物理八年级下册11.4 机械能及其转化导学案

这是一份物理八年级下册11.4 机械能及其转化导学案，共13页。学案主要包含了学习目标，学习重点，学习难点，自主预习，合作探究，演示实验，分析论证，实验结论等内容，欢迎下载使用。

1. 知道动能、重力势能和弹性势能统称为机械能。
2. 能通过实验或实例，认识物体的动能和势能可以相互转化，能解释与机械能转化有关的现象。
3. 通过实例认识能量可以从一个物体转移到另一个物体，不同形式的能量可以相互转化。通过水能和风能的利用知道人类如何利用机械能的转化与守恒解决实际问题。提高运用机械能转化与守恒观点分析力学问题的意识。
【学习重点】
动能和势能之间的转化。
【学习难点】
机械能守恒。
【自主预习】
阅读教材，完成以下问题：
1．机械能：动能、重力势能和弹性势能统称为机械能。机械能是动能和势能之和。
2．机械能及其转化：动能和势能之间可以(选填“可以”或“不可以”)相互转化。
3．机械能守恒：如果只有动能和势能的相互转化，尽管动能和势能的大小会变化，但机械能的总和不变，或者说，机械能是守恒的。
4.水能和风能的利用：自然界中的流水和风都具有大量的机械能，可以用来发电。
【合作探究】
探究一、机械能及其转化
【想一想】高空飞行中的飞机具有什么能量？
【分析】高空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，一个物体可以既有动能，又有势能，把这两种能量加在一起，就是它的机械能。
1. 机械能
动能、重力势能和弹性势能统称为机械能。
一个物体具有的机械能是动能和势能之和。如果飞行中的飞机的动能是4×108J，重力势能为5×108J
，那么总的机械能为：动能+势能=4×108J +5×108J=9×108J。
2. 动能和势能的转化
（1）分析篮球下落、上升过程中动能和势能的转化
【分析】篮球下落时，高度减小，速度增大，重力势能减小，动能增大，重力势能转化为动能。篮球上升时，速度减小，高度增大，动能减小，重力势能增大，动能转化为重力势能。
（2）分析蹦床运动员在蹦床过程动能和势能的转化
蹦床运动员从高处落下，在与蹦床面将要接触时，具有动能，与蹦床面接触后，床面发生弹性形变，运动员的动能转化成蹦床的弹性势能。蹦床在恢复原状时，蹦床的弹性势能转化为运动员的动能，运动员被弹起，从而上升。
（3）分析滚摆运动过程中动能和势能的转化
【演示实验】从最高处释放滚摆，分阶段记录滚摆的运动速度和高度的变化情况。
【分析论证】结果表明，滚摆下降时速度越来越大，它的重力势能在减小，动能在不断增大，重力势能转化为动能。滚摆上升时，速度越来越小，它的重力势能在增加，动能在不断减小，动能转化为重力势能。
（4）分析单摆运动过程中动能和势能的转化
【分析论证】摆球向下摆动（A→B）的过程中，摆球的重力势能减小，动能增大，重力势能转化为动能。摆球向上摆动（B→C）的过程中，摆球的动能减小，重力势能增大，动能转化为重力势能。
【实验结论】动能和势能可以相互转化.
3. 机械能守恒
动能、势能的大小会变化，它们的和是否变化呢？物理学家经过大量的实验研究与理论推导，得出了如下规律：
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，但机械能的总和不变。或者说，机械能是守恒的。
①注意机械能守恒的条件：
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。
②一些机械能不守恒的事例
人骑自行车爬坡 跳伞运动员匀速下落 升空的航天器
4. 用机械能守恒及其转化解释现象
①本节开始提出的问题：用绳子把一个铁锁悬挂起来。把铁锁拿近自己的鼻子，稳定后松手，头不要动。铁锁向前摆去又摆回来。铁锁摆回时会碰到你的鼻子吗？
【解析】铁锁下降的过程是重力势能转化为动能，上升的过程是动能转化为重力势能。在上升和下降的过程中，铁锁和空气之间存在摩擦，克服摩擦做功，一部分机械能转化为内能，所以机械能减小（减小/增大），是不守恒的。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，不会达到鼻尖的。
②分析过山车在运动过程中的能量转化情况。
【分析】从A到B的运动过程中，动能转化为重力势能；从B到C的运动过程中，重力势能转化为动能；从C到D的运动过程中，动能转化为重力势能。
过山车运行过程中车与轨道之间有摩擦力，还受到空气的阻力，机械能不守恒（不守恒/守恒），机械能转化为内能，不给其他动力的情况下，过山车最终停下来。
③分析人造地球卫星的机械能转化
人造地球卫星的轨道示意图

许多人造地球卫星沿椭圆轨道绕地球运行。离地球最近的一点叫近地点，最远的一点叫远地点。卫星在大气层外运行，不受空气阻力，只有动能和势能的转化，因此机械能守恒（不守恒/守恒）。
卫星在远地点时势能最大，当它从远地点向近地点运动时，势能减小，动能增大，速度也增大。当卫星从近地点向远地点运动时，它的动能减小，势能增大，速度也减小。
【例题1】小明从光滑的滑梯上下滑过程中（不计空气阻力），下列说法正确的是（ ）
A. 重力势能减小，动能增加，机械能不变。
B. 重力势能增加，动能减小，机械能不变。
C. 重力势能增加，动能不变，机械能增加。
D. 重力势能减小，动能不变，机械能减小。
【答案】A.
