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第三节 动能和势能
第十章 　功与机械能
知1－讲
感悟新知
知识点
能量
1
感悟新知
1. 定义 物理学中，如果一个物体能够对其他物体做功，我们就说这个物体具有能量，简称能。
知1－讲
感悟新知
知1－讲
方法点拨
转换法理解能
一个物体是否具有能量和具有能量的多少，是不能直接观察或测量的。
通过转换法，我们利用物体能对外做功的多少，来反映或测量物体具有能量的多少。
感悟新知
2. 理解
(1) 有无能量的判断：根据物体能否对别的物体做功，判断物体是否具有能量；若物体 A 能对别的物体做功，则物体 A具有能量。
(2)能量多少的判断：物体能够对别的物体做的功越多，则该物体具有的能量越多。
(3)能量的单位：与功的单位相同，都是焦耳(J)。
深入思考 功和能有什么区别？
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感悟新知
知1－讲
深度理解
功是一个力对物体作用过程中取得成效的物理量，是相对于一个过程而言的，是一个过程量。能量是描述一个物体做功本领的物理量，是一个状态量。
知1－练
感悟新知
关于功和能的关系，下列说法中正确的是( )
A. 具有能的物体一定正在做功
B. 物体具有的能越多，它做的功就越多
C. 物体做的功越多，它具有的能越多
D. 物体能够对外做的功越多，它具有的能越多
例1
知1－练
感悟新知
解析： 具有能量的物体不一定在做功；物体能够对外做的功越多，物体具有的能量越多。
解题秘方：一个物体具有能量，说明它具有做功的本领，但该物体不一定在做功。
答案：D
知1－练
感悟新知
1.下列关于能量的说法正确的是( )
A． 做功的物体 具有能量，不做功的物体没有能量
B． 具有能量的物体，一定正在做功
C． 具有能量的物体，一定能够对外做功
D． 没有做功的物体，一定不具有能量
C
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知2－讲
知识点
动能
2
1. 定义 物体由于运动而具有的能量，叫做动能。
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感悟新知
深度理解
“物体由于运动” 和“运动的物体”含义不同，叙述动能的定义时，不能说成运动的物体具有的能叫动能，因为运动的物体除了具有动能外，还可能具有其他形式的能。
深入思考 能否将“物体由于运动具有的能”说成“运动物
体具有的能”？
感悟新知
知2－讲
2. 探究动能的大小与哪些因素有关
(1) 猜想： 物体动能大小与物体的质量和速度有关。
(2) 实验设计：
利用如图 1 所示的装置探究物体动能大小与物体的质量和
速度的关系，让钢球由静止沿斜面向下运动撞击木块，根据木块被钢球撞击后运动的距离来判断钢球动能的大小。
感悟新知
知2－讲
①转换法： 用木块运动的距离 s 来反映钢球动能的大小。
②控制变量法：
探究动能大小跟物体速度的关系时，控制钢球的质量不变，改变钢球到达水平面的速度；
探究动能大小跟物体质量的关系时，控制钢球到达水平面的速度不变，更换不同质量的钢球。
知2－讲
感悟新知
实验点拨
(1)研究对象： 钢球的动能大小。
(2)观察对象： 木块运动的距离。
(3)探究动能大小影响因素的方法：
①改变物体的质量：更换质量不同的钢球。
②改变物体的速度：改变钢球下滑的高度。切记，改变钢球下滑的高度，是为了改变钢球到达斜面底端的速度，所以探究的是动能大小与速度的关系，而不是动能大小与高度的关系。
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(3) 实验过程及现象分析： m B>m A、 h 2>h 1。
(4) 实验结论： 物体的动能与物体的质量和速度有关。质量相同时，速度越大的物体具有的动能越大。速度相同时，质量越大的物体具有的动能越大。
知2－讲
感悟新知
特别提醒
若木块滑出水平面，就无法判断钢球动能的大小，所以需要防止木块滑出水平面，方法如下：
(1)选用比较粗糙的水平面。
(2)选用质量较小的钢球。
(3)使钢球下滑的高度较低。
感悟新知
知2－练
为探究物体动能的大小与哪些因素有关，某实验小组利用斜面、质量不同的小钢球、木块等器材进行了如图 2 所示的实验。
例2
知2－练
感悟新知
解题秘方：问题(1)应结合转换法 分析，问题(2)应根据控制变量法解答。
知2－练
感悟新知
解析： （1）实验中通过钢球撞击木块，观察木块移动的距离，这个过程，是钢球具有动能，能对木块做功，通过木块移动的距离反映钢球动能的大小，所以研究的是钢球在碰撞时
的动能大小。（2）图甲和图乙中，让质量不同的钢球从相同斜面的相同高度由静止释放的目的是使两钢球到达水平面时的速度相同，所以探究的是物体动能大小与物体质量的关系。图乙中，钢球的质量较大，撞击木块后木块移动的距离较远，说明速度相同时，物体的质量越大，动能越大。
