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11. 4
机械能及其转化
【课程标准】 第十一章 功和机械能
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课程内容要求
学生必做实验
2011 版
3. 2. 1 知道动能、势能和机械能。通过实验，了解动能和势能的相互转化。举例说明机械能和其他形式能量的相互转化
例1 用荡秋千的过程定性说明动能和势能的转化情况。
3. 2. 2 知道机械功和功率。用生活中的实例说明机械功和功率的含义。
无
2022 版
3. 2. 1 知道动能、势能和机械能。通过实验，了解动能和势能的相互转化。举例说明机械能和其他形式能量的相互转化。
例1 定性说明荡秋千过程中动能和势能的相互转化。
例2 分析《天工开物》中汲水装置工作时能量的相互转化。
3. 2. 2 知道机械功和功率。用生活中的实例说明机械功和功率的含义。
无
【学习目标】
1. 能用实例说明物体的动能和势能的转化；（重点）
2. 理解机械能守恒；
3. 了解人类对水能、风能的开发与利用。
过山车在运动的过程中，
动能和势能会发生什么变化？
满载游客的过山车，在机械的带动下向着轨道的最高端攀行. . . . . .
忽然，它像一匹脱缰的野马，从轨道的最高端飞驶而下！
它又犹如一条蛟龙，时而上下翻腾，时而左摇右摆，
时而驶上高高耸着的大回环的顶端……
【课堂导入·观察与思考】
1. 动能、重力势能和弹性势能统称为机械能.
物体具有的动能和势能之间可以相互转化。
2. 一个物体具有的机械能是动能和势能之和。
一个物体可以既有动能，又有势能。
如：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势能。
如果飞机的动能是50000J，重力势能为65000J，
那么总的机械能为：（50000 + 65000）J = 115000J。
一、机械能及其转化
飞行中的飞机
1. 滚摆旋转向下运动过程中：
速度变大，动能增大；
高度降低，重力势能减小。
重力势能 转化为 动能
?
【想想做做】 动能 相互转化 重力势能
?
观察滚摆的运动，
讨论滚摆在运动过程中动能和重力势能是如何变化的？
实验 1
【想想做做】 动能 相互转化 重力势能
?
观察滚摆的运动，
讨论滚摆在运动过程中动能和重力势能是如何变化的？
实验 1
2. 滚摆旋转向上运动过程中：
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
?
实验结论：动能和重力势能可以相互转化。
【想想做做】 动能 相互转化 重力势能
?
观察滚摆的运动，
讨论滚摆在运动过程中动能和重力势能是如何变化的？
实验 1
理想情况下，
每次应上升到原来的高度，
但因受到空气阻力，
所以每次上升的高度都比上次低。
观察摆球的动能和重力势能的转化
如图所示，用细线把一个小球悬挂起来，
将小球从位置 B 拉倒位置 A，松开手释放小球，
观察它在 A→B→C 过程中高度和速度的变化，
分析这一运动过程中动能和重力势能之间的转化。
将你的分析填入表格中。
【想想做做】 动能 相互转化 重力势能
?
单摆
A
B
C
实验 2
观察摆球的动能和重力势能的转化
【想想做做】 动能 相互转化 重力势能
?
