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8．6合理利用机械能2003年6月1日零时，举世闻名的三峡工程大坝正式下闸蓄水。图8-89所示为水力发电站的流程示意图，你知道三峡工程为什么要修筑拦河大坝吗？智能提要问：物体是不是一定要在对外做功时，才具有能？答：课本上说，一个物体能够对别的物体做功，我们就说它具有能．“能够做功”，是指物体具有做功的本领，不是说一定要正在做功．具有能的物体可能当时不在做功，例如：静止在山腰上的石块，尽管它不在对外做功，但它具有能，如果石块松动滚下，就会对外做功．通俗地说，一个物体具有做功的本领，这个物体就具有能，与当时是否正在做功无关．问：分析动能、势能的变化时，经常出错，有什么诀窍吗？答：分析动能、势能的变化，必须抓住决定动能和势能大小因素不放．动能的大小决定与物体的质量和速度，重力势能的大小决定与物体的质量和高度，不能只考虑其中的一个因素，而忽略了另一个因素．例如，公路上匀速行驶的正在洒水的洒水车，尽管速度没有变化，但它的动能还是在不断减小，因为洒水车的总质量在不断减小．问：你观察过滚摆的上下运动吗？在滚摆上下运动的过程中动能和势能是如何转化的？答：滚摆由上向下运动时，高度降低，速度加快，重力势能转化为动能；向上运动时，高度升高，速度减慢，动能转化为重力势能．问：为什么滚摆每次上升的高度都比前一次低呢？答：在滚摆上升的过程中，如果没有任何摩擦等阻力，那么它每次上升的高度应该是相等的．之所以一次比一次低，是因为滚摆在上下运动的过程中受到空气等阻力的作用，机械机械能动能势能动能和势能的相互转化重力势能弹性势能跟质量和速度有关跟质量和高度有关跟弹性和弹性形变有关判断物体是否具有能，只看物体有没有做功的本领．图8-88图8-89能总量不断减小的缘故．问：乒乓球从空中下落、撞地、弹起的过程中，动能和势能的转化是比较复杂的，你能分析一下吗？答：乒乓球在下落过程中，是重力势能转化为动能；当球落地撞击地面时，球发生弹性形变，球的动能转化为弹性势能；球在恢复原状的过程中，球的弹性势能又转化为动能；球弹起后，球在上升过程中，是动能转化为重力势能．智能拓展大海中蕴含的机械能大海中蕴藏着丰富的机械能，它可以通过不同的形式表现出来，如潮汐、波浪、海流等．潮汐能海水每天都有固定的涨潮和退潮时间，这种海水定时涨落的现象就是潮汐现象．海水一涨一落，水位的高度差可达几十米．为了利用潮汐的机械能，工程师设计在海湾或河口附近兴建蓄水池，在蓄水池下有一个装有水轮机的闸门，当海水涨落时流经闸门，带动水轮发电机发电．海浪能海洋中的波浪，有时微波细浪，有时波涛汹涌，能把几十吨重的石头推走，能使万吨巨轮颠簸摇晃．海啸是灾难性的波浪，它能把轮船冲上陆地，能推翻岸边建筑物，具有十分巨大的能量，经科学家估测，在1km2的海面上，海浪能的功率可达2.0×105kW，如果合理地利用，将能提供非常可观的能量．海流能大海中的海水受海洋环流的影响，像陆地的河流一样，保持着一种固定方向的运动，这种现象叫做海流．海流中蕴藏着巨大的动力资源．科学家们设想利用海洋中海流流动的动力推动水轮发电机发电──海流发电．据统计，世界大洋中所以海流的发电功率达109kW．智能归例题型一理解能、动能、势能和机械能的概念例1关于能的概念，下列说法正确的是（）A．用线悬挂着的物体，它没有做功，它不具有机械能B．在空中飞行的子弹，因为它能做功，所以它具有机械能C．甲物体的运动速度比乙物体的大，则甲物体的动能一定比乙物体的大D．甲物体的高度比乙物体的高度大，则甲物体的势能一定比乙物体的大闯关点拨用线悬挂的物体，由于被举高而具有做功的本领，它具有重力势能；重力势能的大小是由物体的质量和高度共同决定的，被举得越高的物体具有的重力势能不一定大；物体动能的大小是由物体的质量和速度大小共同决定的，速度大的物体动能不一定大．答选B例2判断下列物体是否具有机械能，如果有，请说明具有什么形式的机械能，如果没有，说明原因．