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第十一章功和机械能知识点一机械能及其转化1.机械能:动能、重力势能和弹性势能统称为机械能。说明(1)动能和势能都属于机械能,一个物体可以有动能,也可以有势能,还可以同时具有动能和势能;(2)物体具有的机械能的大小等于物体具有的动能和势能之和,即机械能=动能+势能。2.转化:在一定条件下,动能和势能是可以相互转化的。3.机械能守恒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,但两者的总和不变,或者说,机械能是守恒的。说明机械能守恒是有条件的,只有动能和势能相互转化时,机械能才是守恒的。例1(2019江苏盐城建湖二模)在下图所示的四个过程中,属于弹性势能转化为动能的是 () 解析滚摆从低处滚向高处,其质量不变,速度变小,动能变小,高度升高,重力势能变大,动能转化为重力势能,故A不符合题意;塑料圆桶滚动时,速度变小,动能变小,同时皮筋拉紧,弹性势能增大,动能转化为弹性势能,故B不符合题意;用拉弯的弓把箭射出去,弓的弹性势能变小,转化为箭的动能,故C符合题意;人造地球卫星从远地点向近地点运动时,质量不变,高度减小,速度增大,重力势能转化为动能,故D不符合题意。答案C知识点二水能和风能的利用水能风能概述水能属于自然界中具有大量机械能的自然资源,自然界中的瀑布、潮汐、河流都具有大量的水能风是流动的空气,由于不同地区、不同时刻、不同高度的空气温度不同,压强也不同,空气就会流动起来,形成风,风具有风能特点无污染、蕴藏量大,可循环利用资源丰富、无污染、不稳定、不便于储存利用(1)早期:人们利用水车来汲水、磨粉、碾谷等(2)到18世纪:人们利用大功率水车来带动纺织机械、冶金鼓风机工作(3)近代:利用水力带动水轮发电机发电(1)利用风能来驱动帆船航行(2)利用风能来推动风车做功(3)利用风能来发电例2我国早在2000多年前就开始利用风来推动帆船航行,至少在1700多年前已开始利用风来推动风车做功。如图11-4-1所示是现代的风力发电站,利用风力发电最明显的缺点是。 图11-4-1解析风能利用起来比较简单、成本低,而且不会污染环境,但是风能不稳定。答案不稳定题型一判断机械能的转化情况例1(2019安徽滁州一模)如图11-4-2是李明参加蚌埠市“走进科学,走进梦想”科技节比赛中用的弹力小车,它依靠橡皮筋作为动力。比赛时卷紧橡皮筋后静止释放小车,橡皮筋牵动车上齿轮带动车轮使小车前进,这个过程中的能量转化是把能转化为动能,小车的惯性将(选填“变大”、“变小”或“不变”)。 图11-4-2解析比赛时卷紧橡皮筋后,橡皮筋发生弹性形变,具有弹性势能,释放橡皮筋,橡皮筋要恢复原状,使小车前进,所以是橡皮筋的弹性势能转化成小车的动能;惯性的大小只与物体的质量有关,小车的质量不变,惯性不变。答案弹性势不变方法归纳分析动能和势能相互转化的一般步骤:①明确要研究的对象和所要研究的过程;②根据物体在初始状态的位置、速度、形变情况,确定物体具有的机械能类型及大小;③根据物体在最终状态的位置、速度、形变情况,确定物体具有的机械能类型及大小;对比②③中的结论做出机械能类型转化的判断。题型二判断机械能转化过程中机械能总量变化的问题例2(2018四川绵阳中考)蹦床运动是奥运会比赛项目。运动员比赛开始前直立在蹦床中央,比赛开始时快速下蹲并立即恢复直立被蹦床弹起,离开蹦床时成直立状态并一直保持,到达最高点后下落,接触蹦床时又快速下蹲并立即恢复直立,再次被蹦床弹起,达到更高点。忽略空气阻力,下列说法正确的是 () 图11-4-3A.在整个过程中,运动员机械能守恒B.在整个过程中,运动员机械能一直在增加C.从离开蹦床到下落接触蹦床的过程中,运动员机械能守恒D.从下落接触蹦床到离开蹦床的过程中,运动员机械能守恒解析从下落接触蹦床到离开蹦床的过程中,运动员的机械能先减少后增加,运动员的机械能不守恒,所以A、B、D错;从离开蹦床到下落接触蹦床的过程中,忽略空气阻力,运动员的机械能守恒,所以C正确。