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(1)本实验是研究______（填“钢球”或“木块”）在碰撞时的动能大小。实验中动能大小由 _______________来判断。
(2)通过比较甲、乙两图实验，可探究物体动能大小与物
体 ______的关系。两次实验，让小钢球从斜面的同一高度自由滚下，目的是使小球滚到斜面底端时具有相同的______ 。根据甲、乙两次实验现象，可以得出的结论是 _____________________________________ 。
钢球
木块移动的距离
质量
速度
速度相同时，物体的质量越大，动能越大
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解析：（3）要得出“超速” 造成的安全隐患，则探究中钢球的速度要发生改变，根据控制
变量法，钢球的质量应不变，故对比图甲和图丙实验可得。（4）木块运动的速度越来越小，最终停下，运动状态发生了改变，是受到了水平面摩擦阻力的作用。（5）木块移动的距离较短，不易进行观察和比较，可能是木块受到水平面的阻力过大，运动状态改变过快造成的，所以可改变水平面的粗糙程度，用更光滑的水平面代替原来的水平面。
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知2－练
(3)实验后，同学们联想到在许多交通事故中，造成安全隐患的因素有汽车的“超速”与“超载”。则对比 ______两图实验，可得出“超速”造成的安全隐患。
(4)实验过程中，钢球推动木块运动的速度越来越小，最后停下来，是因为木块受到 __________的作用。
(5) 实验过程中，发现木块移动的距离较短而不易进行观察和比较。对此请你写出一条改进措施：______________________________________________ 。
甲和丙
摩擦阻力
用更光滑的水平面代替原来的水平面（合理即可）
知2－练
感悟新知
2.如图（a）所示，在“探究物体的动能跟哪些因素有关”的实验中，将不同小钢球从同一斜面不同高度由静止开始滚下，推动同一小木块向前移动一段距离后停下。据此完成甲、乙、丙所示的三次 实 验，其 中 h1=h3 ＞h2， mA=mB ＜ mC。
知2－练
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(1)小 钢 球 从 斜 面 滚下，其 动 能 大 小 是 通过_________________ (填“高度” 或“木块移动的距离”)大小来反映的，这是物理实验方法中的_________法。
(2)分析比较 _________两组实验可得出物体的动能与质量的关系。
木块移动的距离
转换　
甲、丙
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(3)跨学科 日常生活 由上 述 可 知，图(b) 中所 示 的 交 通 标 志 牌是 交 通 管 理 部 门 对不 同 车 型 设 定 的最高_________ ，它 是 根 据图 _______两组实验得到的结论而作出的规定。
速度
甲、乙
知3－讲
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知识点
势能
3
1. 重力势能
感悟新知
(1) 定义：物体由于处于一定的高度所具有的能叫做重力势能。
(2)理解：重力势能是指与物体所在位置的高度有关的能量；不能说“处于一定高度的物体具有的能就是重力势能”，因为处于一定高度的物体若运动，会同时具有动能和重力势能。
知3－讲
感悟新知
知3－讲
知识扩展
法律中的物理知识
《民法典》第一千二百五十四条规定：禁止从建筑物中抛掷物品。从建筑物中抛掷物品或者从建筑物上坠落的物品造成他人损害的，由侵权人依法承担侵权责任。
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2. 弹性势能
(1)定义：物体因发生弹性形变而具有的能叫做弹性势能。
(2)理解：弹性势能是指与弹性形变有关的能；不能说“发生弹性形变的物体具有的能就是弹性势能”，因为发生弹性形变的物体若在一定高度，会同时具有弹性势能和重力势能。
知3－讲
感悟新知
知3－讲
知识链接
对于一个物体，可能同时具有动能、重力势能和弹性势能。其中物体由于运动具有的那部分能量叫做动能；物体由于处于一定高度所具有的那部分能量叫做重力势能；物体因发生弹性形变而具有的那部分能量叫做弹性势能。
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3. 探究势能的大小与哪些因素有关
(1) 重力势能
猜想： 物体的重力势能大小与物体的质量和所处的高度有关。
实验设计： 利用如图 3 所示的装置探究物体的重力势能大小与物体的质量和所处的高度的关系，让被举高的铁块自由下落冲击小桌，比较小桌在沙子中下陷的深度，进而推断铁块具有的重力势能的大小。
知3－讲
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知3－讲
