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第十章 机械能、内能及其转化
第一节 机械能
学习目标
1.知道功和能的关系.
2.知道动能、重力势能、弹性势能的概念.
3.知道动能和势能的大小跟什么因素有关，会判断其大小.
4.能举例说明动能与势能的相互转化.
5.理解机械能守恒，知道在只有动能和势能相互转化的过程中机械能的总量保持不变.
6.了解水能和风能的应用.
知识点1 动能 重难点
1.能量
（1）物体能对外做功，我们就说这个物体具有能量，简称能.
（2）单位：在国际单位制中，能的单位是焦耳(J)
（3）对能的理解
①一个物体能够做的功越多，它具有的能量就越大.
②有能量的物体不一定做了功，能够做功的物体一定具有能量.

典例1 下列关于物体具有能量的叙述，不正确的是( )
D
A.被拉弯的弓能把箭射得很远，说明被拉弯的弓具有能量
B.高空坠物会砸伤人，说明高空的物体具有能量
C.台风把大树连根拔起，说明台风具有能量
D.激流能将石头冲走，说明石头具有能量

2.动能
（1）现象探究：什么是动能
现象
现象分析 风吹船帆使船前行，风（流动的空气）对船做了功 湍急的河水能把石头冲走，河水对石头做了功 运动的子弹将苹果射穿，子弹在运动过程中对苹果做了功
共同特点 物体在运动，并且能够对外做功
探究归纳 物体由于运动具有的能叫作动能，一切运动的物体都具有动能
风吹帆船前进
河水冲走石头
子弹射穿苹果
素养培育
控制变量法和转换法在实验中的应用
（1）控制变量法:要探究动能与质量的关系，就需要控制小球的速度不变，只改变小球的质量进行实验；要探究动能与速度的关系，就需要控制小球的质量不变，只改变小球的速度进行实验.
（2）转换法:通过纸盒被碰撞后滑动距离的远近来反映小球的动能大小.
（2）实验探究：物体动能的大小与哪些因素有关
提出问题 一切运动的物体都能做功，都具有动能，但不同的运动物体做功的能力存在差异，这说明动能是有大小的.那么物体具有的动能的大小与哪些因素有关呢
猜想与假设 猜想1：动能是物体由于运动而具有的能，所以动能的大小可能与物体的运动速度有关；
猜想2：人被相同速度的汽车和自行车撞伤时，被汽车撞伤更严重，所以动能的大小可能与物体的质量有关
设计并进行实验 动能与速度的关系 动能与质量的关系
设计并进行实验
分析与论证 质量相同的小球从同一斜面的不同高度滚下，初始位置越高的小球，到达水平面时的速度越大，将纸盒推动的距离越远，对纸盒做的功越多.表明质量相同时，速度越大的物体动能越大 质量不同的小球从同一斜面的相同高度滚下，到达水平面时的速度相同，质量越大的小球，将纸盒推动的距离越远，对纸盒做的功越多.表明速度相同时，质量越大的物体动能越大
探究结论 物体具有的动能大小跟物体的质量和速度有关.物体的速度越大，质量越大，它具有的动能就越大
典例2 （新乡期末）如图是用小球与木块探究“物体动能的大小与哪些因素有关”的实验示意图.