（1）在水平地面上滚动的铅球：____________，_____________；（2）悬挂在室内的电灯：____________，_____________；（3）玩具汽车中被卷紧的发条：____________，_____________；（4）弹簧：____________，_____________；（5）在空中飞行的波音747客机：____________，_____________；（6）静止在水平轨道上的列车：____________，_____________．闯关点拨物体只要具有做功的本领，它就具有能，与当时是否正在做功无关．有质量和运动速度的物体就具有动能；有质量和高度的物体就具有重力势能；弹性物体一定要发生弹性形变时，才具有弹性势能．解（1）在水平地面上滚动的铅球：既有质量又有运动速度，具有机械能，是动能；（2）悬挂在室内的电灯：既有质量又有高度，具有机械能，是重力势能；（3）玩具汽车中被卷紧的发条：发条是弹性物体，卷紧后发生了弹性形变，具有机械能，是弹性势能；（4）弹簧：尽管是典型的弹性物体，但它没有发生弹性形变，因而不具有机械能；（5）在空中飞行的波音747客机：有质量，有运动速度，还有高度，具有机械能，而且是既有动能又有重力势能；（6）静止在水平轨道上的列车：尽管质量很大，但它不在运动，也没有高度，所以它不具有机械能．题型二会探究决定动能大小和重力势能大小的因素例如图8-90所示，是用来探究“动能大小跟哪些因素有关”的实验装置图。（小球在光滑斜面上由静止开始下滑，到达底端的速度只与起点高度有关，起点越高，到达底端的速度就越大，运动小球撞击停在平面上的木块后，木块运动距离越长，说明小球具有动能越大）（1）分析比较实验甲与实验乙，可得出结论：______________________________。实验中被控制的物理量是________________。（2）分析比较实验乙与实验丙，可得出结论：______________________________。实验中被控制的物理量是_______________________。（3）实验结果表明，物体动能与物体的和有关，____________越大，____________越大，动能就越大。闯关点拨用控制变量法来探究决定动能大小的因素分析与解比较甲实验与乙实验可知：钢球的质量相等，而乙中的钢球到达平面上的速度图8-90比甲中的大，结果是甲中的钢球具有的动能大，说明在质量相等的情况下，物体的速度越大，动能越大；比较乙实验与丙实验可知：钢球和木球到达平面上的速度相等，而钢球的质量比木球的质量大，结果是乙中的钢球具有的动能比丙中的木球的动能大，说明在速度相等的情况下，物体的质量越大，动能越大．综合三个实验可知：物体的动能与物体的质量和速度有关，质量越大，速度越大，物体具有的动能越大．答（1）质量相同时，速度越大的物体具有的动能越大质量（2）速度相同时，质量越大的物体具有的动能越大速度（3）质量速度质量速度题型三分析动能和势能大小的变化例1某块砖在一对平衡力作用下运动，则该砖（）A．机械能一定不变，动能一定不变B．机械能可能改变，动能一定不变C．机械能可能改变，动能可能改变D．机械能一定不变，动能可能改变闯关点拨砖块的质量不变，在一对平衡力作用下的运动状态是匀速直线运动，它的速度大小不变，所以砖块的动能不变；如这块砖在水平方向运动，它的质量和高度都不变，重力势能不变，它的机械能也不变．如这块砖不在水平方向运动，它的高度在改变，重力势能在改变，它的机械能在改变，因题中没有明确砖块的运动方向，所以机械能的变化情况不能确定．答选B例2（多选题）如图8-91所示的是一种叫做蹦极的游戏。游戏者将一根有弹性的绳子一端系在身上，另一端固定在高处，从高处跳下。图中a点是弹性绳自然下垂时绳下端的位置，c点是他所到达的最低点的位置。对于他离开跳台至最低点的过程，下面说法正确的是（）A．他的重力势能一直在减小B．绳的弹性势能一直在减小C．