单摆
A
B
C
实验 2
运动过程
A→B
B
B→C
C
动能
增大
最大
减小
最小
势能
减小
最小
增大
最大
动能和势能
的转化
势能 转化为 动能
动能 转化为 势能
运动过程
A→B
B
B→C
C
动能
增大
最大
减小
最小
势能
减小
最小
增大
最大
动能和势能
的转化
结论：动能和重力势能可以相互转化。
说明：理想情况下，A、C等高。
但实际情况下，每次上升的高度都比上次要低。
原因：存在空气阻力
一、机械能及其转化
大量研究结果表明，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。
3. 机械能守恒
当只有动能和势能互相转化时，机械能总量不变。
机械能 = 动能 + 势能
势能
动能
+
保持不变
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？会距离你的鼻子很远吗？
不会打到鼻子。因为铁锁拉到一定高度，具有的重力势能是一定的， 来回摆动的
过程中，铁锁的动能和势能相互转化，在转化的过程中，铁锁的机械能的总量不会
增加，铁锁上升的高度不会超过原来的高度，打不到鼻子上。
铁锁最终会停下来，铁锁的机械能去哪了？
【想想做做】
物体的动能和重力势能相互转化是生活中常见的过程。
请你分析以下过程，你的动能和重力势能的相互转化？
骑自行车下陡坡
是什么感觉？
游乐场的大型过山车，可让你
充分感受上期下落的乐趣，
体验重力势能和动能的转化
荡秋千时，那种时高时低、
时快时慢的感觉如同在飞，
你知道其中能量的转化过程吗？
【生活中的物理】
（1）弓的弹性势能哪里去了？
拉开的弓把箭射出去 ，
弓的弹性势能减小，箭的动能增大，
弓的弹性势能 转化为 箭的动能
?
（2） 弹簧门在推开以后为什么能自己关闭？
推开弹簧门的过程，动能转化为弹簧的弹性势能；
弹簧门自动关闭的过程：弹簧的弹性势能 转化为 门的动能
?
【想想议议】 动能 相互转化 弹性势能
?
（1）请你说一说，在撑杆跳高的运动员完成了助跑、撑杆、跨杆、落地的
过程中动能和势能是如何相互转化的。
运动员助跑尽量增大动能，
在起跳瞬间，使撑杆发生弹性形变，
把自身的动能转化为撑杆的弹性势能。
在撑杆恢复原状的过程中，
撑杆的弹性势能转化成运动员的动能，
动能又不断地转化为运动员的重力势能。
在下落的过程中高度逐渐降低，速度越来越大，
重力势能转化为动能。
【讨论】 关于动能、重力势能、弹性势能的相互转化
蹦床运动
蹦床运动员从高处落下，随着高度降低，
重力势能转化为动能，
在与蹦床将要接触时，具有动能最大，
与蹦床接触后，床面发生弹性形变，
运动员的动能转化成蹦床的弹性势能。
当反弹时，蹦床的弹性势能转化为运动员的动能，
随着高度上升，动能转化为重力势能。
（2）请你说一说蹦床运动过程中，能量的转化情况。
【讨论】 关于动能、重力势能、弹性势能的相互转化
在地球上，海水朝夕涨落，江河日夜奔流。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是具有大量机械能的天然资源。
水能和风能是自然界中的重要能源。
三、水能和风能的利用
1. 水能的利用
早在1900多年前，
我们的祖先就制造了木质的水轮，
让流水冲击水轮转动，
用来汲水、磨粉、碾谷。
自然界中的瀑布、湍急的河水和海浪都具有能量。
（1）古代对水能的利用
水磨
摘自《天工开物》
水磨
三、水能和风能的利用
水排：通过曲柄连杆机构
将回转运动转变为
连杆的往复运动
水车
水碓
水轮直接利用水的动能
水碾
三、水能和风能的利用
（2）水力发电
通过水轮机带动发电机，可以将水的机械能转化为电能，
再通过输电线送到用电地区。
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。
三、水能和风能的利用
三峡水电站
水电站剖面图
2. 风能的利用
风是流动的空气，风把风筝吹到天空，也就是对风筝做功；
风能使你做的小风车飞转，即对小风车做功。
所以，风具有机械能。
风能的形成：
地球表面接受太阳辐射能的不同，
使各地大气温度不同，
