资源简介

(共54张PPT)
第4课 机械能及其转化
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
高速运动的子弹具有动能，能穿透钢板
高高举起的夯体具有重力势能，能打捞地基
被压弯的跳板具有弹性势能，能把运动员弹起
新课导入
观察与思考
同学们有体验过这些项目吗？大家思考一下，在运动的过程中动能和势能是怎样变化的。
01
机械能及其转化
02
水能和风能的利用
03
动手动脑学物理
机械能及其转化
机械能
1.机械能
动能、重力势能和弹性势能统称为机械能。
机械能
动能
物体由于运动而具有的能
势能
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
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重力势能，把这两种能量加在一起，就是它的总机械能。
重力势能
弹性势能
机械能
2.常见物体的机械能
高空飞行的鸟具有重力势能和动能
高空跳伞运动员具有重力势能和动能
被压弯的跳板具有弹性势能
蹦极爱好者下降过程中具有动能、重力势能和弹性势能
蹦床运动中有动能、重力势能和弹性势能
机械能
2.常见物体的机械能
从前面的学习，我们可以认识到能量是跟做功有密切联系的概念，能量反映了物体具有做功的本领，能量的大小可以用能够做功的多少来衡量。因此，动能、势能和机械能的单位跟功的单位相同，也是焦耳（J）。
一个空中飞行的物体具有80J的机械能，若它的重力势能为50J，则它的动能为______J；
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机械能及其转化
1.动能与势能的转化实例
物体从高处下落，物体的重力势能转化为动能。
弯弓射箭，弓的弹性势能转化为箭的动能。
蹦床运动员将要与蹦床接触时，具有一定的动能，与蹦床接触后，床面发生弹性形变，运动员的动能转化为蹦床的弹性势能
机械能及其转化
2.动能与势能转化实验
观察单摆在摆动运动过程中动能与势能是如何变化的
用细线把一小球悬挂起来，将小球从位置B拉到位置A，松手释放小球，观察小球在位置A→B→C过程中，高度和速度变化，并分析其动能和势能的变化情况。
实验内容
实验步骤
机械能及其转化
2.动能与势能转化实验
实验步骤
运动过程 A→B B B→C C
动能
势能
动能和势能的转化 — —
增加
最大
减小
零
减小
最小
增加
最大
势能转化为动能
动能转化为势能
动能和势能是可以互相转化的。动能可以转化为势能，势能也可以转化为动能。
机械能及其转化
2.动能与势能转化实验
视频展示
机械能及其转化
3.滚摆
视频展示
机械能及其转化
3.滚摆
过程分析
最低点
最高点
滚摆
下降
上升
滚摆在下降时速度越来越大，上升时，速度越来越小。
机械能及其转化
3.滚摆
过程分析
最低点
最高点
滚摆
下降
上升
滚摆下降时：重力势能减小，动能增大，重力势能转化为动能。
滚摆上升时：动能减小，重力势能增大，动能转化为重力势能。
机械能及其转化
4.弹性势能与动能的转化
铁球压缩弹簧过程中，铁球的动能减小，弹簧的弹性势能增大，动能转化为弹性势能。
弹簧恢复过程中，弹簧的弹性势能减小，铁球的动能增大，弹性势能转化为动能。
机械能及其转化
5.篮球上下运动动能与势能的转化
高度减小
速度增大
重力势能减小
动能增大
转 化
（1）皮球下落
机械能及其转化
5.篮球上下运动动能与势能的转化
（2）皮球接触地面
动能减小
弹性势能增大
转 化
速度减小
形变增大
开始发生弹性形变，弹性势能逐渐增大。向下的速度变小，动能减小。这时是动能转化为弹性势能。
机械能及其转化
5.篮球上下运动动能与势能的转化
（3）皮球恢复原状过程
动能增大
弹性势能减小
转 化
形变减小
速度增大
弹性形变程度变小，向上的速度变大。
机械能及其转化
5.篮球上下运动动能与势能的转化
（4）皮球上升
高度增大
速度减小
重力势能增大
动能减小
转 化
机械能及其转化
