13.总复习：机械能及其转化 知识讲解

【考纲要求】

　　1、知道动能、势能、重力势能及弹性势能；

　　2、理解动能及大小的决定因素，重力势能及大小的决定因素，弹性势能及有关的决定因素；机械能守恒；

　　3、掌握探究动能及大小的决定因素，重力势能及大小的决定因素，弹性势能及有关决定的因素；动能和势能可以相互转化。

【知识网络】

【考点梳理】

考点一 、动能、势能、机械能

1．动能

物体由于运动而具有的能，叫做动能；动能的大小与质量和速度有关。物体的速度越大，质量越大，则它的动能越大。

　　要点诠释：

（1）一切运动的物体都有动能。

　　（2）动能是“由于运动”这个原因而产生的，一定不要把它理解成“运动的物体具有的能量叫动能”。例如在空中飞行的飞机，不但有动能而且还具有其它形式的能量。

　　2．重力势能

物体由于高度所决定的能，叫做重力势能；重力势能的大小与质量和高度有关。物体的质量越大，被举得越高，则它的重力势能越大。

　　要点诠释：

（1）一切被举高的物体都有重力势能。

　　（2）重力势能是“被举高”这个原因而产生的，一定不要把它理解成“被举高的物体具有的能量叫重力势能”。例如在空中飞行的飞机，不但有重力势能而且还具有其它形式的能量。

　　3．弹性势能

物体由于发生弹性形变而具有的能量，叫做弹性势能；弹性势能的大小与弹性形变的程度有关。

　　要点诠释：

（1）一切发生弹性形变的物体都有弹性势能。

　　（2）弹性势能是“由于发生弹性形变”这个原因而产生的，一定不要把它理解成“发生弹性形变的物体具有的能量叫弹性势能”。

4．机械能

动能、重力势能和弹性势能统称为机械能。

考点二、动能和势能之间的相互转化

1、在一定的条件下，动能和重力势能之间可以相互转化。如将一块小石块，从低处抛向高处，再从高处下落的过程中，先是动能转化为重力势能后，后来又是重力势转化为动能。

2、在一定的条件下，动能和弹性势能之间可以相互转化。如跳板跳水运动员，在起跳的过程中，压跳板是动能转化为弹性势能，跳板将运动员反弹起来是弹性势能转化为动能。

3、机械能守恒。如果一个过程中，只有动能和势能相互转化，机械能的总和就保持不变。这个规律叫做机械能守恒。

【典型例题】

类型一、基础知识 

1、（2016•济宁）弹跳杆运动是一项广受欢迎的运动。其结构如图甲所示．图乙是小希玩弹跳杆时由最低位置上升到最高位置的过程，针对此过裎。下列分析正确的是（　　）

A．在a状态时弹簧的弹性势能最大，小希的机械能为零

B．a→b的过程中，弹簧的弹力越来越大，在b状态时弹力最大

C．b→c的过程中，弹簧的弹性势能转化为小希的重力势能

D．a→c的过程中，小希先加速后减速，在b状态时速度最大

【思路点拨】（1）动能大小的影响因素：质量和速度，质量越大，速度越大，动能越大。（2）重力势能大小的影响因素：质量和高度，质量越大，高度越高，重力势能越大。（3）弹簧由于发生弹性形变而具有的能称为弹性势能，弹性势能的大小与物体发生弹性形变的程度有关。（4）机械能=动能+势能。

【答案】D

【解析】A、据图可知，a状态时弹簧的弹性势能最大，由于机械能等于动能加势能，所以机械能不是零，故A错误；B、a→b的过程中，弹簧的形变程度变小，所以具有的弹性势能变小，即到达b点时，弹簧恢复原状，所以弹性势能变为最小，故B错误；C、a→b的过程中，弹簧的形变程度变小，即弹性势能转化为动能，即到达b点动能最大，b→c的过程中，动能转化为小希的重力势能，故C错误；D、据上面的分析可知，a→b的过程中，弹簧的形变程度变小，即弹性势能转化为动能，即到达b点动能最大，b→c的过程中，动能转化为小希的重力势能，所以该过程中，小希先加速后减速，在b状态时速度最大，故D正确。

