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第3课 动能和势能
第十一章 功和机械能
01
02
03
新课导入
课堂讲解
课堂总结
04
归类练习
知识回顾
二、功的大小
力学中规定：功等于力与物体在力的方向上移动的距离的乘积。
功＝力×距离
W = Fs
三、功的公式
一、力对物体做功的两个必要因素
一是有力作用在物体上；二是物体在这个力的方向上移动了距离。
人的推力的功：W = Fs
重力G
h
人爬楼梯，要克服自己的重力做功，功的大小等于人的重力G乘以楼梯的竖直高度h。W=Gh
观察与思考
穿甲弹能穿透十层钢板
巨大的水流能带动轮机发电
飞鸟撞击有时会机毁人亡
1.穿甲弹飞行速度越快，穿透钢板越多；
2.水的流速越大发出的电越多；
3.小鸟撞击飞机时速度越快，飞机损坏越严重。
穿甲弹、流动的水、小鸟都对物体做了功，我们说这些物体具有“能量”。它们的速度越大，能量越高。
上面现象是由于物体运动而具有的能量，我们称之为动能；物体的动能具有哪些特点呢？
观察与思考
例子：高山上的石头、举高的铁锤、从高楼扔下的物体……
物体由于被举高而具有的能量，叫重力势能。
打桩机工作时，高高举起的重锤落下时，可以把桩打入地里，重锤对桩做了功。
这说明高处的重锤具有能量。
当心吊物　　　　 当心落物　　 必须戴安全帽
01
动能
02
势能
03
动手动脑学物理
动能
能量
1.湍急的流水能推动水车
2.高速运动的子弹能击穿靶体
3.飓风能吹倒大树
4.泥石流摧毁房屋……
能量
流水、子弹、飓风、泥石流都做了功。
物体能够对外做功，我们就说这个物体具有能量，简称能。
一个物体能够做的功越多，表示这个物体的能量越大。
能量的单位与功的单位相同，也是焦耳（J）。
动能
1.动能
物体由于运动而具有的能量。
吹动的柳枝具有动能
转动的风车具有动能
转动的水轮具有动能
请大家举出生活中利用动能的例子
动能
师生互动
一切运动的物体都具有动能。
动能
1.动能
物体动能的大小跟哪些因素有关呢？
提出问题
表明保龄球具有能量。
动能
2.探究物体的动能大小跟哪些因素有关
实验猜想
子弹的速度越大，做功越多
一、子弹的速度越大，杀伤力越大，我们猜想动能大小可能与物体运动速度有关；
锤头的质量越大，做功越多
二、锤头的质量越大，越容易把石头击碎，我们猜想动能大小可能与物体的质量有关
动能
2.探究物体的动能大小跟哪些因素有关
实验设计
B被推得越远，A对B做的功就越多，A的动能也就越大。
钢球从高为h的斜槽上滚下，在水平面上运动。运动的钢球A碰上物体B后，能将B推动一段距离。
动能
2.探究物体的动能大小跟哪些因素有关
实验方法
一、控制变量法
在探究动能大小可能与物体运动速度、物体质量有关时，每次实验这两个变量只能变化一个。
（1）探究动能大小与速度关系时，控制质量不变，改变速度的方法：
同一小球从不同高度滚下。
（2）探究动能大小与质量关系时，控制速度不变，改变质量的方法：
质量不同的小球从同一高度滚下。
动能
2.探究物体的动能大小跟哪些因素有关
实验方法
二、转换法
通过被撞物体运动的距离s来反映动能的大小
动能较大
动能较小
动能
2.探究物体的动能大小跟哪些因素有关
实验过程
操作：让同一小球从不同高度自由滚下
一、探究动能大小与速度的关系
动能
2.探究物体的动能大小跟哪些因素有关
实验过程
一、探究动能大小与速度的关系
实验表格
实验序号 到达水面的速度/(m/s) 小球质量/kg 木块被推出的距离/m
1
2
3
…
动能
2.探究物体的动能大小跟哪些因素有关
实验过程
现象：第一次木块B被撞移动的距离较远。
一、探究动能大小与速度的关系
现象分析：同一小球从高处自由滚下，高度h 越高，运动到水平面时的速度越大，做功越多，动能越大。
实验结论：质量相同时，物体的速度越大，动能越大。
动能
2.探究物体的动能大小跟哪些因素有关
实验过程
操作：质量不等的小球从同一高度滚下
