人教版8下物理11.4 機械能及其轉(zhuǎn)化（導(dǎo)學(xué)案）【教師版】VIP

11.4機械能及其轉(zhuǎn)化（導(dǎo)學(xué)案）【學(xué)習(xí)目標】1.能通過生活實例，認識物體的動能和勢能可以相互轉(zhuǎn)化。知道機械能，能解釋與機械能轉(zhuǎn)化有關(guān)的現(xiàn)象。2.通過分析生活現(xiàn)象和實驗中的動能和勢能相互轉(zhuǎn)化情況，發(fā)展科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等思維能力。3.經(jīng)歷動能和勢能相互轉(zhuǎn)化的探究過程，用科學(xué)方法進行分析，基于證據(jù)得出結(jié)論，并對探究過程和結(jié)果進行交流，提升科學(xué)探究能力。4.通過了解水能和風(fēng)能的利用，培養(yǎng)節(jié)約能源的意識，激發(fā)利用科學(xué)技術(shù)發(fā)展新能源的動力?！緦W(xué)習(xí)重點】動能和勢能之間的轉(zhuǎn)化。【學(xué)習(xí)難點】機械能守恒。【自主預(yù)習(xí)】閱讀教材，完成以下問題：1．機械能：動能、重力勢能和彈性勢能統(tǒng)稱為機械能。2．機械能及其轉(zhuǎn)化：動能和勢能之間可以(選填“可以”或“不可以”)相互轉(zhuǎn)化。3．機械能守恒：如果只有動能和勢能的相互轉(zhuǎn)化，盡管動能和勢能的大小會變化，但動能和勢能的總和不變，或者說，機械能是守恒的。4.水能和風(fēng)能的利用：自然界中的流水和風(fēng)都具有大量的機械能，可以用來發(fā)電。【合作探究】探究一、機械能及其轉(zhuǎn)化1.機械能【想一想】把一個鐵鎖用繩子懸掛起來，將鐵鎖拉到你的鼻子附近，穩(wěn)定后松手，鐵鎖向前擺去。你認為鐵鎖擺回時會打到你的鼻子嗎?【現(xiàn)象與分析】鐵鎖并不會碰到鼻子。松手后，鐵鎖離你而去，且速度的大小不斷變化，到達左側(cè)最高點后，鐵鎖又向你運動，接近你的鼻子之后，又會離你而去，循環(huán)往復(fù)。在這個過程中，鐵鎖的運動快慢在變化，說明動能在發(fā)生變化。同時，鐵鎖的高度也在變化，說明鐵鎖的重力勢能也在發(fā)生變化。但鐵鎖并不會碰到你的鼻子，這是什么原因呢?（2）機械能【問題】高空飛行中的飛機具有什么能量？【分析總結(jié)，建立機械能的概念】飛行中的飛機因為它在運動而具有動能，又因為它處于高空而具有重力勢能，一個物體可以既有動能，又有勢能，把這兩種能量加在一起，就是它的機械能。在物理學(xué)中，把動能、重力勢能和彈性勢能統(tǒng)稱為機械能。機械能是和物體的運動緊密聯(lián)系的能量。機械能的單位是焦耳（J）。2.動能和勢能的轉(zhuǎn)化（1）動能和重力勢能的轉(zhuǎn)化動能和重力勢能可以相互轉(zhuǎn)化。下面以單擺和滾擺的運動為例分析。①單擺實驗：如圖所示，擺球在豎直平面內(nèi)擺動，在A、C點時最高，在B點時最低，所以擺球的運動可分為下降段和上升段。其能量轉(zhuǎn)化情況見下表。運動過程高度重力勢能速度動能能的轉(zhuǎn)化A→B降低減小變大增大重力勢能轉(zhuǎn)化為動能B→C升高增大變小減小動能轉(zhuǎn)化為重力勢能C→B降低減小變大增大重力勢能轉(zhuǎn)化為動能B→A升高增大變小減小動能轉(zhuǎn)化為重力勢能【結(jié)論】單擺在擺動過程中，動能和重力勢能可以相互轉(zhuǎn)化。②滾擺實驗：如圖所示，將滾擺掛起來，捻動滾擺，使懸線纏繞在軸上，當(dāng)滾擺上升到最高點后，放開手，滾擺會下降和上升，能量變化的分析過程如下表所示。