6.小结
动能和重力势能可以相互转化
动能和弹性势能可以相互转化
动能和势能可以相互转化
动能和势能的相互转化过程中，必定有动能和势能各自变化，而且一定是此增彼减。
动能和势能的相互转化的条件：
动能的增减变化要以速度的变化来判断；重力势能的增减变化要以物体离地面高度的变化来判断；弹性势能的增减要根据形变大小的变化来判断。
机械能守恒
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。
但现实生活里，物体在运动过程中总会克服摩擦力做功，从而消耗机械能。
1.机械能守恒
动能、势能的大小会变化，它们的和是否变化呢？
机械能守恒
注意机械能守恒的条件：
只有动能和势能的相互转化，而没有机械能与其他形式的能的相互转化。【即忽略摩擦力造成的能量损失，所以机械能守恒也是一种理想化的物理模型】
“在光滑面上”、“不计空气阻力”等文字描述，表示没有摩擦阻力，此时机械能是守恒的。
机械能守恒的情况
1.机械能守恒
机械能守恒
2.生活中机械能转化实例
一、机械能不守恒的事例
人骑自行车爬坡
跳伞运动员匀速下落
升空的航天器
机械能守恒
2.生活中机械能转化实例
二、过山车
过山车运行过程中车与轨道之间有摩擦力和空气的阻力，机械能并不守恒，机械能转化为内能，不给其他动力的情况下，过山车最终能停下来。
机械能守恒
2.生活中机械能转化实例
三、人造地球卫星的机械能转化
人造地球卫星的轨道示意图
卫星在远地点时势能最大，当它从远地点向近地点运动时，势能减小，动能增大，速度也增大。
当卫星从近地点向远地点运动时，它的动能减小，势能增大，速度也减小。
许多人造地球卫星沿椭圆轨道绕地球运行。离地球最近的一点叫近地点，最远的一点叫远地点。卫星在大气层外运行，不受空气阻力，只有动能和势能的转化，因此机械能守恒。
随讲随练
1.小明从光滑的滑梯上下滑过程中，下列说法正确的是（不计空气阻力）（ ）。
A、重力势能减小，动能增加，机械能不变；
B、重力势能增加，动能减小，机械能不变；
C、重力势能增加，动能不变，机械能增加；
D、重力势能减小，动能不变，机械能减小
【解析】小明从光滑的滑梯上下滑过程中，不计空气阻力，机械能是守恒的。因为高度减小，速度增大，所以重力势能减小，动能增加。
故选A。
A　
随讲随练
2.如图所示，小明在做模拟“蹦极”“的小实验，一根橡皮筋一端系一个小石块，另一端固定在A点。B点是橡皮筋不系小石块自然下垂时下端所在的位置，C点是小石块从A点自由释放后所能达到的最低点，关于小石块从A点到C点的运动过程，下列说法中正确的是（　　）。
A．小石块在B点时的动能最大；
B．小石块在C点时的动能最大；
C．从A点下落到C点的过程中，小石块的动能一直在增大；
D．从B点下落到C点的过程中，小石块的动能先增大后减小
随讲随练
【解析】A．如图：B点是橡皮筋不系小石块自然下垂时下端所在的位置，C点是小石块从A点自由释放后所能达到的最低点，O点是橡皮筋悬挂小球静止时的点即重力和弹力相等的点。
B点是橡皮筋不系小石块自然下垂时下端所在的位置，在小石块未到达B点之前绳子没有发生形变，故从A点下落到B点的过程中，小石块只受到重力的作用，经过B点向下到重力和弹簧的弹力相等的位置（O点）的过程中，重力大于弹力，小球继续加速，所以动能继续增大，故A错误；
随讲随练
B．C点是小球达到的最低点，此时速度为零，则小球的动能为零，故B错误；
C．从A点下落到B点的过程中，小石块的重力势能转化为动能，由B到O的过程，小石块受重力和弹力的作用，橡皮筋的形变量逐渐变大，弹力逐渐变大，重力大于弹力，小石块受到的合力方向与运动方向相同，做加速运动，动能不断变大；由O到C的过程，重力小于弹力，小石块受到的合力方向与运动方向相反，做减速运动，动能不断变小，因此在由A到C的过程中，小石块的动能先增大后减小，故C错误；
D．从B点下落到C点的过程中，可看作由B到O动能不断增大和由O到C动能不断减小的叠加，故D正确；
故选D。
随讲随练