二、探究动能大小与质量的关系
动能
2.探究物体的动能大小跟哪些因素有关
实验过程
二、探究动能大小与质量的关系
实验序号 小球释放的高度/m 到达水平面速度/(m/s) 木块被推出的距离/m
1
2
3
…
步骤二实验表格
动能
2.探究物体的动能大小跟哪些因素有关
实验过程
现象：第一次木块B被撞移动的距离较远。
二、探究动能大小与质量的关系
现象分析：质量不同的小球从从同一高度滑下，运动到水平面时的速度相等，质量越大的球做功越多，动能越大。
实验结论：速度相同时，物体的质量越大，动能越大。
动能
2.探究物体的动能大小跟哪些因素有关
二、探究动能大小与质量的关系
动能
2.探究物体的动能大小跟哪些因素有关
实验结论
物体动能的大小跟速度、质量有关。
质量相同的物体，运动的速度越大，它的动能越大；
运动速度相同的物体，质量越大，它的动能也越大。
动能
2.探究物体的动能大小跟哪些因素有关
师生互动
提出问题：1.为什么要对机动车的行驶速度进行限制？
2.为什么在同样的道路，对不同的车型限制的车速不一样？
（1）同一物体，速度越大，动能越大，危险性越大。
（2）车型不同，车的质量大小就不同。如果车的速度相同，质量越大，动能就越大，危险性就越大。所以，大客车的限速要比小轿车的限速低。
随讲随练
1.下列关于功和能的关系的说法中，正确的是（ ）。
A. 一个物体没有做功，它一定不具有能量；
B. 一个物体能够做的功越多，其动能一定越大；
C. 一个物体具有能量，说明它正在做功；
D. 一个物体能够做功，说明它具有能量
【解析】A、一个物体没有做功，可能具有能量。例如：静止在高处的苹果具有重力势能。此选项错误；
B、物体能够做功，表示这个物体具有能量，能够做功越多，说明该物体具有的能量就越大，并不一定是动能越大，也有可能是重力势能，或其他形式的能。此选项错误；
C、一个物体具有能量，说明它具有做功本领，但物体不一定做功。此选项错误；
D、一个物体能够做功，具有做功的本领，说明它一定具有能。此选项正确。 故选：D。
D　
随讲随练
2.判断下列物体动能的变化情况：
①一辆汽车加速运动，它的动能 。
②火车进站时做减速运动，它的动能 ；停止后，它的动能等于 。
③一辆洒水车在马路上匀速前进并洒水，它的动能 。
④汽车空载和满载时以相同速度前进： 时动能大。
⑤某同学慢跑和快跑： 时动能大。
【解析】根据影响动能大小的因素判断：
物体动能的大小跟速度、质量有关，质量相同的物体，运动的速度越大，它的动能越大；运动速度相同的物体，质量越大，它的动能也越大。
变大　
减小　
0　
减小　
满载　
快跑　
随讲随练
3.兴趣小组的同学认为车祸的危害程度与汽车的动能大小有关，于是他们进行了如下探究：
【提出问题】汽车的动能大小跟什么因素有关？
【猜想假设】由“十次车祸九次快”可猜想：汽车的动能可能跟 ______ 有关；由“安全驾驶莫超载”可猜想：汽车的动能可能跟 ______ 有关。
【进行实验】他们做了如图所示的三次实验：用金属球模拟汽车，让金属球从斜槽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 ______ 。
【分析论证】分析甲、丙两图的实验现象，
可以初步得到的结论是：______ 。
【实践应用】用甲、乙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。
速度　
质量　
大　
超载　
质量一定时，物体的速度越大，动能越大　
随讲随练
【解析】 “十次车祸九次快”指的是汽车的动能与速度有关，“安全驾驶莫超载”指的是汽车的动能与质量有关；
物块被撞击得越远，说明物块在水平面做的功越多，那么金属球到达水平面时的动能就越大。
分析甲、丙两图可知，此时物体的质量相等，到达水平面的速度不同，甲图小球到达水平面的速度越大，物体被撞击得更远，说明质量一定时，物体的速度越大，动能越大。
