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人教版八年级物理（2024）下册 第十一章 功和机械能
第4节 机械能及其转化（教学设计）
【课题】第4节 机械能及其转化
【学习目标】
1.知道机械能的概念。
2.通过分析实例，知道动能和势能可以相互转化，知道如果只有动能和势能相互转化，机械能是守恒的。
3.了解水能和风能的利用是机械能转化在生活中的应用。
【学习重点】
1.动能和势能之间的相互转化规律。
2.机械能守恒的条件及机械能是否变化的判断。
【学习难点】
分析不同情境下动能、势能变化的情况，判断动能和势能转化过程中机械能是否守恒。
【实验器材】
滾摆、单摆演示器。
【新课导入】
问题：把一个铁锁用绳子悬挂起来，将铁锁拉到你的鼻子附近，稳定后松手，铁锁向前摆去。你认为铁锁摆回时会打到你的鼻子吗
【播放视频】摆动的铁球
铁球摆动过程中，铁球的运动快慢在变化，说明动能在发生变化。同时，铁球的高度也在变化，说明铁球的重力势能也在发生变化。但铁球并不会碰到你的鼻子，这是什么原因呢
【板书课题】第4节 机械能及其转化
一 机械能及其转化
1.机械能：在物理学中，把动能、重力势能和弹性势能统称为机械能。
①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，就可以得到它的总机械能。
②飞驰而下的过山车既具有动能，又具有重力势能，过山车的机械能等于动能和重力势能之和。
③一个物体既可以同时具有动能和势能，也可以只具有动能或只具有势能。
2.动能和势能的转化
①苹果下落：一个苹果从高处下落，高度变小了，它的重力势能变小了；另外，苹果的速度越来越大，说明苹果的动能变大了。这说明，苹果的重力势能转化成了它的动能。
②弯弓射箭时，弓的形变程度减小，弓的弹性势能减小；箭飞出了，箭的动能增大了。这说明，弓的弹性势能转化成了箭的动能。
③蹦床运动： 蹦床运动员从高处落下，在与蹦床床面将要接触时，具有一定的动能，与蹦床床面接触后，床面发生弹性形变，运动员的动能转化成蹦床的弹性势能。
在一定条件下，动能和势能可以相互转化。
【演示】滾摆的运动
将滚摆挂起来，捻动滚摆，使悬线缠绕在轴上，当滚摆上升到最高点后，放开手，滚摆会下降和上升。观察滚摆的运动，讨论滚摆在运动过程中动能和势能是如何转化的。
运动过程 高度 重力势能 速度 动能 能量转化
下降 减小 减小 增大 增大 重力势能转化为动能
上升 增大 增大 减小 减小 动能转化为重力势能
【结论】滚摆在滚动过程中，动能和重力势能可以相互转化。
【播放视频】滾摆的运动
【演示】单摆的运动
摆球在竖直平面内摆动，在A、C点时最高，在B点时最低。摆球的摆动可分为向下摆动段和向上摆动段。 分析小球在摆动过程中动能和势能的相互转化。
运动过程 高度 重力势能 速度 动能 能量转化
从A到B 减小 减小 增大 增大 重力势能转化为动能
从B到C 增大 增大 减小 减小 动能转化为重力势能
从C到B 减小 减小 增大 增大 重力势能转化为动能
从B到A 增大 增大 减小 减小 动能转化为重力势能
【结论】单摆在摆动过程中，动能和重力势能可以相互转化。
【播放视频】滾摆的运动
【结论】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，但动能和势能的总和不变，或者说，机械能是守恒的。
注意：
动能和势能的相互转化过程中，必定有动能和势能各自的变化，而且一定是此增彼减。
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弹性形变的变化来判断。
3. 机械能守恒
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】