实验点拨
(1)研究对象： 铁块重力势能的大小。
(2)观察对象： 小桌陷入沙子的深度。
(3)探究重力势能大小影响因素的方法：
①改变物体的质量：更 换 质量不同的铁块。
②改变物体所处的高度：改变铁块距离桌面的竖直距离。
感悟新知
①转换法： 用小桌在沙子中下陷的深度来反映铁块具有的重力势能的大小。
②控制变量法： 探究重力势能大小跟物体所处的高度的关系时，控制铁块的质量相同，改变铁块被举的高度；探究重力势能大小跟物体质量的关系时，控制铁块被举的高度相同，更换不同质量的铁块。
知3－讲
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知3－讲
知识拓展
1.物体所处的高度具有相对性，所以重力势能也具有相对性。例如，放在桌面上的课本，相对于地面来说有一定的高度，具有重力势能；相对于桌面来说其高度为零，重力势能为零。
2.在没有特别说明的情况下，“高度”一般是相对于地面而言的。在初中阶段，通常把地面上的物体所具有的重力势能看成零。
3.重力势能和弹性势能可以储存，而动能不能储存。
感悟新知
实验过程及现象分析：
知3－讲
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实验探究结论： 物体所处的高度越高、质量越大，它具有的
重力势能就越大。
(2) 弹性势能
物体的弹性形变越大，具有的弹性势能就越大。
知3－讲
知3－练
感悟新知
小刚在探究“重力势能的大小与哪些因素有关”的实验时，提出了如下猜想：
猜想一：物体的重力势能与物体的质量有关；
猜想二：物体的重力势能与物体所处高度有关。
为了验证上述猜想，他利用小桌、沙子、透明的箱子、质量不同的重物进行实验。
如图 4 所示，把小桌放在平整
的沙面上，让重物从高处落下，
撞击桌面的中心部位，桌腿陷
入沙子。如图为实验过程。
例3
知3－练
感悟新知
解题秘方：对于题中的实验现象，可根据转换法分析，对于题中的实验结论，可根据控制变量法分析。
知3－练
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解析： （1）探究重力势能的大小与哪些因素有关实验中，让重物从高处落下，探究的是重物的重力势能。（2）实验中通过比较桌腿陷入沙子的深度来比较重力势能的大小，桌腿陷入沙子的深度越深，说明重物做的功越多，它具有的重力势能越大，运用了转换法。（3）根据控制变量法的思想，研究重力势能与物体所处高度的关系要控制物体质量相同，比较甲、乙两组实验，物体的质量相同，乙组实验中物体所处高度较高，桌腿陷入沙子较深，说明它的重力势能较大，可以得出：重物的质量相同时，所处高度越高，重力势能越大。
知3－练
感悟新知
(1)实验探究的是_____ （填“重物”或“小桌”）的重力势能。
(2)实验中通过比较 _____________________来判断重物重力势能的大小。
(3)观察甲和乙两组实验，可以验 证 猜想，得出结论：当物体 _________时，物体所处高度越大，重力势能越大。
重物
桌腿陷入沙子的深度
质量相同
知3－练
感悟新知
解析： 探究重力势能与物体质量的关系时，应保持物体所处的高度相同，乙和丙两组实验满足实验要求；丙组实验中重物的质量较大，桌腿陷入沙子较深，可得出结论：物体所处高度相同时，物体质量越大，重力势能越大。
知3－练
感悟新知
(4)通过比较_______ （填“甲和乙”“乙和丙”或“甲和丙”）两组实验，可得出的结论是物体所处高度相同时，物体 __________ ，重力势能越大。
乙和丙
质量越大
知3－练
感悟新知
3. 探究篮球反弹性能的强弱与哪些因素有关？
【猜想与假设】
猜想一：可能与篮球的材质有关；
猜想二：可能与篮球的__________、 _______有关。
【制订计划与设计实验】
在探究猜想一时，我们只选择材质不同、其他因素
都相同的篮球，设计了以下实验方案。
方案一：其他条件都相同，用力向下拍不同材质的篮
球，观察比较它们反弹后的高度：
充气情况
质量
知3－练
感悟新知
方案二 ：其他条件都相同，将不同材质的篮球从同一高度自由释放，观察比较它们反弹后的高度。
方案三：其他条件都相同，使不同材质的篮球反弹到
相同的高度，观察比较它们所需自由下落的高度。
【评估与交流】
(1)按照方案一探究，其不足之处是__________________________________________；
不容易控制手向下拍不同材质的篮球的力相等
知3－练
感悟新知
(2)按照方案二探究，篮球反弹后的高度越高，反弹性能就越 ______；像这种用反弹的高度来表示篮球反弹性能强弱的方法，在物理学上，我们把这种研究方法称之为__________ 。
(3)按照方案三探究，篮球所需自由下落的高度越高，反弹性能就越______。
强
转换法
弱
动能和势能
功
重力势能
能量
弹性势能
动能
势能
产生原因
影响因素

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