分析甲、乙两图可知，此时物体的质量不相等，初始速度相同，甲图小球的质量越大，物体被撞击得更远，可以解释汽车超载行驶时危险性大的原因。
物体的动能跟物体的速度和质量有关，在实验过程中，通过观察物体被小球撞击的距离来判断小球动能的大小。
势能
重力势能
1.重力势能
例子：高山上的石头、举高的铁锤、从高楼扔下的物体……
物体由于被举高而具有的能量，叫重力势能。
打桩机工作时，高高举起的重锤落下时，可以把桩打入地里，重锤对桩做了功。
这说明高处的重锤具有能量。
提出问题
影响重力势能大小的因素有哪些？
重力势能
2.探究影响重力势能大小的因素
实验猜想
一、打夯机的质量越大，做功本领越强，我们猜想重力势能的大小可能与物体质量有关；
二、打夯机离开地面的高度越高，做功本领越强，我们猜想重力势能大小可能与物体的高度有关
探究影响重力势能大小的因素
2.探究影响重力势能大小的因素
实验设计
如图所示，让物体由某一高度从静止下落到小桌面上，观察桌腿在沙坑下陷的深度。深度越大，物体做功越多，重力势能就越大。
2.探究影响重力势能大小的因素
实验方法
控制变量法、转换法。
实验过程
操作：让质量不同的物体分别从同一高度由静止开始下落，观察桌腿在沙坑下陷的深度。
一、探究重力势能大小与质量的关系
实验现象与分析：质量不同的物体从同一高度下落时，质量越大，桌腿在沙坑下陷的深度越大。表明所具有的重力势能越大。
实验结论：高度相同时，物体的质量越大，重力势能越大。
探究影响重力势能大小的因素
2.探究影响重力势能大小的因素
实验过程
操作：让同一物体分别从不同的高度由静止开始下落，观察桌腿在沙坑下陷的深度。
二、探究重力势能的大小与物体高度的关系
实验现象与分析：同一物体从比较高的位置下落时，桌腿在沙坑下陷的深度越大。表明物体所具有的重力势能越大。
实验结论：质量相等的物体，高度越高，重力势能越大。
探究影响重力势能大小的因素
3.视频小结
师生互动
探究影响重力势能大小的因素
在建筑工地上，常常看到以下的指示牌，知道这些安全警示牌表示什么含义？
防止高空物体的下落，可见高空坠物非常危险，为什么会危险呢？
因为处于高空的物体具有很大的重力势能，一旦下落后，做的功也多，对人的伤害更大。
当心吊物　　　　 当心落物　　 必须戴安全帽
1.弹性势能
弹性势能
上紧的发条
被压弯的跳板
被拉弯的弓
物体由于发生弹性形变而具有的能量，叫弹性势能。
发生形变的物体在恢复形变时可以做功，它们也具有能量。
2.弹性势能的大小
弹性势能
物体的弹性形变越大。同一物体，它具有的弹性势能就越大。
如图所示，在射箭比赛中，会发现弓的形变程度越大，箭射得越远。表明弓具有的弹性势能越大。可见弓的弹性势能与弹性形变程度有关。
动能和势能的比较
异同点 动能 势能 重力势能 弹性势能
形成原因 物体由于运动而具有的能量 物体由于被举高而具有的能量 物体由于发生弹性形变而具有的能量
相同点 都是能量的一种具体形式,都具有做功的本领
决定因素 质量和速度 　质量和高度　 弹性形变程度、材料
随讲随练
1.新冠病毒疫情防控期间，许多城市的环卫喷雾洒水车变身成消毒杀菌车，对道路喷洒消毒药水。在此过程中，消毒杀菌车在水平地面上匀速运动，则消毒杀菌车整体的（ ）。
A．动能不变，重力势能变小 B．动能变小，重力势能变小
C．动能不变，重力势能不变 D．动能变小，重力势能不变
【解析】消毒杀菌车对主次干道喷酒消毒药水，车的质量减小，速度不变，动能减小；
高度不变，质量变小，重力势能变小。
故选B。
B
随讲随练
2.如图跳水运动员跳水过程中，被压弯的跳板具有___________，而将运动员弹起一定的高度，此时运动员具有___________，跳入水中而溅起水花。
【解析】[1]压弯的跳板发生了弹性形变，且它能把运动员弹起，则说明被压弯的跳板具有弹性势能。
[2]重力势能的大小与质量和高度有关，当运动员弹起一定的高度时，运动员具有重力势能。
弹性势能
重力势能
随讲随练
