b 0.50 30.00 8.20
3 c 1.00 20.00 14.00
4 d 1.00 20.00
（1）实验中，是通过比较______来间接反映橡皮条的弹性势能大小；
（2）比较第1次和第2次实验可知，拉伸相同的伸长量，橡皮条的弹性势能与橡皮条的______有关；
（3）由1、2、3次实验数据可知，同种材料同厚度的橡皮条，拉伸相同的伸长量，弹性势能最大的橡皮条是______；
A．窄而长的
B．宽而长的
C．窄而短的
D．宽而短的
（4）该同学想进一步研究弹射水平距离与弹珠质量的关系，在前面实验基础上又用质量较大的铁弹珠进行了第4次实验，请你利用所学知识判断弹射的水平距离______（选填“大于”“等于”或“小于”）14m；
（5）用橡皮条将弹珠弹射出去是______能转化成______能，你认为影响橡皮条弹性势能大小的其他因素有______、______（写出两条即可）。
22．（2021广西崇左市教育科学研究所九年级期末）某实验小组利用“模拟打桩”探究物体重力势能的大小与哪些因素有关，物体质量m1 = m2 < m3，实验时，让物体从木桩正上方某一高度自由下落，将木桩打入沙中，如图。
（1）物体下落过程中，重力势能转化为___________能，可以通过___________比较重力势能的大小，由图可判断：物体___________（选填“m1”“m2”或“m3”）释放前的重力势能最大；
（2）比较图甲和图丙，可探究重力势能与___________的关系；
（3）比较图甲和图乙，可初步得到的结论是___________；实验后，同学们联想到高空抛物是一种很不文明的行为，被称为“悬在城市上空的痛”，会带来很大的危害，因为高空的物体具有很大的___________能。
四、综合题
23．（2021山西临汾八年级期末）阅读短文，回答问题。
“太空快递员”——“天舟二号”货运飞船
如图甲所示，年月日，搭载“天舟二号”货运飞船的“长征七号”遥三运载火箭在我国文昌航天发射场点火发射，“天舟二号”货运飞船精确进入预定轨道。
“天舟二号”货运飞船由货物舱和推进舱两舱组成，采用型谱化、模块化设计思想开展平台构型和布局设计。同时，“天舟二号”严格控制平台自身重量，最大程度提高货物运输能力——发射重量、运货能力达，超过飞船自重。此次“天舟二号”货运飞船装载多件包裹、两件分别重多千克的舱外航天服、吨推进剂。
5月日，中国“太空港”迎来第一艘飞船停靠，“天舟二号”货运飞船采用自主快速交会对接模式，精准对接于“天和核心舱”后向端口，如图乙所示，“天舟二号”货运飞船成为首个停靠空间站核心舱的航天器。
（1）“长征七号”遥三火箭加速上升过程中，“天舟二号”货运飞船的机械能_______（选填“增大”“减小”或“不变”）。
（2）“天和核心舱”在匀速圆周运动过程中受________（选填“平衡力”或“非平衡力”）作用。
（3）“天舟二号”货运飞船与“天和核心舱”交会对接时，若“天和核心舱”需要减速，此时“天和核心舱”应向___________（选填“前”或“后”）喷气，其理由是_________。

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