木块移动距离的大小
[解析] 实验中通过观察木块被推动的距离的大小，来判断小球动能的大小，即该实验研究的对象是小球；

（2） 让同一小球从斜面的不同高度由静止滚下，推动木块做功，是为了探究动能的大小与______的关系.
速度
[解析] 让同一小球从斜面的不同高度由静止滚下，推动木块做功，控制了质量一定，改变了速度，是为了探究动能的大小与速度的关系.
（3） 若要探究物体动能的大小与质量的关系，则需用不同质量的小球从斜面_______（选填“相同”或“不同”）高度由静止滚下，并观察记录.
相同
知识点2 势能 重点
1.重力势能
（1）现象探究：什么是重力势能
现象
现象分析 被举高的重锤能够对木桩做功，说明被举高的重锤具有能 山上的泥石流可以做功，说明山上的泥石流具有能
重锤落下把木桩打入地下
泥石流冲毁房屋、树木
共同特点 物体处于一定高度，并且能够对外做功
探究归纳 受到重力的物体被举高后具有能，这种能叫作重力势能
素养培育
转换法研究物体重力势能的大小
本实验研究的是物体重力势能大小的影响因素，观察的却是桌腿陷入砂中的深度，通过桌腿陷入砂中的深度来反映物体重力势能的大小，这里运用了转换法.
（2）实验探究：重力势能的大小与哪些因素有关
提出问题 重力势能的大小与哪些因素有关
猜想与假设 重力势能是受到重力的物体被举高后具有的能，所以它可能与物体的质量有关，还可能与物体被举高的高度有关
设计实验 在透明容器中装入适量的细砂，将木质小桌放在细砂上，让铁块从木质小桌正上方自由下落，通过比较小桌受铁块作用后，桌腿陷入细砂的深度来比较铁块重力势能的大小
进行实验 重力势能与物体被举高的高度的关系 重力势能与物体质量的关系
如图所示，让质量相同的铁块从不同高度由静止开始落到小桌上，观察两次实验桌腿陷入细砂的深度 如图所示，让质量不同的铁块从同一高度由静止开始落到小桌上，观察两次实验桌腿陷入细砂的深度反映重力势能大小
现象分析 质量相同时，初始位置较高的铁块使桌腿陷入细砂的深度更深，说明初始位置较高的铁块对小桌做的功多，具有的重力势能大 初始高度相同时，质量较大的铁块使桌腿陷入细砂的深度更深，说明质量较大的铁块对小桌做的功较多，具有的重力势能较大
探究归纳 物体重力势能的大小与物体的质量和被举高的高度有关，物体的质量越大，被举高的高度越高，具有的重力势能就越大
续表
教材深挖
对“高度”的理解
（1）在没有特别指明的情况下，“高度”一般是相对于地面而言的，通常把地面上的物体具有的重力势能视为零.
（2）在某些特殊的情况下，也可以选其他物体作为参照物,此时同一个物体相对于不同的参照物，所处的高度不同，具有的重力势能也不同.例如，以教室的地板为参照物，放在桌面上的书相对于地板有一定的高度，因此书具有重力势能；以桌面为参照物，放在桌面上的书相对于桌面的高度为零，因此书的重力势能为零.




