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第十章 机械能、内能及其转化
第一节 机械能
动能
势能
机械能及其转化
机械能守恒
“能量”是我们日常生活中经常说到的词，但能量究竟是什么？
风能吹动帆船在水面上行驶
抛出的保龄球能将前方静止的保龄瓶推向坑道
1. 能量 物体能对外做功，我们就说
这个物体具有能量，简称能。
(1)一个物体能够做的功越多，表示
这个物体具有的能量越大。
(2)能够做功是指物体具有做功的本领，不一定正在做功。物体做功的过程就是能的转化过程。
温馨提示：
功是一个过程量，能是一个状态量，无论物体有没有做功，只要物体能够对外做功或具有做功的本领，它就具有能。
知识点
动能
1
2. 动能
(1)定义: 物体由于运动具有的能。
(2)实例: 如图1 所示，空中飞行的飞机、行驶的船和奔跑的猎豹都由于运动而具有动能。
(3)影响因素: 物体质量大小、速度大小。
(4)实验探究方法：控制变量法、转换法 。
控制变量法：控制物体的质量相同，探究动能的大小与速度的关系；控制物体的速度相同，探究动能的大小与质量的关系。
[天津模拟] 在探究“物体动能的大小与哪些因素有关”
的实验中，让不同质量的铁球从斜面的同一高度由静止释放，撞击同一木块，比较木块运动的远近，如图2 所示。
例1
下列说法中正确的是( )
A. 铁球从斜面上滚下来的过程中动能一直减小
B. 这样做的目的是研究物体的动能大小与高度的关系
C. 这样做的目的是研究物体的动能大小与质量的关系
D. 这样做的目的是研究物体的动能大小与速度的关系
C
解析：本实验采用“控制变量法”和“转换法”。让不同质量的铁球从斜面的同一高度由静止释放，抓住关键词“不同质量”“同一高度”是解题的关键。铁球从斜面上滚下来的过程中，速度越来越大，动能增大，故A 错误；让不同质量的铁球从斜面同一高度由静止释放，铁球到达斜面底部时的速度相等，因此是探究动能大小与质量的关系，故B、D 错误，C 正确。
深度理解
本实验采用转换法和控制变量法。所谓“转换法”，主要是指将不可见、不易见的现象转换成可见、易见的现象；将难以测量或难以测准的物理量转换为能够测量或能够测准的物理量的方法。本实验中将不可直接测量的“动能大小”转换成可直接观察和测量的物理量“木块移动距离的远近”。
另外，通过控制铁球从斜面上由静止释放的高度来控制铁球到达斜面底部时的速度。
知识点
势能
2
1. 势能 势能包括重力势能和弹性势能。
(1)重力势能：受到重力的物体被举高后具有能，这种能叫作重力势能。被举起的铁锤和站在树上的鸟都具有重力势能。
(2)弹性势能：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。被压弯的跳板具有弹性势能。
如果物体发生了形变，但不是弹性形变，也不具有弹性势能。
易错提醒
在没有特殊指明的情况下，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，静止在高处的物体具有重力势能。比如：阳台上的花盆、高山上的石块等都具有重力势能。
2. 比较动能与势能
名称 定义 影响因素
动能 物体由于运动具有的能 质量、速度
势能 重力势能 受到重力的物体被举高后具有的能 质量、高度
弹性势能 具有弹性的物体发生弹性形变后具有的能 弹性形变的程度等
探究重力势能大小和弹性势能大小的影响因素，都用到控制变量法和转换法。
为探究重力势能的大小与什么因素有关, 小明利用带有四个铁钉的小方桌、沙箱及质量不同的重物设计并进行了如图3 所示的实验。
例2
解析：本题主要考查探究重力势能大小的影响因素的研究方法。
(1)实验中通过观察_____________________来判断物体重力势能的大小。
(2)要探究重力势能大小与高度的关系应选择图_______和图_______进行分析比较。
(3)利用图乙和图丙可探究
的问题是____________
___________________________ 。
小方桌陷入沙中的深浅
甲
乙
高度相同时，
重力势能的大小与质量的关系
小明看到运动员拉弓射箭时，弓拉得越弯，箭射得越远。小明猜想：弹性势能的大小可能与物体的弹性形变程度有关。为验证其猜想是否正确，他设计了如下实验(弹簧被压缩后未超过其弹性限度)
例3
如图4所示，将同一个弹簧压缩________(填“相同”或“不同”)的长度，将小球置于弹簧的右端，松开弹簧后小球碰到同一位置的相同木块上，通过比较________
__________，从而比较弹性势能的大小。
不同
木块移动
距离的远近
教你一招
要验证弹性势能的大小可能与物体的弹性形变程度有关，需改变弹簧的弹性形变大小，因此要将同一个弹簧压缩不同的长度；运用转换法，通过观察木块移动距离的远近来比较弹性势能的大小。
知识点
机械能及其转化
3
1. 机械能 动能与势能统称为机械能。一个物体具有的机械能总量，等于它所具有的动能与势能之和。
2. 动能与重力势能间的相互转化
(1)如图5 所示的实验中机械能间的相互转化情况：①重力势能→动能；②动能→重力势能；③重力势能→动能；④动能→重力势能。
