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第一部分　考点过关
第九讲　机械与人
第3课时　合理利用机械能
机械能
1.能量：一个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，能量的单位： 　焦耳　 ，符号： 　J　 .
焦耳
J
动能 势能
重力势能 弹性势能
定义 物体由于 　运动　 而具有的能 物体由于 　被举高　 而具有的能 物体由于发生 　弹性形变　 而具有的能
影响 因素 物体的 　质量　 和 　速度　 物体的 　质量　 和 　高度　 物体的 　弹性形变　
联系 动能和势能在一定条件下可以相互 　转化　
运动
被举
高
弹
性形变
质量
速度
质量
高度
弹性形
变
转化
2.动能和势能
练1　2022年5月31日，我国自主研制的大型两栖飞机——“鲲龙”AG600在广东珠海首飞成功.返航时，飞机在减速下降过程中（　D　）
A.动能增大，重力势能减小
B.动能减小，机械能不变
C.动能增大，重力势能增大
D.动能减小，机械能减小
D
3.机械能及其转化
（1）动能、重力势能和弹性势能统称为机械能.
（2）机械能守恒：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 　保持不变　 .
保持不变
如图所示，观察滚摆的运动.
现象：滚摆在下降时，转动的速度越来越 　快　 ，在上升时，转动的速度越来越 　慢　 ；滚摆在上下往复运动过程中，上升的最大高度逐渐 　减小　 .
快
慢
减小
结论：滚摆在下降的过程中， 　重力势　 能转化为 　动　 能，在上升过程中， 　动　 能转化为 　重力势　 能；滚摆上升的最大高度逐渐减小，说明滚摆具有的机械能在逐渐 　减小　 .
重力势
动
动
重力势
减小
练2　如图所示，用绳子把一块橡皮悬挂起来，把橡皮贴近自己的鼻子，稳定后松手，头保持不动，橡皮向前摆去又摆回来，不会碰到鼻子.下列说法正确的是（　C　）
C
A.橡皮在摆动的过程中机械能保持不变
B.橡皮摆动到最低点时动能最小
C.橡皮在下降过程中，重力势能转化为动能
D.橡皮在上升过程中，重力势能转化为动能
实验一　 探究物体的动能与哪些因素有关
【实验方法】控制变量法、转换法.
【实验装置】
【设计与进行实验】
1.实验通过观察 　木块移动的距离　 反映钢球动能的大小，这运用了 　转换　 法.
2.甲、乙两次实验，是为了探究动能大小与 　质量　 的关系.让钢球从相同高度由静止释放，是为了控制钢球到达水平面的 　速度相同　 ，这运用了 　控制变量　 法.
3. 　甲、丙　 两次实验是为了探究动能大小与速度的关系.
4.由图可知， 　乙　 实验中钢球的动能最大.
木块移动的距离
转换
质量
速度相同
控制变量
甲、丙
乙
【实验结论】物体动能的大小与物体的 　质量　 和 　速度　 有关.质量相同的物体，运动速度越大，它的动能越 　大　 ；运动速度相同的物体，质量越大，它的动能越 　大　 .
质量
速度
大
大
【分析、交流与反思】
5.钢球从斜面下滑的过程中 　重力势　 能转化为 　动　 能和 　内　 能；钢球在水平面运动的过程中 　动　 能转化为 　内　 能.
6.钢球到达水平面上不能立即停下，是因为 　钢球具有惯性　 ；木块在水平面上最终会停下来是因为 　受到摩擦力（或阻力）　 .
7.如图甲、乙，木块移动过程中受到的摩擦力分别为f1、f2，克服摩擦力做的功分别为W1、W2，则f1 　＝　 f2，W1 　＜　 W2.（均选填“＞”“＝”或“＜”）
重力势
动
内
动
内
钢球具有惯性
受到摩擦力（或阻力）
＝
＜
8.若木板绝对光滑，则 　不能　 （选填“仍能”或“不能”）完成该实验，因为 　木块不受阻力，将做匀速直线运动　 .