3.如图所示，小球从左侧斜面的P点由静止释放，在右侧斜面上能到达的最高位置是Q点，M、N是小球运动过程中先后通过的两个等高点，下列关于该过程的说法中正确的是（　　）。
A．小球在左侧斜面向下运动的过程中，重力势能全部转化为动能；
B．小球从P点向Q点运动的过程中，机械能保持不变；
C．小球从P点向Q点运动的过程中，所受支持力不做功；
D．小球通过M、N两点时的速度大小相等
随讲随练
【解析】A．由于最高点P和Q不等高，故机械能不守恒，存在摩擦力，故小球在左侧斜面向下运动的过程中，重力势能一部分转化为动能和内能，故A错误；
B．小球从P点向Q点运动的过程中，存在阻力，机械能减小，故B错误；
C．小球从P点向Q点运动的过程中，支持力与运动的距离是垂直的，故所受支持力不做功是正确的，故C正确；
D．由于机械能减小，M、N两点时重力势能相同，故小球通过M、N两点时的速度大小不相等，故D错误。
故选C。
风能和水能的利用
水能
动能和势能可以互相转化，在一定条件下，机械能也可以和其他形式能（如光能、风能、水能等）相互转化。
水能
自然界的瀑布、湍流、急速的河水和海浪都能做功，都具有(机械)能量。
高山流水具有水能
大海的潮汐具有水能
水流量越大，落差（上下游水位差）越大，水流能越大
水能
自然条件：
1.地形：有集水区，落差大。
2.地质：地质条件稳定。
3.气候：年降水量大（年降水量稳定更好）。
4.河流流量大。
5.河流的含沙量小（泥沙不易淤积）。
水的势能
水的动能
电能
风能
流动的风具有能量
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。
优点：不会枯竭，利用比较简单，不污染环境；
缺点：单机容量小，不稳定，变化大。
随讲随练
1.下列关于水能和风能的说法中，正确的是（ ）
A、流动的河水只有动能，没有重力势能；
B、风只具有动能，不具有重力势能；
C、利用水能和风能都可以做连续性的工作；
D、水能和风能都不会污染环境
【解析】流动的河水、风都具有动能和重力势能；利用水能和风能（不稳定）不可以做连续性的工作；
水能和风能都不会污染环境；
所以选项A、B、C均错误，D正确。
D
动手动脑学物理
过山车的能量转化
1. 分析章首图的过山车在运动过程中的能量转化情况。
【解析】过山车下降时速度越来越大，重力势能转化成动能；
上升时速度越来越小，动能转化成重力势能。
乒乓球的能量转化
2. 怎样向地板抛乒乓球，才能使它弹跳到高于原来抛球的位置 说明这种抛法的理由。
【解析】用力向下抛出乒乓球，使球抛出时具有一定的动能。
根据机械能守恒，乒乓球弹跳到原来的位置时仍有一定的动能，还能继续运动，达到最高点时重力势能等于乒乓球抛出时的重力势能与动能之和，因此能使乒乓球弹跳到高于抛出时的位置。还可以向上抛出乒乓球，理由相同。
蹦极运动的能量转化
3. 2011年蹦床世锦赛中我国运动员以优异成绩夺得金牌和奖牌总数第一。设想有一个重物从蹦床上方某点下落，经蹦床反弹后上升。请你说说这个过程中机械能是如何转化的。
【解析】物体在最高点时重力势能最大，重物下落过程中，重力势能转化为动能；
重物与蹦床接触使蹦床发生形变时，动能转化为弹性势能；蹦床恢复原状时，弹性势能转化为动能；重物离开蹦床上升过程中，动能转化为重力势能。
蹦极运动的能量转化
4. 在一个罐子的盖和底各开两个小洞。将小铁块用细绳绑在橡皮筋的中部穿入罐中，橡皮筋两端穿过小洞用竹签固定。做好后将它从不太陡的斜面滚下观察有什么出人意料的现象。怎样解释看到的现象
【解析】观察到罐子滚下斜面后会再沿斜面向上滚动。
开始时，罐子和铁块在重力作用下都将沿斜面向下运动。向下运动时，罐子滚动，铁块沿斜面向下做直线运动且相对罐子静止。由于罐子和橡皮筋捆绑在一起，在罐子和铁块的共同作用下，橡皮筋会被卷紧，它的弹性势能持续增加。当橡皮筋卷紧到一定程度时，整个装置的运动速度将会减小。当罐子和铁块的动能全部转化为橡皮筋的弹性势能时，整个装置处于静止状态。此时，橡皮筋要恢复原状，其弹性势能会转化为罐子的动能，所以罐子会再沿斜面向上滚动。
思维导图
课堂总结
类型1:动能与重力势能的转化