在物理学中常常出现“光滑的表面”、“不计空气阻力” 、“不计摩擦”等文字描述，表示没有摩擦阻力，机械能是守恒的。
【播放视频】滾摆、单摆的运动
滾摆滚动、单摆摆动过程中受到空气阻力作用，摆要克服阻力做功消耗机械能，有一部分机械能转化为其它形式的能，摆的机械能减少。
【想想议议】
（1）摆动的铁锁并不会碰到你的鼻子的原因是什么呢
分析：铁锁向下摆动过程中重力势能转化为动能，上升过程中动能转化为重力势能。在上升和下降的过程中，铁锁受空气的摩擦阻力，克服摩擦阻力做功，一部分机械能转化为热（内能），机械能总量减少，机械能不守恒，也就是重力势能的最大值越来越小，所以摆动的高度会越来越低，不会达到（碰到）鼻尖。
（2）过山车在运动过程中的能量如何转化？
过山车①从A到B过程中，重力势能转化为动能；从B到C过程中，动能转化为重力势能；③从 C到D过程中，重力势能转化为动能。
过山车①从A到B过程中，重力势能转化为动能；从B到C过程中，动能转化为重力势能；③从 C到D过程中，重力势能转化为动能。
【课堂练习】
【例题1】(2025年四川自贡中考题)如图，“神舟十九号”返回舱打开降落伞后，在竖直匀速下落过程中，下列有关返回舱的说法正确的是【　　】
A. 重力势能减小 B. 动能增大
C. 重力势能转化为动能 D. 机械能守恒
【答案】A
【解析】“神舟十九号”返回舱打开降落伞后，在竖直匀速下落过程中，质量不变，速度不变，动能不变，高度减小，重力势能减小，重力势能没有转化为动能，机械能大小等于动能和势能之和，机械能减小，机械能不守恒。故A说法正确，BCD说法错误。选择A.
【例题2】(2025年江西南昌中考一模题）(2026年湖北黄石中考一模题）滑雪运动是一项既有趣又对身体有益的活动，图甲中滑雪者从A点出发，先后经过B、C、D、E点。图乙是滑雪者在B、C、D、E点的动能和重力势能大小的示意图。下列说法正确的是【 】
A .全过程滑雪者的动能在E点时最大
B.全过程滑雪者的重力势能一直在减小
C.B点重力势能的大小等于E点动能的大小
D.全过程滑雪者的机械能保持不变
【答案】C
【解析】由图乙可知，滑雪者的动能在C点时最大，在B时最小；滑雪者在B点的重力势能的大小等于在E点的动能的大小。
滑雪者从B到C、从D到E过程中，重力势能减小，从C到D过程中，重力势能增大。
滑雪者在C、E点的重力势能为零，机械能等于动能，在C点的机械能大于在E点的机械能。由此可知滑雪者滑行过程中机械能逐渐减小。
故A、B、D说法错误；C说法正确。选择C.
【例题3】(2025年河南洛阳嵩县期末考试题）掷实心球是中考体育抽测项目之一。如图是某同学投掷实心球的场景，若不计空气阻力，在上升过程中，实心球的重力势能_______，在下降过程中，实心球的动能______;从抛出到落地的过程中，实心球的机械能总量______(以上三空均选填“增大”、“不变”或“减小”)。
【答案】增大 增大 不变
【解析】物体的重力势能大小与物体的质量和高度有关，在实心球上升过程中，质量不变，高度增大，所以重力势能增大;
物体动能的大小与物体的质量和速度有关，实心球下降的过程中，质量不变，速度增大，所以动能增大;
因为不计空气阻力，在实心球从抛出到落地的过程中，只有动能和重力势能相互转化，没有机械能与其他形式能的转化，所以实心球的机械能总量保持不变。
【例题4】(2024年四川宜宾中考题)如图所示，人造地球卫星沿椭圆轨道绕地球运行，当卫星从近地点向远地点运动的过程中【　　】
A. 速度增大 B. 动能转化为重力势能
C. 机械能增大 D. 重力势能减小
【答案】B
【解析】卫星沿椭圆轨道绕地球运行过程中，在近地点的速度最大，在远地点所处高度最大。从近地点向远地点运动过程中，高度增大，重力势能增大，速度减小，动能减小，卫星的动能转化为重力势能；
卫星在太空中运行，只受地球的引力，不受空气阻力，只有动能和重力势能的转化，机械能总量保持不变。
故A、C、D说法错误，B说法正确。选择B.