3.某同学在体育活动中，从铅球下落陷入沙坑的深度情况猜想到：物体的重力势能可能与物体的质量、下落高度和运动路径有关。于是设计了如图所示的实验：用大小、形状相同的A、B、C、D四个铅球，其中A、C、D三球的质量为m，B求质量为2m，让A、B两球从距沙表面高H静止下落，C球从距沙表面高2H静止下落，D球从距沙表面高2H的光滑弯曲管道上端静止滑入，最后从管道下端竖直地落下（球在光滑管道中运动的能量损失不计）实验测得A、B两球陷入沙深度分 别为h1和h2，C、D两球陷入沙深度均为h3，且h1随讲随练
（1）本实验中，铅球的重力势能大小是通过 ______ 来反映的；
（2）比较A、B两球，发现B球陷入沙深度更大，由此可得出结：当下落高度一定时， ______ ；
（3）比较 ______ 两球，发现C球陷入沙深度更大，由此可得出结论：当物体质量相同时，下落的高度越高，物体的重力势能越大；
（4）比较C、D两球，发现两球运动的路径不同，但陷入沙深度相同，由此可得出结论：物体的重力势能与物体运动的路径 ______ （选填：“有关”或“无关”）。
（5）小球在下列过程陷入沙面前，将重力势能转化为动能，陷入沙中后到小球静止过程中，将机械能转化为 ______ 能。
随讲随练
【解析】（1）本实验中，铅球的重力势能大小是通过球陷入沙中的深度来反映；
（2）比较A、B两球，下落高度和运动路径相同，B球质量大于A球质量，发现B球陷入沙深度更大，由此可得出结论：当下落高度一定时，物体的质量越大，重力势能越大；
（3）比较A、C两球，C球陷入沙深度更大，比较知，C球下落的高度最大，要研究重力势能与高度的关系，需要保持球的质量一定，所以选择的是A、C两球；
（4）比较C、D两球，两球的质量相同，下落高度也相同，两球的运动路径不同，发现两球运动的路径不同，但陷入沙深度相同，由此可得出结论：物体的重力势能与物体运动的路径无关；
（5）球在下落过程中，高度减小，速度增大，所以将重力势能转化为动能；当球陷入沙中，与沙子摩擦，最终静止，将机械能转化为内能。
故答案为：（1）球陷入沙中的深度；（2）量越大，重力势能越大；（3）A、C；（4）无关；（5）内。
动手动脑学物理
骑车时速度不能太快
1. 请你从能量的角度解释，为什么骑自行车时速度不能太快
【解析】
质量一定时，自行车速度越大动能越大，刹车时（克服阻力）做功多；
根据公式W=Fs可知，在刹车阻力相同时，刹车需要的距离就越长，车越不容易停下来，易发生危险，所以骑车不能太快。
认识各种能量
2. 请你判断下列物体具有哪种形式的能量:
(1)在水平公路上行驶的汽车;
(2)悬挂在天花板上的吊灯;
(3)在空中飞行的飞机；
(4)被拉开的弹弓。
【解析】（1）汽车在运动，具有动能。
（2）吊灯在高处，具有重力势能。
（3）“在空中”“飞行”分别说明飞机具有重力势能和动能。
（4）拉开的弹弓发生了弹性形变，具有弹性势能。
高空抛物非常危险
3. 阅读图11.3的剪报。用物理知识解释：为什么此时的馒头能把人砸伤
【解析】扔出的馒头由于具有惯性，与火车运动的速度相同，速度越大，动能越大，所以能把人砸伤。
速度对物体动能影响更大
4. 物体的质量和它的速度都能影响物体的动能。请你研究本节小资料“一些物体的动能”提供的数据，质量与速度相比，哪个因素对物体的动能影响更大
【解析】从一些资料可以看知：行走的牛，尽管质量很大，约是子弹的105倍，但速度较慢，动能并不大；飞行的子弹，尽管质量不大，但速度很大，约是牛的103倍。
可见速度对动能的影响比质量对动能的影响要大。
水的重力势能与什么有关
5. 拦河大坝使上游的水位升高，提高水的重力势能。水从大坝的上游流下时冲击水轮机发电，水的势能最终转化为电能。
瑞士的大笛克桑斯大坝高285m，我国葛洲坝水电站的拦河坝高70m。有人说前者水的重力势能比后者的大，能够这样简单地得出结论吗 为什么
【解析】水库中水的重力势能大小与水的质量和高度有关，虽然大笛克桑斯大坝比葛洲坝拦河坝高，但我们并不知道水库中水量的多少，所以不能简单地得出结论。