【解析】小明从光滑的滑梯上下滑过程中，不计空气阻力，机械能是守恒的。因为高度减小，速度增大，所以重力势能减小，动能增加。
选项A正确。
【例题2】运动会上，跳远运动的几个阶段如图所示，不计空气阻力，则运动过程中运动员（ ）
A．加速助跑阶段机械能不变B．起跳时机械能最小
C．最高点重力势能最大 D．最高点动能为零
【答案】C.
【解析】A．助跑阶段，运动员的质量、高度不变，速度增大，因此动能增大，重力势能不变；机械能等于动能和势能的总和，机械能增大，A错误；
B．由A可知，当运动员到达起跳时机械能最大，由于不计空气阻力，从起跳到落地的过程中机械能不变，落地后速度为零，动能为零，高度最低，重力势能最小，因此落地后的机械能最小，故B错误；
C．重力势能与质量、高度有关，最高点的高度最高，质量不变，故重力势能最大，故C正确；
D．运动员在最高点有水平向前的速度，故最高点动能不为零，D错误。
所以选C.
探究二、水能和风能的利用
在地球上，海水朝夕涨落，江河日夜奔流。有时微风拂面，有时狂风劲吹。从能量的角度来看，自然界的流水和风都是具有大量机械能的天然资源。
水能和风能是自然界中的重要能源

1.水能的利用
自然界中的瀑布、湍急的河水和海浪都具有机械能。
（1）古代对水能的利用
早在1900多年前，我们的祖先就制造了木质水轮，让流水冲击水轮转动，用来汲水、磨粉、碾谷。
水磨（摘自《天工开物》) 水车 水碓：利用水的动能舂米
（2）水力发电
通过水轮机带动发电机，可以将水的机械能转化为电能，再通过输电线送到用电地区。
2. 风能的利用
地球表面接受太阳辐射能的不同，使各地大气温度不同，造成大气密度和气压的差别从而形成风。风是流动的空气，风把风筝吹到天空，能使你做的小风车飞转，即对小风车做功。所以，风具有机械能。
（1）古代对风能的利用
我国早在2000多年前就开始利用风来驱动帆船航行。1700多年前已开始利用风来推动风车做功。
利用风能的帆船 立轴式大风车（模型）
立轴式大风车，是中国古代一项杰出的发明，主要应用于我国沿海地区及长江流域，用来带动龙骨水车等提取海水制盐或提水灌溉水田。
（2）风力发电
风力发电的原理：利用风吹动风车叶片旋转，将风能转化为风车叶片的动能，再通过发电机或其他机器将动能转化为电能.
单个风力发电机的输出功率较小，在风力资源丰富的地区，可以同时安装几百台风力发电机，组成“风车田”，连在一起供电。
风车田
【例题3】下列关于水能和风能的说法中，正确的是（ ）
A. 流动的河水只有动能，没有重力势能
B. 风只具有动能，不具有重力势能
C. 利用水能和风能都可以做连续性的工作
D. 水能和风能都不会污染环境
【答案】D。
【解析】流动的河水、风都具有动能和重力势能；利用水能和风能（不稳定）不可以做连续性的工作；水能和风能都不会污染环境；所以选项A、B、C均错误，D正确。
【归纳整理】
动能、重力势能和弹性势能统称为机械能。
机械能：
①水能的利用：古代对水能的利用有水车、水磨、水碓等。近代用水能进行发电。
②风能的利用：风力发电。
机械能及其转化
①动能和重力势能可以相互转化.
②动能和弹性势能可以相互转化.