9.不能选择乙、丙两图来探究动能跟速度的关系，因为 　没有控制钢球的质量相同　 .
10.甲、乙两次实验，可以解释汽车 　超载　 （选填“超载”或“超速”）带来的安全隐患.
不能
木块不受阻力，将做匀速直线运动
没有控制钢
球的质量相同
超载
②增大钢球的质量
③减小钢球下滑的高度
④木板上铺毛巾或棉布
11.若实验中木块被推出了水平面，可采取的措施有 　①③④　 （填序号）.
①换用更长的木板
①③④
实验二　 探究物体的重力势能与哪些因素有关
【实验方法】控制变量法、转换法.
【实验装置】
【设计与进行实验】
1.实验通过观察 　小桌下陷的深度　 来判断物体重力势能的大小.这运用了转换法.
2.甲、乙两次实验，是为了探究重力势能的大小与 　高度　 的关系，结论是：当物体的 　质量　 相同时，高度越高，重力势能越 　大　 .
3. 　乙、丙　 两次实验，是为了探究重力势能的大小与质量的关系，结论是：当物体的 　高度　 相同时，质量越大，重力势能越 　大　 .
小桌下陷的深度
高度
质量
大
乙、丙
高度
大
【分析、交流与反思】
4.物体在空中下落的过程中， 　重力势　 能转化为 　动　 能.小桌在下陷的过程中， 　机械　 能转化为 　内　 能.
5.如图丁所示，质量相同的两个小球从相同高度下落，路径不同（轨道光滑），最终下陷的深度 　相同　 .由此可知重力势能的大小与路径 　无关　 .
重力势
动
机械
内
相同
无关
重难点　 机械能的转化与守恒
类型一　弹簧模型（二） 【受力与运动分析见P038】
　如图所示，质量为m的小球由静止下落，落在与A点等高处、竖直放置的轻弹簧上，到达B点时小球的重力与弹簧的弹力大小相等，图中C点是小球到达的最低点（不计空气阻力）.下列说法正确的是（　C　）
C
A.到达A点时，小球的速度最大
B.从A到B，小球减少的重力势能等于增加的动能
C.下落过程中，小球的重力势能一直减小、动能先增大后减小
D.到达C点时，小球的动能为零，小球处在平衡状态
　蹦极是一项很受年轻人喜爱的运动项目，如图是蹦极运动的简化示意图，弹性绳一端系在运动员脚上，另一端固定在跳台O点.运动员由静止开始自由下落，A点处弹性绳正好处于原长；B点处运动员受到的重力与弹性绳对运动员的拉力大小相等；C点处是运动员到达的最低点（整个过程忽略空气阻力，弹性绳的自重不计）.下列说法正确的是（　C　）
C
例2图
A.从O点到C点的过程中，运动员的机械能不变
B.从A点到B点的过程中，运动员的动能不断减小
C.运动员在B点时动能最大
D.运动员在C点时速度为0，处于平衡状态
　（多选）如图所示，在水平台面上，一轻质弹簧一端固定于竖直墙面，另一端系一小球，O点是弹簧保持原长的位置，开始时通过小球将弹簧压缩至A点，释放小球，小球向右运动至B点，下列说法正确的是（　AB　）
AB
A.小球从A到B的过程中动能先增大后减小
B.若OA＝OB，则小球从A到B的过程中，在O位置动能最大
C.若OA＞OB，则小球从A点运动至O点的过程中，动能一直增大
D.小球在运动过程中弹簧和小球总的机械能在减小
类型二　单摆模型（二）【受力与运动分析见P035】
　（多选）如图甲所示的是一简易单摆，让小球从A位置由静止释放，经过B位置到达最高点C位置，A、C两位置距离水平面的高度分别为hA和hC，且hA＞hC，下列关于小球的能量和能量转化的说法中，正确的是（　ABD　）
ABD
A.小球由A位置运动到B位置的过程中，其重力势能部分转化为动能
B.小球在B位置时，动能最大
C.小球在摆动过程中机械能保持不变
D.图中hA＞hC，说明小球在摆动过程中
机械能不守恒
拓展设问：如图乙所示，忽略空气阻力，将小球从A点释放，若小球运动到D点时绳子断裂，则小球接下来的运动轨迹与图中 　c　 （选填“a”“b”或“c”）最接近，理由： 　小球在最高点时还有动能，无法到达与左侧同样高的位置　 .