【总结升华】此题考查了动能、重力势能和弹性势能的相互转化。 

2、为了研究动能的大小与哪些因素有关，教材中设计了“小钢球撞木块”的实验（如图所示）让静止的小钢球从斜面滚下，观察木块被推动的距离。关于该实验的说法中，不正确的是（　　）

A．该实验的设计思路是采用转换法，用木块移动的距离来表示动能的大小

B．该实验研究的基本方法是控制变量法，如分别控制小球滚下的高度、小球的质量等

C．在实验器材的选择时，可以不考虑斜面的光滑程度，被撞木块的质量和软硬等因素

D．实验过程中，让同一小球从不同高度落下，目的是为了让小球获得不同的运动速度

【思路点拨】动能的决定因素有两个：质量和速度，在探究“物体动能的大小与哪些因素有关”时，应该利用控制变量法的思路，去分析解决；钢球把木块推出的距离长，说明动能大这是一种转换的方法。

【答案】C

【解析】A、球的动能是从木块被推出的距离看出的，这里采用了转换法的思想，故该选项说法正确；

B、球的动能与质量和速度都有关系，根据控制变量法，如分别控制小球滚下的高度、小球的质量等；故该选项说法正确；

C、斜面的光滑程度影响小球滚下的速度，木块的质量和软硬影响碰撞的程度，所以在实验器材的选择时，考虑斜面的光滑程度，木块的质量和软硬等因素，故该选项说法不正确；

D、让球滚到水平面上时获得的速度与球在斜面上的高度有关，同一小球从不同高度落下，目的是为了让小球获得不同的运动速度，故该选项说法正确。

【总结升华】本题全面地考查动能的大小与哪些因素有关，解答时注意多因素问题时需要运用控制变量法，反映动能多少时运用了转换法。

举一反三：

【变式】在探究“动能的大小与质量的关系”的实验中，记录数据如下。下列说法正确的是：（　　）

B．小球动能的大小通过木块移动的距离来判断

C．物体质量越大，动能一定越大

D．实验过程中运用了控制变量法和转换法

【答案】ABD

3、受高空落物伤人的启示，美军正在研制一种名为“上帝之杖”的太空武器。“上帝之杖”实质就是高密度、耐高温的金属棒，它要依托太空平台的搭载，借助小型火箭助推和高空下落产生的巨大动能，对地球战略目标实施打击，破坏力巨大。它攻击目标的巨大能量主要来源于（　　）

A．小型火箭助推动能                   B．与大气摩擦产生的能量

C．“上帝之杖”本身的内能               D．下落过程重力势能转化的动能

【思路点拨】解决该题需掌握以下知识：

（1）动能大小的影响因素：质量、速度．质量越大，速度越大，动能越大；

（2）重力势能大小的影响因素：质量、被举得高度．质量越大，高度越高，重力势能越大；

（3）在发生能量转化时，减小的能转化为增大的能。

【答案】D

【解析】“上帝之杖”在高空下落过程中，质量不变，而高度越来越小，因此其重力势能越来越小，

但它的速度越来越快，因此动能越来越大，在下落过程重力势能转化为动能，它获得的动能越大，破坏力就越强。

【总结升华】此题通过生活中发生的事件考查了影响动能和重力势能的影响因素，以及能量间的转化，要注意辨别。

举一反三：

【变式】玩“过山车”是一项非常惊险刺激的娱乐活动。如图所示，过山车时而从轨道的最低点D上升到最高点A，时而从最高点A飞驰而下。过山车在运动过程中，若不计能量损失，只有动能和势能的相互转化。下列说法正确的是（　　）