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，但机械能的总和不变。或者说，机械能是守恒的。
机械能
及其转化
水能和风能
的利用
【精讲点拨】
1.机械能守恒：如果只有动能和势能的相互转化，机械能的总和不变，即机械能守恒。
注意机械能守恒的条件：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。
2.机械能不守恒的情况：实际生活中，若机械能与其他形式的能发生了转化，则机械能不守恒。
①机械能转化为其他形式的能。例如滚摆在摆动时与空气摩擦，机械能转化为空气的内能，最后会停下来。
②其他形式的能转化为机械能。例如火箭升空，燃料的能量转化为机械能。。
【课堂练习】
1．三峡大坝的高度可达185m，建造这么高的拦河坝，其目的是_________，使水的________能储存起来，打开水闸，河水的______能转化成_____能冲击水轮机发电。
【答案】提高水位，重力势，重力势，动。
【解析】三峡大坝的高度可达185m，建造这么高的拦河坝，其目的是提高水位，使水的重力势能储存起来，打开水闸，河水的重力势能转化成动能冲击水轮机发电。
2．如图为一摆球从左侧A点摆到右侧最高点B的过程图，请在图中三个位置的摆球上用“1”和“2”分别标注出机械能最大位置和动能最小位置。
【答案】B。
【解析】摆球从左侧A点摆到右侧最高点B的过程图，克服空气的阻力做功，一部分机械能转为内能，所以在该过程中，摆球的机械能逐渐减小。所以在A点的机械能是最大的，应标注“1”；摆球运动到B点时，摆球的质量不变，速度最小，动能最小，应标注“2”，如图所示。
3. 2022年4月16日，神舟十三号载人飞船返回舱在东风着陆场成功着陆。返回舱在减速下降过程中（ ）
A．动能增加 B．重力势能增加 C．机械能增加 D．机械能减少
【答案】D。
【解析】返回舱在减速下降的过程中，质量不变，高度变小，重力势能减小，速度变小，动能变小，所以机械能减小，故ABC不符合题意，D符合题意。
所以选D.
4. 如图1所示，跳伞运动员在空中匀速直线下降的过程中，关于运动员(不包含降落伞和绳)下列说法正确的是 （ ）
A. 动能不变，重力势能不变，机械能不变
B. 动能变大，重力势能变小，机械能不变
C. 动能不变，重力势能变小，机械能变小
D. 动能变小，重力势能变小，机械能变小
【答案】C.
【解析】跳伞运动员在空中匀速直线下降的过程中，质量不变，速度不变，则动能不变；高度降低，则重力势能变小；机械能等于动能与势能之和，则机械能变小。
所以选C。
图1 图2
5. 如图2所示，先用绳子把一把铁锁悬挂起来，然后把铁锁拿近自己的鼻子，稳定后松手，头不动，铁锁向前摆去后又摆回来。下列说法正确的（ ）
A. 铁锁摆回后能碰到鼻子
B. 铁锁下降的过程中，重力势能转化为动能
C. 铁锁的机械能始终不变
D. 铁锁摆动到最低点时，动能最小
【答案】B.
【解析】铁锁在摆动过程中，由于存在空气阻力，机械能不守恒，是越来越小；所以当铁锁摆回来时机械能减小，高度变小，不能碰到鼻子。选项A、C错误。
铁锁下降的过程中，是重力势能转化为动能，摆动到最低点时，动能最大；故选项B正确，D错误。
所以选B.
6. 北京冬奥会引入的AI评分系统，能逐帧抓取运动员从起跳到落地之间的空中姿态，将运动员的精彩表现在最短时间内真切地呈现给观众，为裁判评分提供可视依据。如图3所示，某次比赛系统呈现运动员上升（ab）及下落（bc）瞬间，下列说法中正确的是（ ）
A．运动员在ab段重力势能增大，动能减小
B．运动员在ab段重力势能减小，动能增大
C．运动员在bc段重力势能减小，动能减小
D．运动员在bc段重力势能增大，动能增大
【答案】A。
【解析】AB．由图可知，运动员在ab段上升时，高度变大，速度减小，说明运动员重力势能增大，动能减小，故A正确，B错误。
CD．运动员在bc段下落时，高度变小，速度变大，运动员重力势能减小，动能增大，故CD错误。
所以选A.
图3 图4
7. 如图4所示，让小球从光滑轨道AOB的A点由静止开始自由滑下，A点的高度H大于B点的高度h，沿轨道AOB到达B点后离开（不计空气阻力）。则小球离开B点后的运动轨迹最符合实际的是（ ）
A．a B．b C．c D．d
【答案】C.
【解析】 A．根据题意，小球从A点由静止滑下，小球的机械能等于A点时的重力势能，整个过程中，轨道光滑，不计空气阻力，机械能守恒。a图线的最高点超过了A点的高度，这是不可能的，A不符合题意；
B．b图线的最高点与A点的高度相同，而在最高点时，小球仍具有向右运动的速度，即b图线的最高点，小球还具有动能，所以b图线的机械能大于A点的机械能，故B不符合题意；
C．c图线的最高点低于A点，由于在最高点时小球仍运动，有一定动能，其总机械能可能与开始时的机械能相等，故C符合题意；
D．小球离开轨道时，由于惯性，应具有沿轨道方向向上运动的速度，
故D不符合题意。所以选C.