答案C点拨正确理解动能和势能的影响因素以及机械能转化和守恒的条件是解题的关键。在机械能相互转化过程中,只要给出“忽略空气阻力和摩擦力”等假设条件,就意味着机械能守恒,否则,就意味着机械能不守恒。学用结合,细探“机械能及其转化”素养呈现能量是《物理课程标准》中科学内容的三大主题之一,充分说明了能量在初中物理课程中的重要地位。本章中功和功率除单独考查外,还常与第十二章《简单机械》的知识结合进行综合考查。而机械能及其转化除与生活、科技相结合进行考查外,还常与高中相关物理知识结合,以信息题的形式综合考查“获取和处理信息”及“应用物理观念解决实际问题”的物理素养。典例剖析例(2019广东惠州惠阳二模)如图11-4-4所示,小球在不同场景做不同运动。请你根据所给条件回答以下问题。 图11-4-4(1)如图甲,质量为m的小球从高度为h的光滑斜面顶端由静止自由滑下,到达斜面底端的速度为v0,此过程能转化成能,关系式mgh= mv2成立,则一个物体从高0.2m的光滑斜面顶端自由下滑到斜面底端时的速度为m/s。(g=10m/s2)12(2)如图乙,将物体以一定的初速度v0沿水平方向抛出(不计阻力),物体做平抛运动,在水平方向做匀速直线运动,则水平方向的距离公式为(用图中字母符号表示),在竖直方向下落的高度y= gt2,则y与x2的关系可用丙图中的图线表示。12解析(1)小球从光滑斜面顶端由静止自由滑下,质量不变,高度变小,重力势能变小,重力势能转化为动能,使它的速度变大,动能变大;因为关系式mgh= mv2成立,所以物体从高0.2m的光滑斜面顶端自由下滑到斜面底端时的速度为v= = = =2m/s;(2)将物体以一定的初速度v0沿水平方向抛出(不计阻力),物体做平抛运动,在水平方向运动的距离x=v0t,则运动时间为t= ,在竖直方向下落的高度y= gt2= g ,g与v0都是常数,所以y与x2成正比,故b符合题意。122mghm2gh2210m/s0.2m0xv1212220xv答案(1)重力势动2(2)x=v0tb素养解读正确解答本题的关键是通过阅读题干获取相关信息。计算物体在底端速度大小时,考查了对题目中所给表达式的理解与运用的“物理观念”素养。知识点一机械能及其转化1.(独家原创试题)在门与门框之间连上一根橡皮筋并拉直,开门后橡皮筋被拉紧,一松手,门就可自动关闭,在门关闭的过程中,机械能的转化情况是 ()A.弹性势能转化为动能B.动能转化为重力势能C.动能转化为弹性势能D.重力势能转化为动能答案A开门时拉紧了橡皮筋,橡皮筋具有弹性势能,松手后,橡皮筋恢复原状,弹性势能减少,转化成门的动能,使门自动关闭。2.(2018广东揭阳二模)如图11-4-1所示,忽略空气阻力与摩擦,小球从a点抛出时具有400J的机械能,其中动能为250J,小球经过b、c两点落到地面上的d点,已知b点是最高点,a与c在同一高度,则请问小球在b点的机械能为J,在c点的重力势能为J,在d点的动能为J。 图11-4-1答案400150400解析小球在a点时的机械能为400J,忽略空气阻力与摩擦,机械能守恒,所以在b点的机械能为400J;在a点的重力势能为400J-250J=150J;又因为c点与a点的高度相同,所以重力势能相同,则在c点的重力势能也为150J;在d点的重力势能为零,所以动能为400J。知识点二水能和风能的利用3.唐诗中有“黄河远上白云间”“不尽长江滚滚来”的诗句,从物理学的角度来看,前一句生动形象地表明黄河水存储着大量的能,后一句表明长江水具有大量的能;古诗中又有“强弩之末势不能穿鲁缟者也”,说明物体的动能大小与它的有关。答案重力势动速度解析从前一诗句中可看出黄河之水高高在上,由于有一定的高度而具有重力势能;后一诗句可看出长江之水在流动,由于运动而具有动能。“强弩之末势不能穿鲁缟者也”,强弩到最后速度比较慢,动能小,不能穿鲁缟,说明物体的动能大小与它的速度有关。1.