A．A点机械能小于B点机械能

B．D点动能最大，A点势能最大

C．D点动能最大，A点机械能最大

D．A点势能最大，机械能最大

【答案】B

4、如图所示，一辆在水平路面上匀速行驶的洒水车正在洒水作业，关于该洒水车，下列说法正确的是（　　）

A．机械能不变，重力势能不变                   B．机械能变小，重力势能动能变小

C．机械能不变，动能变小                       D．机械能变小，动能不变

【思路点拨】（1）动能大小的影响因素：质量和速度，质量越大，速度越大，动能越大；

（2）动能和势能统称为机械能。

【答案】B

【解析】（1）洒水车在不断的洒水工程中，虽然速度是不变的，但是由于质量减小，所以动能减小。

（2）虽然在水平街道上，但是由于质量减小，所以重力势能也会减小，所以洒水车的机械能减小。

【总结升华】掌握动能、重力势能、弹性势能大小的影响因素，根据影响因素能判断动能、重力势能和弹性势能的大小变化。

类型二、知识运用

5、 （2016•徐州二模）如图是一种神奇的“魔罐”，其制作方法是：橡皮筋两头分别固定在罐子的顶部和底部，在橡皮筋的中间系一个钩码．当你将“魔罐”在水平地面上滚出后，它能自动滚回来的原因是　    　能转化为       　能，“魔罐”滚回来后不能回到原抛出点的位置，主要原因是　     　。

【思路点拨】（1）动能的影响因素：质量和速度；弹性势能的影响因素：物体的形变程度；（2）此题中，由于罐与地面之间存在着摩擦力，所以罐的机械能会减小，魔罐滚回来后不能回到原抛出点的位置。

【答案】弹性势；动；克服摩擦做功，机械能减小

【解析】魔罐在开始滚动的时候，具有动能，滚动的过程中，罐子动能转化为橡皮筋的弹性势能，当动能为0时，弹性势能最大，魔罐开始向回滚动，在魔罐滚回来的过程中橡皮筋弹性势能减小，罐子动能增大，弹性势能转化为动能；由于罐与地面之间存在着摩擦力，所以罐的机械能会减小，即一部分机械能会转化为内能，故魔罐滚回来后不能回到原抛出点的位置。

【总结升华】本题考查动能和弹性势能的影响因素及机械能与内能的转化关系。

举一反三：

【变式】如图所示，小明从滑梯上下滑，在这一过程中，他的（　　）

A．动能转化为重力势能                B．重力势能全部转化为动能

C．机械能保持不变                    D．机械能一定减少

【答案】D

6、如图所示，小球从左端由静止释放，在左右摆动过程中，不计空气阻力，则（　　）

A．从最高点运动到最低点的过程，一部分重力势能转化为动能

B．从最低点运动到最高点的过程，一部分动能转化为重力势能

C．左侧最高点的高度大于右侧最高点的高度

D．左侧最高点的高度等于右侧最高点的高度

【思路点拨】本题考查的知识点：

（1）物体由于被举高而具有的能，叫重力势能。即物体相对于参照物有相对高度而具有的能叫重力势能。

（2）物体的动能由质量和速度决定，重力势能由质量和高度决定，分析摆动过程中质量、速度、高度的变化，判断出动能和重力势能的转化。

（3）机械能守恒的条件：只有动能和势能的相互转化或者只有重力做功，机械能才守恒。

【答案】D

【解析】A、图中小球的重力势能是指小球相对最低点有相对高度差产生的，小球从最高点运动到最低点的过程，质量不变，高度降到最低，相对最低点来说，高度为0，重力势能为0，速度达到最大，动能最大，所以不计空气阻力时，减小的重力势能全部转化成了动能，即当小球到达最低点时重力势能全部转化为动能，故A错误。

B、小球从最低点运动到最高点的过程，质量不变，高度升高到最高，速度变为0，所以重力势能最大，动能最小为0，所以不计空气阻力时，是动能全部转化为重力势能；故B错误。