二 水能和风能的利用
地球上，海水朝夕涨落，江河日夜奔腾；有时微风拂面，有时狂风劲吹。从能量的角度看，自然界的流水和风都是具有大量机械能的天然资源。我们的祖先很早就开始利用水能和风能了。让水流冲击水轮转动，用来汲水、磨粉；靠风力鼓起帆来推动船航行。到19 世纪，人类开始利用水能发电。
【播放视频】靠风力鼓起帆来推动船航行
人们修筑拦河坝来提高上游的水位，在坝底安装水轮机。将发电机装在水轮机的上面，并把它们的轴连接在一起，由水轮机带动发电机发电。一定量的水，上、下水位差越大，水的重力势能越大，能发出的电就越多。
风能也可以用来发电，风吹动风车，带动发电机发电。在风力资源丰富的地区，可同时安装几十台到几百台风力发电机，组成“风车田”，联网供电。
【播放视频】水能和风能的利用
【科学世界】抽水蓄能电站
【播放视频】抽水蓄能电站
生产生活中，人们用电的情况时常会发生变化。有时电力系统发出的电无法得到使用，电网又没办法储存，既造成大量的浪费，又影响供电系统的安全。
抽水蓄能电站建有上、下两座水库，两座水库互通，水流双向运行。抽水蓄能电站利用电力负荷低谷时的电能抽水至上水库，在电力负荷高峰期再放水至下水库，进行发电。这样的抽水蓄能电站可以提升电力系统的灵活调节能力，具有调峰、填谷、储能等功能，能提高电网运行的稳定性，为实现新能源安全可靠替代传统能源、推动绿色低碳发展提供条件。因此，抽水蓄能电站也被称为“超级充电宝”。
当前，我国抽水蓄能电站技术已处于世界先进水平。截至2025年8月底，我国已建的抽水蓄能电站总装机容量达到6236.5万千瓦，居世界首位。
介绍天荒坪抽水蓄能电站
天荒坪抽水蓄能电站位于浙江省安吉县境内，距上海175km、南京180km、杭州57km，接近华东电网负荷中心。电站装机容量180万kW，上水库蓄能能力1046万kW·h，其中日循环蓄能量866万kW·h，年发电量31.6亿kW·h，年抽水用电量(填谷电量)42.86亿kW·h，承担系统峰谷差360万kW任务。
【课堂练习】
【例题5】(2025年福建中考题） 抽水蓄能电站被称为“超级充电宝”，用电低谷时段利用电网多余电能抽水至上水库，用电高峰时段再放水至下水库发电，如图：关于抽水蓄能电站，下列说法正确的是【　　】
A. 用电低谷时，以电能的形式储能
B. 用电高峰时，机械能转化为电能
C. 选址时，上下水库的高度差要小
D. 存储的能量可以全部转化为电能
【答案】B
【解析】A．用电低谷时，电动机带动抽水机将水从低处抽到高处，将电能转化为机械能，即以机械能的形式储能，A说法错误；
B、D．用电高峰时利用存储的能量（机械能）发电，水推动水轮机转动带动发电机发电，将机械能转化为电能。由于能量损耗，无法将全部的机械能转化为电能，B说法正确，D说法错误；
C．由图可知，抽水蓄能电站由上游水库、下游水库和水电站组成，要求水资源丰沛、上下游有落差，因此选址时需要考虑地理位置的问题，C说法错误。
【课后作业】练习与应用： 1、2、3、4题

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