c
小球在最高点时还有动
能，无法到达与左侧同样高的位置
A.铅球在空中运动时，始终受到重力和推力的作用
B.铅球在空中运动时，具有的机械能在不断改变
C.在最高点B时，铅球的重力势能最大，动能为零
D.在落到点C时，铅球的动能最大，重力势能最小
类型三　其他类（投掷、跳动、轨道等）
　投掷出去的铅球的运动轨迹如图所示，不计空气阻力，下列分析中正确的是（　D　）
D
　打篮球是很多同学喜爱的运动项目，某次打篮球过程中，篮球的部分运动轨迹如图所示，下列说法正确的是（　C　）
A.篮球经过相同高度的B、C两点时，机械能相等
B.篮球第一次反弹后到达最高点D时，动能为0
C.篮球经过B、E两点时，动能可能相等
D.篮球在整个过程中机械能守恒
C
　2023年5月30日，中国载人航天飞船神舟十六号发射成功.如图所示，飞船在空中加速上升时的能量转化情况是（　C　）
A.飞船的动能转化为重力势能，动能减小
B.飞船的重力势能转化为动能，重力势能减小
C.燃料燃烧产生的内能转化为飞船的机械能
D.没有发生能量的转化，飞船的机械能不变
C
1.机械能内部转化情况示意图
2.在分析动能和重力势能间的转化时，一定要看清“匀速”“加速”“减速”“升高”“降低”“高处”“低处”等字眼.
3.如果物体在运动过程中受到摩擦和介质阻力等其他外力时，物体的总机械能将变化.
命题点1　机械能的转化与守恒
1.（2022毕节）2022年2月北京冬奥会顺利举办，如图是我国运动员苏翊鸣在单板滑雪男子大跳台比赛中奋力拼搏的场景.他从加速助滑到跳台腾空而起完成技术动作，落地后滑行一段进行缓冲.以下说法正确的是（　A　）
A.他在起跳前加速下滑的过程，动能增大
B.他在起跳点用力蹬地起跳后，受到平衡力
C.他起跳后在空中滑行时，重力势能保持不变
D.他落地后滑行时，看到观众向后退，是以观众为参照物
第1题图
A
2.（2018贵阳）如图所示，粗糙的弧形轨道竖直固定于水平面，一小球由A点以速度v沿轨道滚下，经另一侧等高点B后到达最高点C.下列关于小球滚动过程的分析正确的是（　C　）
A.整个过程只有重力在对小球做功
B.小球在A、B两点具有的动能相同
C.小球在A、B、C三点的速度大小关系是vA＞vB＞vC
D.小球在A点具有的机械能等于它在C点具有的重力势能
第2题图
C
3.（2018贵阳）如图所示，原长为l的轻质弹簧一端固定在竖直墙面上，另一端与水平面上的木块相连.推动木块压缩弹簧，其左端至A点时，弹簧具有的弹性势能为25J；松手后，木块在弹簧的作用下往复运动若干次后静止，此时弹簧具有的弹性势能为1J，则木块运动过程中克服阻力做的功是 　24　 J.整个运动过程中木块速度最大时其左端可能位于 　B　 （选填“B”“C”或“D”）点.
24
B
4.（2023贵州）如图甲所示，水平面AB段光滑，B点右侧粗糙，一轻质弹簧左端固定于竖直墙面.用小木块P压缩弹簧至A点由静止释放，木块离开弹簧后，动能随位置变化关系的大致图像如图乙所示.若换另一相同底面的小木块Q（mQ＞mP）将弹簧同样压缩至A点由静止释放，弹簧形变均在弹性限度内.请在同一坐标系中画出小木块Q从离开弹簧至静止的过程中，动能随位置变化关系的大致图像.