思维导图
类型1:功和能的关系
下列关于功和能的关系的说法中，正确的是（ ）。
A. 一个物体没有做功，它一定不具有能量；
B. 一个物体能够做的功越多，其动能一定越大；
C. 一个物体具有能量，说明它正在做功；
D. 一个物体能够做功，说明它具有能量
类型1:功和能的关系
【解析】A、一个物体没有做功，可能具有能量。例如：静止在高处的苹果具有重力势能。此选项错误；
B、物体能够做功，表示这个物体具有能量，能够做功越多，说明该物体具有的能量就越大，并不一定是动能越大，也有可能是重力势能，或其他形式的能。此选项错误；C、一个物体具有能量，说明它具有做功本领，但物体不一定做功。此选项错误；
D、一个物体能够做功，具有做功的本领，说明它一定具有能。此选项正确。
故选：D。
类型2:动能与势能的大小
一个实心小球从高处竖直下落到地面的过程中，下列叙述中正确的是（ ）。
A. 小球的动能增大，重力势能减小；
B. 小球的动能减小，重力势能增大；
C. 小球的动能不变，重力势能减小；
D. 小球的动能增大，重力势能不变
类型2:动能与势能的大小
【解析】 一个实心小球从高处竖直下落到地面的过程中，质量不变，高度减小，重力势能减小，速度增大，动能增大，重力势能转化为动能。故A正确，BCD错误。
故选：A。
类型3:探究动能大小的影响因素
兴趣小组的同学认为车祸的危害程度与汽车的动能大小有关，于是他们进行了如下探究：
【提出问题】汽车的动能大小跟什么因素有关？
【猜想假设】由“十次车祸九次快”可猜想：汽车的动能可能跟 ______ 有关；由“安全驾驶莫超载”可猜想：汽车的动能可能跟 ______ 有关。
【进行实验】他们做了如图所示的三次实验：用金属球模拟汽车，让金属球从斜槽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 ______ 。
【分析论证】分析甲、丙两图的实验现象，
可以初步得到的结论是：______ 。
【实践应用】用甲、乙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。
类型3:探究动能大小的影响因素
【解析】 “十次车祸九次快”指的是汽车的动能与速度有关，“安全驾驶莫超载”指的是汽车的动能与质量有关；
物块被撞击得越远，说明物块在水平面做的功越多，那么金属球到达水平面时的动能就越大。
分析甲、丙两图可知，此时物体的质量相等，到达水平面的速度不同，甲图小球到达水平面的速度越大，物体被撞击得更远，说明质量一定时，物体的速度越大，动能越大。
分析甲、乙两图可知，此时物体的质量不相等，初始速度相同，甲图小球的质量越大，物体被撞击得更远，可以解释汽车超载行驶时危险性大的原因。
物体的动能跟物体的速度和质量有关，在实验过程中，通过观察物体被小球撞击的距离来判断小球动能的大小。
【答案】速度；质量；大；质量一定时，物体的速度越大，动能越大；超载。
类型4:探究重力势能大小的影响因素
用“模拟打桩”来探究物体重力势能的大小与哪些因素有关，物体的质量m1=m3类型4:探究重力势能大小的影响因素
【解析】[1]物体下落过程中，物体的重力势能转化为动能，物体的重力势能越大，对木桩做功越多，木桩陷入沙坑越深。
[2]比较A、B可知，两个物体所处的高度相同，由题中条件可知，m1[3]要知道物体重力势能的大小与物体被举的高度有关，需要物体被举的高度不同，木桩进入沙中的深度不同，其他相同，观察A、B、C可知，A、C和B、C，物体被举的高度不同，但是B、C木桩进入沙中的深度相同，B、C不符合，而A、C木桩进入沙中的深度不同，A、C中物体重力势能大小不同，A、C中物体的质量m1=m3，质量相同，可以知道物体重力势能的大小与物体被举的高度有关。
【答案】多；质量；A、C。
完成教材上的课后习题

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