C、D、小球在摆动过程中，不计空气阻力，所以机械能守恒；左右两侧最高点的速度都为0，即动能为0，则重力势能相同，所以两侧最高点的高度相等，故C错误，D正确。

【总结升华】本题考查能量转化的有关问题；机械能守恒在初中只是要求定性的会判断，不要求根据机械能守恒去定量计算。注意：我们说的重力势能一定是有相对高度的，本题的重力势能就是指小球和最低点的相对高度差产生的。

举一反三：

【变式】如图所示为小球在地面弹跳的频闪照片。根据此图，以下分析正确的是（　　）

A．小球在下落时，它的重力势能减小，动能不变

B．小球在上升时，它的重力势能减小，动能减小

C．小球在弹跳过程中，它的高度下降，机械能减小

D．小球在弹跳过程中，它的高度下降，机械能不变

【答案】C

【巩固练习】

一、填空题

1、物体由于______________而具有的能叫做动能；物体由于_________所决定的能叫做重力势能；物体由于发生_________而具有的能叫做弹性势能。动能和势能统称为___________。

2、动能和势能是可以相互________的。如果只在二者之间发生转化，则机械能的总和保持不变，即机械能_______________。

3、如图所示的实验中，一个用线悬挂的小球，在A、C间摆动，小球从B摆向C的过程中，小球的动能______，重力势能______。（填“增大”“减小”或“不变”）

4、自行车下坡时，不蹬踏板速度也会越来越快，在此过程中，自行车的动能逐渐___，自行车的重力势能逐渐____。

5、如图所示为同一弓，对比图A、B、C可知，箭射出最远的是_______，箭射出最近的是_______，由此可见，对同一弓来说，决定弹性势能大小因素是_____________。

二、选择题

6、（2016•淄博）如图所示，空中加油机正在给匀速水平飞行的战斗机加油，加油后战斗机仍以原来的高度和速度做匀速飞行，则战斗机的（　　）

A．动能不变，势能不变，机械能不变

B．动能不变，势能减少，机械能减少

C．动能增加，势能不变，机械能增加

D．动能增加，势能增加，机械能增加

7、2011年9月29日，在酒泉卫星发射中心，长征二号火箭成功地将“天宫一号”目标飞行器送入太空预定轨道。关于火箭加速上升时（如图所示）的说法正确的是（　　）

A．机械能不变 B．动能越来越大 C．动能越来越小 D．势能越来越小

8、下列各种情况中，属于动能转化为势能的是（　　）

A．“无边落叶萧萧下，不尽长江滚滚来” B．空中匀速下降的跳伞运动员

C．拧紧的钟表发条带动指针走动 D．正在上升的滚摆

9、（2016•安徽）掷实心球是某市的中考体育加试项目之一。掷出去的实心球从a处出手后，在空中运动的轨迹如图所示，球最终停在水平地面e点处（不计空气阻力）。则实心球（　　）

A．在a处重力势能最小

B．在b处动能为零

C．在a、b、c三处的机械能相等

D．在d处动能为零

10、某同学骑自行车下一长坡时，在途中由于车速过快，于是捏紧刹车，降低车速，保持安全速度匀速行至坡底，下车检查，发现刹车片发烫。有关此过程的说法中，正确的是（　　）

A．刚下坡时，是动能转化为重力势能

B．匀速下行时，是重力势能转化为动能

C．匀速下行时，机械能保持不变

D．刹车片发烫，是做功改变了内能

11、跳远运动的几个阶段如图所示，则运动员（　　）

A．助跑阶段动能不变 B．起跳时机械能为零

C．起跳后由于惯性继续前进 D．惯性越大，跳得越远

12、（多选题）在2012年欧洲杯足球比赛过程中，涉及许多物理知识，下列说法中正确的是（　　）

A．足球从空中下落时，重力势能转化为动能

B．踢出去的足球在水平草地上滚动时机械能保持不变

C．足球在水平草地上滚动时，重力对它做了功

D．停在水平地面上的足球受到的重力和支持力是一对平衡力

13、（多选题）“神舟七号”载人飞船的返回舱下落到地面附近时，由于受到空气阻力而做减速运动。在减速下降的过程中，返回舱的 ( )