他的动能在前一段时间在增加，后一段时间在减小D．在最低点，重力势能减到最小，动能为零，绳的弹性势能最大闯关点拨在质量不变的情况下，动能的变化抓住速度的变化，从最高点道最低点，速度从慢到快再到慢，所以游戏者的动能先变大后变小，到最低点时，动能为零；重力势能的变化抓住高度的变化，高度越来越低，故游戏者的重力势能一直在减小；弹性势能的变化抓住弹性形变的大小变化，从最高点到a点，绳自然下垂，未发生弹性形变，故没有弹性势能，从a点到c点，绳发生了弹性形变，具有弹性势能，在最低点，绳的形变最大，故绳的弹性势能最大．答选A、C、D题型四动能和势能的相互转化例1下列过程中，属于动能转化为势能的是（）A．雪撬从山坡上滑下B．玩具弹簧枪将“子弹”水平射出C．雨滴从屋檐落向地面D．斜向上射出的炮弹在上升过程图8-91闯关点拨物体的动能转化为势能，是指物体的动能在减小，同时势能在增加．如果物体的质量一定时，那么物体的速度减小，动能就减小，物体的高度增加，势能增加，或者物体弹性形变增大，势能增大．分析和解A选项中雪橇的高度减小，速度增加，所以是重力势能转化为动能；B选项中是将弹性势能转化为动能；C选项中也是将重力势能转化为动能；D选项中是动能转化为重力势能．答选D例2在空气阻力不计的情况下，一只皮球从高处由静止下落，被地面弹起后不能再回到原来的高度，在整个过程中；（1）说明皮球机械能的转化情况。（2）指出皮球在哪几个位置时的动能为零。（3）分析皮球不能回到原来高度的原因。闯关点拨（1）皮球在下落、弹起的整个过程中，先后发生状态的变化是：球在高处静止──加速下落──落地变形──恢复原状反弹──减速上升．（2）皮球在下落、上升过程中的空气阻力不计，但是在弹性压缩和恢复原状的过程中，有一部分机械能转化为内能．解答（1）①加速下落过程：重力势能转化为动能．②落地弹性压缩过程：动能转化为弹性势能．③恢复形状反弹过程：弹性势能转化为动能．④减速上升过程：动能转化为重力势能．（2）皮球在以下三个位置时动能为零（速度大小为零）：①球在高处将指时；②小球落地弹性压缩最大时；③上升到最大高度时．（3）尽管不计空气阻力，但在落地撞击地面时，球的弹性压缩和恢复形状的过程中，有一部分机械能将转化成其它能量，造成机械能损失，所以皮球不能回到原来高度．例3如何有效地提高能量利用率是人类所面临的一项重要任务。图8-92是某轻轨车站的设计方案示意图，该图表明与站台前后连接的轨道都有一个小坡度。请你说明这种设计可以节能的理由闯关点拨一般的车站轨道都是水平连接的，车进站时，需要刹车减速，车出站时，需克服摩擦力加速，这样既浪费了能量又多消耗了能量．将站台设计在小坡上，车进站时，让车驶上小坡，将动能转化为重力势能，车速减小了，重力势能增大了；车在起动出站时，由于下坡，车的重力势能转化为动能，在不需要多消耗能量的情况下，车速加快，减少了因加速消耗的能量．答进站时将动能转化为重力势能“储藏”起来；出站时将重力势能转化为动能“释放”出来．达到节约能源的目的．智能训练基础知识训练1．李白曾用“飞流直下三千尺，疑是银河落九天”的诗句描述庐山瀑布的壮观。从物理学内能是一种不同于机械能的另一种能量，到初三我们将学习它．图8-92的角度来看，飞流直下的瀑布蕴藏着巨大的____________。(题型一)2．如图8-93所示，小军玩弹弓，当弹弓把纸团射出时，＿＿＿＿＿＿能转化为＿＿＿＿能。(题型四)3．2003年3月20日美英联军对伊拉克的军事打击中，两军调用了大量空降部队。在空降兵离开机舱、尚未打开降落伞的一段时间里，他们在空中加速下落，若不计空气阻力，那么在这段时间里，空降兵的重力势能______，动能_______，机械能_____。（选填“不变”、“变大”或“变小”）(题型三)4．滚摆在上升过程中，能转化为能．(题型四)5．如图8-94所示，一个同学在蹦床上玩，从跳起到上升至最高点的过程中，能逐渐增大，能逐渐减小。(题型三)6．下列现象属于重力势能转化为动能的是（）(题型四)A．爆竹腾空而起B．水