(2)相似的实验有滚摆实验，
原理相同的实例有荡秋千。
3. 动能与弹性势能间的相互转化
(1)演示实验：如图6 所示，上发条后，体操人翻转。弹性势能转化为动能。
(2)应用实例：机械手表、蹦床等。
4. 两种势能间也可以相互转化 例如，
撑竿跳高时就利用了弹性势能转
化为重力势能。
知识拓展
在卫星从远地点向近地点运动的过程中，卫星的重力势能减少，动能增加，重力势能转化为动能；
在卫星从近地点向远地点运动的过程中，卫星的动能减少，重力势能增加，动能转化为重力势能。
[中考·益阳]“反向蹦极”是一项比蹦极更刺激的运动。
如图7 所示，弹性轻绳的上端固定在O 点，拉长后将下端固定在体验者的身上，并与固定在
地面上的扣环相连。打开扣环，人从A点
由静止释放，像火箭一样被“竖直发射”，
上升到最高位置C点，在B 点时速度最大。
例4
对此过程，下列描述正确的是( )
A. 人从A 到C 的过程中，重力势能增加，动能一直减少
B. 人从A 到B 的过程中，动能增加，重力势能减少
C. 人在B 点时动能最大
D. 弹性绳的弹性势能在B 点时最大
C
方法提示
分析动能和势能变化的一般步骤：
(1) 明确要研究的对象和所要研究的过程。
(2) 根据物体初始状态的位置、速度、形变情况，确定物体具有的动能、势能。
(3) 分析物体运动过程中质量、速度、所处的高度、弹性形变的情况，从而确定物体的动能、势能的变化情况。
解析：在“反向蹦极”的过程中，是重力势能与动能、弹性势能之间的相互转化，掌握动能、重力势能、弹性势能大小的影响因素是解题的关键。
人从A 到C 的过程中，质量不变，高度增大，重力势能增加；人在AB 段速度逐渐增大，动能逐渐变大，在BC 段速度逐渐变小，动能逐渐变小，A 项错误。人从A 到B 的过程中，质量不变、高度增大，重力势能增加，B 项错误。人的质量一定，在B 点时速度最大，动能最大，C 项正确。弹性绳在A 点时弹性形变最大，因此在A 点时弹性势能最大，D 项错误。
知识点
机械能守恒
4
1. 机械能守恒 物体的动能和势能之间是可以转化的。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，要注意以下两点:
(1)机械能守恒的条件是只有动能和势能之间的相互转化。
(2)在机械能的转化过程中，动能减少多少，势能就增加多少；反之，势能减少多少, 动能就增加多少，总能保证动能与势能的总和不变。
3. 有外力对物体做功的过程实质是能量转化的过程，功是能量转化的量度，即外力对物体做了多少功，就有多少能量发生了转化。
易错提醒
判断机械能是否变化的方法：物体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，只是在动能和势能间相互转化。
[芜湖二模] 如图8 是滑雪运动的轨道。某运动员从高处A 点由静止滑下，经过B 点到达最低点，然后到达另一侧与B 点等高的C 点时速度刚好为零。
例5
下列说法正确的是( )
A. 从A 点到O 点的过程，动能转化为重力势能
B. 从A 点到O 点的过程，动能不断增大
C. B 点和C 点的机械能相等
D. 从O 点到C 点的过程，机械能不断增加
B
解析：从A 点到O 点的过程，运动员的质量不变，高度变小，速度变大，则重力势能减小，动能增大，所以重力势能转化为动能；从O 点到C 点的过程，速度减小，动能减小，高度增大，重力势能增大。从A 点到C 点的整个运动过程中，由于运动员受到滑雪轨道的摩擦力作用，故机械能不断减小。故选B。
特别提醒
整个滑雪过程包括下滑和上升两个阶段，各阶段能量的转化过程是不同的；运动过程中人会受到轨道的阻力，机械能减小。减小的机械能等于初始位置的重力势能与终点位置的重力势能的差值。
D
1．下列说法不正确的是(　　)
A．一个物体具有能量，说明这个物体能够对外做功
B．一个物体正在对外做功，这个物体一定具有能量
C．一个物体没有对外做功，这个物体可能具有能量
D．一个物体具有能量，一定正在对外做功
2．[多选]下列物体中，具有动能的是(　　)
A．停在站台上的火车 B．风驰电掣的过山车
C．静止在地面上的足球 D．腾空而起的长征火箭
BD
【点方法】判断物体是否具有动能的方法：看物体是否运动，若运动就具有动能，否则没有动能。
3．如图所示，滚摆由低处向高处滚动时(　　)
A．重力势能减小，动能增大
B．重力势能增大，动能减小
C．重力势能不变，动能减小
D．重力势能减小，动能不变
B
4．如图所示是一种“跳跳人”玩具，用手指按压“跳跳人”，松手后，“跳跳人”会弹至一定高度，此过程中________能最终转化为________能。按压“跳跳人”的力越大，“跳跳人”弹起的高度越
高，说明弹性形变越大，弹性势能
越________。
弹性势
重力势
大
动能
重力势能
机械能守恒
弹性形变
程度大小等
机械能
质量、速度
势能
质量、速度
弹性势能

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