A．动能减小 ．机械能保持不变

C．势能减小 ．动能不变，机械能减小

三、实验题

14、（2015•张家界）某兴趣小组提出利用“研究动能的大小与哪些因素有关”的实验装置（如图所示）与所需器材（斜面、木块、不同质量的小钢球）来探究“影响重力势能大小的因素”的设想。请你帮助完成如下实验方案：

（1）实验中通过观察　            　的大小，来判断小球重力势能的大小。

（2）本实验中若水平面绝对光滑则不能得出结论，原因是　                      　。

（3）实验中为了要探究重力势能与物体的质量的关系要选用上述图　  　，具体的操作方法是让小球从　      　（选填“相同”或“不同”）的高度由静止滚下。

（4）要探究重力势能与物体的高度的关系要选用上述图　    　，具体的操作方法是让小球从　   　（选填“相同”或“不同”）的高度由静止滚下。

（5）通过比较分析可以得出的结论是　                    　。

15、小明在用单摆做动能和势能转化的实验中，感到小球往返摆动的时间很有规律。于是猜想，小球往返摆动一次的时间可能与小球的质量、摆长以及摆动的幅度s有关。小明用图所示的装置，对猜想进行探究。

 (1)用一小球，使其摆动，记下小球往返摆动次数和所用的时间；在摆长不变的条件下，用质量不同的小球，重复实验。小明经计算分析得出结论:在摆长不变的条件下，小球往返摆动一次所用的时间与小球的质量无关。

 针对猜想，小明在实验过程中可能忽视的一个因素是:

 。

 (2)为了研究小球往返摆动一次所用时间与摆长的关系，请你写出实验方法。

 。

四、简答题

16、高空坠物伤人、毁物的事件时有发生，如图所示是“新华网”的一幅公益广告宣传画，请你分析高空坠落的花盆为什么被比作?

【答案与解析】

1、【答案】运动；高度；弹性形变；机械能 

2、【答案】转化  守恒

3、【答案】减小　 增大

4、【答案】变大   变小

5、【答案】C　 A　 弓弦的形变量大小

6、【答案】D

【解析】加油后战斗机仍以原来的高度和速度做匀速飞行，战斗机油量增加，质量增大，动能增大。战斗机的质量增大，高度不变，重力势能增大．机械能=动能+势能，战斗机没有发生弹性形变，不考虑弹性势能。动能增大，重力势能增大，机械能增大。故A、B、C错误。

7、【答案】B

【解析】A、火箭加速上升时，质量不变，速度增大，动能增大；高度增大，重力势能增大；火箭上升时没有发生弹性形变，不考虑弹性势能的变化，动能增大，重力势能增大，机械能增大。

B和C、火箭在加速上升时，质量不变，速度越来越大，所以动能越来越大。故B符合题意，C不符合题意。

D、火箭上升时，质量不变，高度越来越大，重力势能越来越大，火箭上升时没有发生弹性形变，不考虑弹性势能的变化，所以火箭上升时，势能越来越大 。

8、【答案】D

【解析】A、树叶落下、水向下流，高度减小，下落的过程中，速度越来越大，重力势能减小，动能变大，不符合题意；

B、跳伞运动员在匀速下降的过程中，速度不变，动能不变；高度降低，重力势能减小；不符合题意；

C、拧紧的钟表发条带动指针走动是弹性势能转化为动能；不符合题意；

D、滚摆下落的过程中，速度越来越大，动能越来越大，重力势能越来越小，重力势能转化为动能；上升的过程中，速度越来越小，动能越来越小，重力势能越来越大，动能转化为重力势能；符合题意。