5.（2021贵阳）如图所示，斜面底端的挡板上固定一轻质弹簧，物块从A点由静止开始沿斜面自由下滑，最终在斜面上的B点保持静止.请比较这一过程中物块重力做功W1和克服摩擦力做功W2的大小关系，并从能量转化的角度说明理由.（不计空气阻力）
答：不计空气阻力，物块在下滑的过程中，重力做功，所做的功W1等于减小的重力势能；物块在下滑的过程中，会克服斜面的摩擦力做功，同时弹簧发生了弹性形变，具有弹性势能；此过程中物体的重力势能最终转化为克服摩擦力做功（W2）产生的内能和克服弹簧弹力做功产生的弹性势能，所以W1＞W2.
6.（2019贵阳）如图所示，足够高的粗糙水平桌面上静止一木块，轻质无弹性细线的一端系在木块上，另一端绕过定滑轮挂有托盘.往托盘中添加砝码后，木块向右做加速运动，在木块运动一段时间的过程中，请判断木块增加的动能E与砝码重力做的功W的大小关系，并通过完整分析阐述理由.（不计托盘质量，空气阻力、线与滑轮间的摩擦）
答：木块增加的动能E小于砝码重力做的功W.因为在往托盘中加砝码后，木块和砝码都会做加速运动，而且木块在桌面上运动时克服摩擦力做功，因而砝码重力做的功转化为木块和砝码的动能及由于摩擦产生的内能，所以木块增加的动能E小于砝码重力做的功W.
命题点2　机械能的相关实验
7.（2022贵阳）“十次事故九次快”说明汽车超速会带来危害，汽车“多拉快跑”更是追尾事故中的罪魁祸首，超速与超载严重危害了道路交通安全.小明通过实验探究货车超速与超载在追尾事故中的危害，用到的器材有：小车（模拟货车）、木块（模拟被追尾车辆）、砝码若干、坡度固定的斜面.将小车从如图甲所示的A处自由释放，小车在水平面上运动一段距离s0后停止，s0可视为刹车后运动的距离.将木块静置于小车右侧所在的位置B处，表明符合核载量并在限速内的货车不会对前车追尾.
请回答下列问题：
（1）探究货车超速的危害：如图乙所示，木块置于B处，小车由斜面顶端释放，撞击木块并与木块共同运动一段距离s1，这表明货车超速 　会　 （选填“会”或“不会”）产生追尾的危害.本实验可用木块运动的 　距离　 反映追尾的危害程度.
会
距离
（2）探究货车超载的危害：如图丙所示，木块置于B处，将砝码固定在小车上，仍从A处释放小车，观察小车的运动情况.逐次增加砝码个数重复实验，发现小车在水平面上运动的距离几乎都为s0，均未与木块撞击.小明猜想：小车每次到达斜面底端时，虽其动能随 　质量　 的逐次增大而增大，但仍未追尾，原因可能是小车此时 　速度　 还不够大.
质量
速度
（3）由（2）问中的实验看出小车超载几乎不会追尾前车，但生活中货车超载引起的追尾事故却频频发生.请你在上述实验的基础上再设计一步实验操作（木块仍置于B处），证明货车追尾前车会因超载带来危害.
①操作： 　将装有砝码的小车放在斜面顶端释放，观察木块被撞击后运动的距离　 .
将装有砝码的小车放在斜面顶端释放，观察木块被撞击后
运动的距离
②请你对可能产生的现象进行合理预设，并指出仅因超载造成追尾的危害程度在实验结果中是如何体现的？ 　若木块运动的距离比图乙中木块运动的距离更远，则木块两次运动的距离之差即可体现仅因超载带来的危害程度　 .
若木块运动的距离比图乙中
木块运动的距离更远，则木块两次运动的距离之差即可体现仅因超载
带来的危害程度

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