2.弹性势能
（1）现象探究：什么是弹性势能
现象
现象分析 被拉开的弓发生了弹性形变，具有能量，能够对箭做功 弯曲的撑竿发生了弹性形变,具有能量，能够对运动员做功 拧紧的钟表发条发生了弹性形变，具有能量，能够对指针做功
拉开的弓把箭射出去
弯曲的撑竿把运动员带到空中
拧紧的钟表发条推动指针转动
共同特点 物体发生了弹性形变，且能够对外做功
探究归纳 具有弹性的物体发生弹性形变后具有能，这种能叫作弹性势能
注意 物体具有的弹性势能与物体的弹性形变程度有关.弹性形变越大，物体具有的弹性势能就越大.
（2）拓展实验：弹性势能的大小与哪些因素有关
提出问题 弹性势能的大小与哪些因素有关
猜想与假设 物体发生的弹性形变越大,弹性势能可能越大
探究过程与现象
（1）如图所示，将弹簧压缩并用线固定，在线被烧断后，弹簧能将上面放着的重物向上弹起；
（2）增大弹簧被压缩的程度，再做一次实验，发现弹簧上面的重物被弹起得更高
分析与论证 （1）弹簧发生形变，将重物弹起，对重物做功，因此它具有弹性势能；
（2）弹簧被压缩的程度越大，发生的形变就越大，将重物弹起得越高，说明弹簧做功的本领越大，即它具有的弹性势能就越大
探究归纳 同一弹性物体在一定范围内发生的弹性形变越大，具有的弹性势能就越大
教材深挖
深入理解弹性势能
1.发生形变的物体不一定都具有弹性势能，如橡皮泥发生形变后不能自动恢复原状，它不具有弹性势能.
2.具有弹性的物体不一定具有弹性势能，如水平地面上放置的处于自由状态的弹簧，没有发生弹性形变，不具有弹性势能.
3.物体弹性势能的大小除了与弹性形变的程度有关，还与物体的材料有关.形变程度相同的物体，材料不同，所具有的弹性势能一般不同.
辨析比较
动能、重力势能、弹性势能的比较
能的形式 影响因素 判断依据
动能 质量和速度 看物体是否运动
重力势能 质量和所处的高度 看物体是否被“举”高
弹性势能 材料和弹性形变的程度 看物体是否发生弹性形变
典例4 &1& 如图所示，小伟在玩蹦蹦杆.在蹦蹦杆中的弹簧向上弹起的过程中，小伟的重力势能、弹簧的弹性势能的变化情况是( )
B
A.重力势能减小，弹性势能增大
B.重力势能增大，弹性势能减小
C.重力势能减小，弹性势能减小
D.重力势能增大，弹性势能增大
[解析] 由题图知，蹦蹦杆中的弹簧向上弹起的过程中，其形变的程度减小，弹性势能减小，同时小伟的质量不变，所处的高度增大，因此，他具有的重力势能增大，选项B的说法正确.
知识点3 机械能及其转化 重点
1.机械能及其转化
动能和势能统称为机械能.
（1）现象探究：物体具有的机械能
图示
实例 天空中飞行的飞机 在水平地面上行驶的汽车 吊在天花板上的灯
分析 飞机有质量而且是运动的，所以飞机具有动能；飞行的飞机距地面有一定高度，故飞机同时也具有重力势能 汽车有质量，也有速度,但在地面上,故只有动能没有重力势能 灯是静止的，但距地面有一定高度，所以只有重力势能没有动能
探究归纳 一个物体可以只有动能，或者只有势能，也可以既有动能又有势能，此时都说物体具有机械能
（2）现象探究：动能和势能之间的相互转化
图示
现象 滚摆上升过程中转动得越来越慢，滚摆下落过程中转动得越来越快 单摆在左右摆动过程中，两侧最高点的高度相同（如图所示） 钟表的发条拧得越紧，钟表走的时间越长
现象分析 滚摆在上升过程中,高度增加，但速度减小，即重力势能增大，动能减小；滚摆在下落过程中，高度减小，但速度增大，即重力势能减小，动能增大 小球从A点摆向最低点B的过程中，速度越来越大，高度越来越低，重力势能减小，动能增大；从B点摆向C点的过程中，速度越来越小，高度越来越高，动能减小，重力势能增大 发条拧得越紧，弹性势能越大，那么钟表走的时间就越长，转化成的动能就越多
能量转化 上升时动能转化为重力势能；下落时重力势能转化为动能 摆向低处时，重力势能转化为动能；摆向高处时，动能转化为重力势能 弹性势能转化为动能
探究归纳 物体的动能和势能之间是可以相互转化的
典例5 （金华期末） 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( )
C
A.运动员上升过程中动能增大
B.运动员下降过程中重力势能增大
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

2.机械能守恒及其应用
（1）机械能守恒：物体的动能和势能之间是可以相互转化的.在只有动能和势能相互转化的过程中，机械能的总量保持不变，即机械能是守恒的.
（2）正确理解机械能守恒，要注意以下三点：
①机械能守恒的条件是只有动能和势能之间的相互转化（不计空气阻力和摩擦力）.
②机械能守恒时，动能减少，势能一定增加；动能增加，势能一定减少.
③机械能守恒的条件未被满足时，物体的机械能总量就会发生变化，即机械能不守恒.
方法技巧
判断机械能是否变化的方法
1.系统在只有重力作用而无其他外力作用的情况下，机械能总量不变，只在动能和势能间相互转化.
示例（忽略空气阻力和摩擦导致的机械能损失） 判断依据 能的转化
速度 高度 形变
滚摆上升时 减小 增大 动能转化为重力势能
过山车下降时 增大 减小 重力势能转化为动能
运动的小球压缩弹簧时 减小 增大 动能转化为弹性势能
弯弓射箭时 增大 减小 弹性势能转化为动能
2.物体受外力作用机械能不守恒时，可先分析动能和势能的变化

3.水能和风能
（1）水能:高处的水具有重力势能（如拦河大坝内的水），潮汐涨落和江河流水具有动能.利用水流冲击水轮转动，可以带动发电机发电.水能具有无污染、蕴藏量大、可循环利用等优点.
（2）风能:风能吹动物体做功，具有能量.人们可以利用风能发电.
①风能发电的优点：设备简单、清洁、可再生.
②风能发电的缺点：不稳定、成本高、占用大片土地.
典例6 （双选）滑雪比赛过程中，运动员运动的轨迹如图所示，不计空气阻力，下列说法正确的是
( )