9、【答案】C

【解析】A、重力势能的大小与物体的质量，高度有关，据图可知，d、e两点高度最小，重力势能最小，故A错误；B、据图可知，球再b点时，竖直方向是静止的，但在水平方向上仍有速度，所以此时的动能不是零，故B错误；C、不计空气阻力，即说明球在空中的机械能是守恒的，在a、b、c三处的机械能相等，故C正确；D、据图可知，球达到d点后没有静止，仍然向前滚动，所以动能不是零，故D错误。

10、【答案】D

【解析】A、刚下坡时，是重力势能转化为动能，故A错误；

B、匀速下行时，动能不变，所以不是重力势能转化为动能，故B错误；

C、匀速下行时，动能不变，重力势能转化为内能，故C错误；

D、刹车时，刹车片和轮胎互相克服摩擦做功，内能增加，这一过程中机械能转化成了内能，但能的总量不变，故D正确。

11、【答案】C

 【解析】A、运动员在助跑阶段由于速度不断加快，所以动能不断增大，故A错误；

B、运动员起跳时仍向前运动，所以有动能，故机械能不为零，故B错误；

C、运动员起跳后由于惯性要保持原来的运动状态，所以还要继续向前运动，所以C正确；

D、因为惯性大小由质量决定，如果只是惯性大，速度不大，是跳不远的，只有起跳时的速度足够快才能跳的更远，故D错误。

12、【答案】AD

【解析】A、下落的足球，质量不变，高度减小，速度增大，因此重力势能转化为动能，故A正确；

B、在水平草地上滚动的足球，重力势能不变，动能越来越小，因此机械能减小，故B错误；

C、足球受到的重力竖直向下，而足球在水平方向滚动，因此重力没有做功，故C错误；

D、足球受到的重力方向竖直向下，地面对足球的支持力方向竖直向上，二者大小相等、方向相反，作用在同一直线上，符合二力平衡的条件，故D正确。

13、【答案】AC  

【解析】返回舱减速说明速度减小，质量不变的情况下具有的动能减小；下降说明高度降低，质量不变，具有的重力势能减小，而动能和势能总和减小，故机械能减小。

14、【答案】1）木块被推出的距离；（2）小球与木块将会做匀速直线运动；（3）乙；相同；

（4）甲；不同；（5）重力势能的大小与物体的质量和高度有关

【解析】（1）在该实验中我们用到了转换的方法，即将小球重力势能的大小转化为其对木块做功的多少来比较，即小球推动木块越远，其对木块所做的功就越多，即具有的重力势能就越大；反之就越少；

（2）若水平面绝对光滑，根据牛顿第一定律，小球和木块将永远一直运动下去，没有运动距离的远近之分，就不能达到比较距离来比较重力势能的目的了。（3）为了探究重力势能与质量的关系，实验中采用质量不同的小球，在探究过程中要注意保持物体从同一高度由静止滚下；所以应选择乙图进行实验；（4）若要探究物体重力势能大小与物体高度的关系，则需让同一小球从不同高度滚下，所以应选择甲图进行实验；（5）通过比较分析可以得出的结论是：重力势能的大小与物体的质量和高度有关。

15、【答案】(1)小球摆动的幅度应保持不变(或摆动幅度)  

(2)用同一小球，在保持摆动幅度不变的条件下，比较摆长不同时，小球往返摆动。一次所用的时间。

　 【解析】本题中实验探究的关键是要采用“控制变量法”进行实验，在探究小球往返一次所用时间与小球质量的关系时，则应控制摆长和小球的摆动幅度都不变；在探究小球往返一次所用时间与摆长的关系时，则应注意控制小球的质量和摆动幅度都不变。

16、【答案】高空的花盆具有重力势能，一旦它向地面坠落，重力势能转化为动能，会对下方的行人和物体做功，造成意外的损害!