(2019山东滨州滨城一模)2018俄罗斯世界杯足球赛中,某球员传球时足球的运动轨迹如图所示,下列分析不正确的是 () A.在不计空气阻力的情况下,足球从离开脚后到达最高点的过程中,球的机械能不变B.在最高点时,球的动能大于零C.足球在下落过程中,脚对足球一直在做功D.球在整个运动过程中,运动状态不断改变答案C在不计空气阻力的情况下,足球离开脚后,只有重力势能与动能的转化,所以球的机械能不变,A说法正确;由图知,球是沿斜上方运动,到达最高点时仍具有向右运动的速度,所以,球的动能大于零,B说法正确;足球在下落过程中,脚没有对足球施加力的作用,所以脚对球没有做功,C说法错误;球在整个运动过程中,一直只受向下的重力的作用,所以运动状态不断改变,D说法正确。2.(2018黑龙江哈尔滨道里一模)如图所示的情景中,重力势能转化为动能的过程是 () 答案D将弓拉弯时,人对弓做功,弓形状发生改变,产生了弹性势能;松手后,箭离开弓的过程中,弓对箭做功,使箭的速度变大,弓的弹性势能转化为箭的动能,A不合题意;撑杆跳运动员撑起过程,所处的高度增加,其速度减小,动能转化为重力势能,B不合题意;杠铃被举起时,其速度变慢,所处的高度增加,动能转化为重力势能,C不合题意;运动员下落时,所处的高度降低,重力势能减小,其速度增加,动能增加,重力势能转化为动能,D符合题意。3.铅球被推出手后,在某一时刻它的动能是200J,重力势能是120J,此时它的机械能为J。答案320解析铅球的机械能就是其动能和势能之和。4.(2019安徽马鞍山一模)如图所示的单摆,如果不考虑空气阻力的影响,小球将在ABC间不停地往复运动。小球从A运动到B的过程中,机械能(选填“逐渐变小”或“保持不变”);绳子的拉力对小球(选填“做功”或“不做功”)。 答案保持不变不做功解析不考虑空气阻力的影响,小球将在ABC间不停地往复运动,机械能守恒,即机械能总量保持不变;单摆摆动过程中,绳子对小球有拉力的作用,但小球并没有在拉力的方向上移动距离,所以绳子的拉力对小球不做功。5.简要回答有关水电站的下列问题。(1)从能量转化的角度说明水电站的工作原理。(2)建设水电站选址时,从能量利用角度来看,你将选择图甲所示的A址还是选择图乙所示的B址?并说明理由? 答案(1)水从高处流下,水的重力势能转化为动能,水流推动水轮机发电,水的动能转化为电能。(2)B址,理由见解析。解析(1)水电站是通过将水的重力势能转化为动能再转化为电能来发电的;(2)B址与水库的高度差比A址与水库的高度差大,相同质量的水流下时转化成的动能更多,转化成的电能也就相应多。1.(独家原创试题)如图11-4-2所示,将同一物体从A点开始沿两个光滑的弧面AB、AC自由滚下,到达同一水平面时的动能分别为E1、E2,所用时间分别为t1、t2,不计空气阻力,则下列关系正确的是 () 图11-4-2A.E1=E2,t1=t2B.E1=E2,t1t2C.E1E2,t1=t2D.E1E2,t1t2答案B光滑的弧面说明没有摩擦,物体从弧面上滑下时,只存在动能和重力势能的相互转化,机械能是守恒的。物体开始时在同一高度,重力势能是相等的,到达同一水平面时转化为相同的动能,即E1=E2。因为到达水平面时动能相等,故速度也相等,但沿AC运动的路程长,所以所用的时间长,即t1t2。2.阿呆在家玩火柴盒,他反复让火柴盒从同一高度处自由下落,发现甲情况下,火柴盒落到桌面后大多会反弹;乙情况下(火柴盒盒芯部分拉出),火柴盒落到桌面后盒芯插回外盒,不反弹。对上述现象的解释,合理的是 () 图11-4-3A.乙情况中火柴盒与桌面碰撞时,盒芯与外盒发生摩擦,机械能大大减小B.甲情况中火柴盒与桌面碰撞时有弹力的作用,而乙情况中则没有C.甲情况中火柴盒与桌面碰撞后机械能不变D.乙情况中火柴盒与桌面碰撞后机械能不变答案A两图中,火柴盒下落时,重力势能转化为动能,当与桌面碰撞时动能转化为弹性势能,此时有能量损失,机械能减小,故B、C、D选项错误;而乙图中,火柴盒还克服摩擦力做功,机械能减小得更