典例6 （双选）滑雪比赛过程中，运动员运动的轨迹如图所示，不计空气阻力，下列说法正确的是
( )
BC


本节知识归纳
题型1 对功和能的理解 ★★【注】
典例7 下列关于功和能的说法，正确的是( )
D
A.具有能的物体一定在做功
B.物体具有的能越大，它做的功越多
C.物体做的功越多，它具有的能就越大
D.物体能够做的功越多，它具有的能就越大

易错警示
功能关系
（1）功是能量变化的量度，即做功过程中物体能量变化的多少；
（2）物体通过对外做功来释放能量.
题型2 对机械能的理解 ★★
典例8 下列物体中，具有动能的是( )
C
A.静止在路面上的汽车 B.被压缩的弹簧
C.流动的河水 D.平放在课桌上的课本
[解析] 静止的汽车不具有动能；被压缩的弹簧发生弹性形变，具有弹性势能，不具有动能；流动的河水，处于运动状态，具有动能，故C符合题意；平放在课桌上的课本，静止，不具有动能.
图解
题型3 机械能的变化分析 ★★★

B
A.重力势能增大，动能减小 B.重力势能减小，动能增大
C.重力势能减小，动能减小 D.重力势能增大，动能增大

解题通法
分析机械能变化的一般步骤
题型4 探究影响动能、势能大小的因素
角度1 探究影响动能大小的因素 ★★★★

实验次数
1 20 30 35
2 40 30 65
3 60 30
（1） 本实验使钢球获得动能的操作方法是____________________________.
将钢球从某一高度由静止释放
（2） 从上表数据可以看出，实验中控制了______相同，从而探究动能与______的关系.
速度
质量
[解析] 钢球下摆高度不变，钢球撞击木块时的速度相同，而钢球质量不同，从而探究动能与质量的关系.


甲

（4） 由上述实验数据可得出结论：____________________________________.
速度一定时，物体质量越大，动能越大
角度2 探究影响重力势能大小的因素 ★★★★

（1） 本次实验主要采用的物理探究方法是控制变量法与________（选填“转换法”或“类比法”）.
转换法
[解析] 实验中利用小球陷入细砂中的深度表示重力势能的大小，这是转换法的应用.
（2） 分析该实验时，小球陷入细砂的深度越深，说明小球的重力势能越____.
大
[解析] 小球陷入细砂的深度越深，则小球的重力势能就越大.
（3） 通过比较________两次实验，可以得出结论：当高度一定时，物体的质量越大，重力势能越大.
甲、乙
[解析] 探究物体重力势能的大小与质量的关系时，需要控制高度相同，质量不同，故需要对比甲、乙两次实验.
（4） 通过比较实验乙和丙，可以得出结论：当物体的______相同时，高度越高，物体的重力势能越大.
质量
[解析] 比较实验乙和丙可知，小球的质量相同，下落的高度不同，高度越高，小球陷入细砂中的深度越深，重力势能越大.
角度3 探究影响弹性势能大小的因素 ★★★★
典例12 （广元中考）小苏同学所在的物理兴趣小组准备探究“弹簧弹性势能的大小与什么因素有关”.他们猜想：弹簧弹性势能可能与弹簧长度变化量、弹簧螺纹圈直径、

（1） 弹簧弹性势能的大小是通过____________________来衡量的.



相同


（3） 小苏所在的实验小组经过多次实验得出了结论.在上面的实验中，他们运用到了转换法和____________两种物理思想方法.
控制变量法
方法点拨
探究影响弹性势能大小因素的实验中的能量转化过程
题型5 机械能的转化与守恒 （易错） ★★★



易错警示
机械能守恒是有条件的，即只有动能和势能之间的相互转化，而没有机械能和其他形式的能量之间的转化.在实际情形中，由于摩擦力的存在，往往要克服摩擦力做功，而损失一部分机械能，这时机械能的总量会减少.
题型5 机械能的转化与守恒 （易错） ★★★


等于
变化
谢谢大家！

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