8. 2022年2月北京冬奥会，中国代表团共收获9金4银2铜共15枚奖牌，金牌数和奖牌数均创历史新高。如图为高速摄影机记录的单板滑雪男子大跳台金牌得主苏翊鸣在比赛中，从跳台起跳到落地过程的情景。下列关于这一过程说法正确的是（ ）
A．他从起跳到最高点的过程中，动能逐渐转化成重力势能
B．他起跳后到达最高点时，机械能最大
C．他从空中下落过程中，重力做功越来越慢
D．他从起跳到落地的整个过程中，机械能是守恒的
【答案】A。
【解析】A．他从起跳到最高点的过程中，质量不变，速度逐渐变小，高度逐渐升高，动能逐渐变小，重力势能逐渐增大，动能逐渐转化成重力势能， 故A正确；
B．由于存在空气阻力，他起跳后到达最高点的过程中，机械能不断减小，在最高点机械能最小，故B错误；
C．他从空中下落过程中，速度越来越大，由P=W/t=Fs/t=Fv=Gv得，重力做功越来越快，故C错误；
D．由于存在空气阻力，他从起跳到落地的整个过程中，机械能不断减小，机械能不守恒，故D错误。
所以选A.
9. 如图所示，小球沿轨道由静止从A处运动到D处的过程中，忽略空气阻力和摩擦力，仅有动能和势能互相转化，则（ ）
A. 小球在A处的动能等于在D处的动能
B. 小球在A处的动能大于在D处的动能
C. 小球在B处的机械能小于在C处的机械能
D. 小球在B处的机械能等于在C处的机械能
【答案】D。
【解析】忽略空气阻力和摩擦力，仅有动能和势能互相转化，则小球的机械能保持不变，即各点的动能与势能之和不变。
小球在A处是静止的，动能为0，重力势能最大；小球在D处的重力势能比在A处的小，则一定具有动能；故A、B、C均错误，D正确。
所以选D.
10．图甲中过山车从A点出发，先后经过B、C、D、E点。图乙是过山车在B、C，D、E点的动能和重力势能大小的示意图，则过山车的动能在_____点最大，B点重力势能的大小______E点动能的大小。在这个过程中，过山车的机械能是_______（选填“变化”或“不变”）的。
【答案】C，等于，变化。
【解析】过山车在B点重力势能最大. 在下降的过程中，重力势能转化为动能，再加上之前前进的动能，所以在C点动能最大。
由图乙可知，B点的重力势能与E点的动能大小在一个水平线上，所以大小相等。
因为有摩擦以及空气阻力的原因，一部分机械能转化为内能，所以过山车的机械能是变化的。
11．抽水蓄能水力发电是为了解决电网高峰、低谷之间供需矛盾而设计的一种间接储存电能的方式，其工作原理如图所示。它利用下半夜过剩的电力驱动水泵，将水从下水库抽到上水库，增大了水的 能；在次日白天或上半夜将上水库的水放出，使水从高处流向低处将水的 能转化为 能，从而推动发电机发电。
【答案】重力势，重力势，动。
【解析】利用水泵将水从下水库抽到上水库时，抬升了水的高度，增大了水的重力势能；将上水库的水放出时，水的高度减小，速度增大，重力势能减小，动能增大，重力势能转化为动能，从而推动发电机发电。
12．一小球在没有空气阻力的情况下，沿光滑轨道运动。
（1）如图甲所示，小球从A点静止释放，从A到B的运动过程中动能______（选填“变大”、“变小”或“不变”）；到达与A等高的C点时速度______零（选填“大于”、“小于”或“等于”）；小球在图甲的运动过程中，机械能______（选填“守恒”或“不守恒”）；
（2）如图乙所示，若将轨道BC段改为水平，小球仍从A点静止释放，小球在BC段将做_________运动，BC段小球的重力_______（选填“做”或“不做”）功。
【答案】变大，等于，守恒，匀速直线，不做功。
【解析】（1）小球在A点由静止释放，即最初动能为0，从A到B的运动过程中，小球的重力势能转化为动能，所以重力势能变小，动能变大。
由于不计空气阻力且轨道是光滑的，则小球的机械能守恒，小球在A和C两点的机械能相等，重力势能相等（高度相同），则此时小球的动能为零，速度为零。
（2）将图甲中的轨道BC段改为水平，如图乙所示，小球还从A点静止释放，小球运动到B点，由于轨道是光滑的，且不计空气阻力，小球在水平方向上不受力的作用，所以小球将保持B点的运动速度和方向，做匀速直线运动。重力方向竖直向下，小球在BC段没有在重力方向上移动距离，所以重力对小球没有做功。
【课后反思】本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？高度
重力势能
运动速度
动能
下降
减小
减小
增大
增大
上升
增大
增大
减小
减小
高度
重力势能
运动速度
动能
A～B
减小
减小
增大
增大
B～C
增大
增大
减小
减小