造成大气密度和气压的差别从而形成风。
三、水能和风能的利用
（1）古代对风能的利用
其中立轴式大风车，
是中国古代一项杰出的发明，
主要应用于我国沿海地区及长江流域，
用来带动龙骨水车等提取海水制盐
或提水灌溉水田。
立轴式大风车
（模型）
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。
利用风能的帆船
三、水能和风能的利用
风力发电的原理：利用风吹动风车叶片旋转，将风能转化为风车叶片的
动能，再通过发电机或其他机器将动能转化为电能。
（2）风力发电
内蒙古辉腾锡勒
风电场
新疆达坂城
风力发电场
浙江临海括苍山
风电场
甘肃酒泉千万千瓦级
风电场
中国新能源战略已经把发展风力发电作为重点项目
三、水能和风能的利用
机械能守恒：只有动能和势能的转化，
即机械能未与其他形式的能量发生相互转化时，
机械能的总量保持不变。
当卫星从远地点向近地点运动时，它的势能、动能、速度如何变化？
卫星在地球大气层外运行，不受空气阻力，因此机械能守恒。
在远地点时：势能最大
从远地点向近地点运动时：势能减小，动能增大，
势能转化为动能，速度增大。
在近地点时：动能最大，速度最大。
【科学世界】 人造地球卫星的机械能转化
【本课小结】
【典例精析】
洒水车沿平直公路匀速行驶，将水洒在路面上，
这个过程中，下列说法正确的是
A．动能不变，势能减小
B．动能势能都减小
C．动能势能都不变
D．不能确定动能势能是变大还是变小
【典例精析】
高空中形成的雨滴在重力和空气阻力的共同作用下，开始下落的一段时间
速度越来越大，落到地面前一段时间匀速下落。
雨滴在空中下落的整个过程中
A．动能一直增大，机械能守恒
B．动能先增大后不变，机械能守恒
C．动能先增大后不变，机械能一直减小
D．动能先减小后不变，机械能一直减小
【典例精析】
把一个铁锁用绳子悬挂起来，将铁锁拉到自己的鼻子附近，稳定后松手，
铁锁向前摆去，如图所示。下列说法中正确的是
A．铁锁摆回时会打到鼻子
B．铁锁在摆动过程中动能与重力势能可以相互转化
C．铁锁由高处摆到低处的过程中动能转化为重力势能
D．铁锁上升的最大高度逐次降低，是由于受到重力作用
【典例精析】
如图所示是荡秋千的简化模型。摆球从 A 点由静止释放，到达 D 点后返回，
B、C 两点等高。下列说法正确的是
A．球在 B、C 两点的动能相等
B．球在 A、D 两点的机械能相等
C．球从 B 点到 O 点的过程中机械能减少
D．球从 O 点到 C 点的过程中重力势能减少
【典例精析】
张家界大峡谷玻璃桥高空蹦极体验项目正式对公众开放，不考虑空气阻力，
关于人在蹦极下降过程中的能量分析，下列选项中正确的是
A．弹性绳绷直前，人的重力势能减小，动能增大，机械能增大
B．弹性绳刚好绷直时，人的重力势能最小，动能最大
C．下降到最低点的过程中人的机械能守恒
D．下降到最低点时，人的重力势能最小，弹性绳的弹性势能最大
【典例精析】
避险车道是在长且陡的下坡路段?行车道外侧增设的?供刹车失灵车辆驶离
正线并安全减速的专用车道?如图所示是上坡险车道型避险车道，
避险车道上铺有很多小石子，车道尽头有废旧轮胎或防撞墙?
下列分析错误的是
A．小石子可以増大失控车辆与避险车道之间的摩擦力
B．失控车辆在避险车道向上运动速度减小时，动能减少
C．失控车辆撞击废旧轮胎时，将动能转化成重力势能
D．在避险车道上停下来的失控车辆仍具有惯性
【典例精析】
（多选）如图所示为游乐园的过山车运行的情境，下列说法正确的是
A．过山车从高处加速滑下的过程中，动能增加
B．过山车从高处加速滑下是由于受到惯性的作用
C．过山车从低处上升的过程中，重力势能增加
D．过山车从低处上升的过程中，重力势能转化为动能
【典例精析】
如图，滚摆下降过程中，滚摆的___________能转化为________能。
滚摆上下往复运动过程中，其每次上升所能达到的高度越来越低，
滚摆在运动过程中的机械能_____________（ 选填“增加”、“减少”
或“不变”）。
重力势
动
减少

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