跳水运动是奥运会的正式比赛项目，我国运动员在该项目上一直处于国际领先地位。比赛中，跳水运动员腾空跳起向上运动到最高点后再向下落人水中，若不计空气阻力，在整个空中运动过程中，运动员的（ ）。
A. 动能先减小后增大，重力势能先增大后减小；
B. 动能先增大后减小，重力势能先增大后减小；
C. 动能先减小后增大，重力势能先减小后增大；
D. 动能先增大后减小，重力势能先减小后增大
归类练习
类型1:动能与重力势能的转化
【解析】（1）不计空气阻力，机械能守恒；
（2）跳水运动员从腾空跳起向上运动后再向下落入水中，整个过程质量不变，高度先增大后减小，重力势能先增大后减小；
（3）跳水运动员从腾空跳起向上运动后再向下落入水中，质量不变，速度先减小再增大，所以动能先减小后增大。
故选：A。
类型2:动能与弹性势能的转化
如图，弹簧的左端固定，右端连接一个小球，把它们套在光滑的水平杆上，a是压缩弹簧后小球静止释放的位置，b是弹簧原长时小球的位置，c是小球到达最右端的位置。则小球从a运动到c的过程中，在______（选填“a”、“b”或“c”）位置动能最大；从b到c的过程中，小球的动能转化为弹簧的______，小球从a运动到b的过程机械能总量______（选填“变大”、“变小”或“不变”）。
类型2:动能与弹性势能的转化
【解析】[1][2][3]由题意可知，小球从a运动到b的过程中，弹簧的形变程度减小，其弹性势能减小，小球的速度变大，动能变大，弹簧的弹性势能转化为小球的动能，而小球的重力势能不变，水平杆是光滑的，整个过程不需要克服摩擦做功，所以机械能总量不变；
到达b点时，弹簧恢复原状，不计摩擦阻力，其弹性势能全部转化为小球的动能；
再从b运动到c时，弹簧被拉伸，小球的动能再逐渐转化为弹簧的弹性势能，小球的动能会变小。因此，在b点时小球的动能最大。
【答案】b；弹性势能；不变。
类型3:动能、重力势能与弹性势能的转化
如图甲所示，轻弹簧竖直固定在水平面上，时刻，将一重为G的金属小球从弹簧正上方某一髙度处静止释放，小球落到弹簧上压缩弹簧到最低点，然后被弹簧弹起，上升到一定高度后再下落，如此反复，通过安装在弹簧下端的压力传感器，测出这一过程弹簧弹力F随时间t变化的图象如图乙所示，则（　　）。
A．时刻小球的动能最大；
B．时刻小球的重力势能最大；
C．时刻小球的机械能等于时刻小球的机械能；
D．从开始下落到第一次到达最低点，小球内能的增加量小于这两个时刻小球机械能的减少量
类型3:动能、重力势能与弹性势能的转化
【解析】AB．t1时刻小球刚与弹簧接触，与弹簧接触后，开始一段时间内弹力小于重力，则小球仍然向下做加速运动，其动能变大，刚释放时高度最高，重力势能最大，故AB不符合题意；
C．t2时刻弹簧具有弹性势能，t1时刻弹簧没有弹簧弹性势能，所以小球机械能变小，故C不符合题意；
D．从开始下落到第一次到达最低点，这两个时刻小球机械能的减少量等于弹簧弹性势能增加量和小球内能增加量，故小球内能的增加量小于这两个时刻小球机械能的减少量，故D符合题意。
故选D。
类型4:对机械能守恒的理解
如图所示，2021年6月17日搭载聂海胜、刘伯明和汤洪波三名航天员的神舟十二号飞船加速升空时的情景，下列说法正确的是（　　）。
A．火箭的重力势能变大，动能变大，机械能不变；
B．火箭的重力势能变大，动能减小，机械能不变；
C．火箭的重力势能变大，动能变大，机械能变大；
D．火箭的重力势能变大，动能减小，机械能减小
类型4:对机械能守恒的理解
【解析】ABCD．物体的动能与物体的运动速度和质量有关：速度越大、质量越大，动能就越大。火箭加速上升时，质量不变，速度变大，所以动能变大；
物体的重力势能与物体的高度和质量有关：高度越高、质量越大，重力势能越大。火箭升空，质量不变，高度变大，重力势能变大。物体的机械能等于动能与势能之和，动能和势能都变大，所以机械能变大。故ABD错误，C正确。
故选C。
完成教材上的课后习题

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