運動過程高度重力勢能速度動能能的轉(zhuǎn)化下降降低減小變大增大重力勢能轉(zhuǎn)化為動能上升升高增大變小減小動能轉(zhuǎn)化為重力勢能【結(jié)論】滾擺在擺動過程中，動能和重力勢能可以相互轉(zhuǎn)化。（2）動能和彈性勢能的轉(zhuǎn)化如圖所示，讓一個木球從斜面上滾下來，撞到水平面的一根彈簧上。分析其能量轉(zhuǎn)化的情況。研究的過程球的速度球的動能彈簧的形變程度彈簧的彈性勢能能的轉(zhuǎn)化乙木球壓縮彈簧逐漸減小直至為零逐漸減小直至為零由小變大逐漸增大動能轉(zhuǎn)化為彈性勢能丙彈簧把木球彈回由零逐漸增大由零逐漸增大由大變小逐漸減小直至為零彈性勢能轉(zhuǎn)化為動能【結(jié)論】動能和彈性勢能在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化。（3）歸納結(jié)論動能和勢能可以相互轉(zhuǎn)化。動能和重力勢能可以相互轉(zhuǎn)化，動能和彈性勢能可以相互轉(zhuǎn)化。注意：判斷動能和勢能的相互轉(zhuǎn)化的方法①動能和勢能的相互轉(zhuǎn)化過程中，必定有動能和勢能各自的變化，而且一定是此增彼減。②動能的增減變化要以速度的變化來判斷；重力勢能的增減變化要以物體離地面高度的變化來判斷；彈性勢能的增減要根據(jù)彈性形變大小的變化來判斷。（4）動能和勢能相互轉(zhuǎn)化的實例①人從滑梯下滑時，重力勢能轉(zhuǎn)化為動能。②拉弓射箭時，拉開的弓把箭射出去的過程中，弓的彈性勢能轉(zhuǎn)化為箭的動能。③撐桿跳高時，能量的轉(zhuǎn)化情況：起跳瞬間?：運動員的動能轉(zhuǎn)化為撐竿的彈性勢能。?上升過程?：撐竿的彈性勢能轉(zhuǎn)化為運動員的動能和重力勢能。?下落過程?：重力勢能轉(zhuǎn)化為動能?。3.機械能守恒（1）機械能守恒動能、勢能的大小會變化，它們的和是否變化呢？物理學(xué)家經(jīng)過大量的實驗研究與理論推導(dǎo)，得出了如下規(guī)律：如果只有動能和勢能相互轉(zhuǎn)化，盡管動能、勢能的大小會變化，但動能和勢能的總和不變。或者說，機械能是守恒的。（2）機械能守恒的條件只有動能和勢能的相互轉(zhuǎn)化，而沒有機械能與其他形式的能的相互轉(zhuǎn)化。（即忽略摩擦力造成的能量損失，機械能守恒也是一種理想化的物理模型）在物理學(xué)中常常出現(xiàn)“光滑的表面”、“不計空氣阻力”、“不計摩擦”等文字描述，表示沒有摩擦阻力，機械能是守恒的（選填“守恒”或“不守恒”）。（3）用機械能守恒及其轉(zhuǎn)化解釋現(xiàn)象①分析人造地球衛(wèi)星的機械能轉(zhuǎn)化人造地球衛(wèi)星的橢圓軌道示意圖許多人造地球衛(wèi)星沿橢圓軌道繞地球運行。離地球最近的一點叫近地點，最遠的一點叫遠地點。衛(wèi)星在大氣層外運行，不受空氣阻力，只有動能和勢能的轉(zhuǎn)化，因此機械能守恒（選填“守恒”或“不守恒”）。衛(wèi)星在遠地點時勢能最大，當(dāng)它從遠地點向近地點運動時，勢能減小，動能增大，勢能轉(zhuǎn)化為動能。當(dāng)衛(wèi)星從近地點向遠地點運動時，它的動能減小，勢能增大，動能轉(zhuǎn)化為勢能。②節(jié)前“問題”欄目中，用繩子把一個鐵鎖懸掛起來。把鐵鎖拉到自己的鼻子附近，穩(wěn)定后松手，鐵鎖向前擺去。你認為鐵鎖擺回時會打到你的鼻子嗎？【分析】在運動過程中鐵鎖的動能和重力勢能相互轉(zhuǎn)化，但它們的總和不變（忽略空氣阻力）。所以，鐵鎖在擺回時，不會打到鼻子。注意：實際上是存在空氣阻力的，所以鐵鎖的機械能并不守恒，逐漸變小，最終停下來。③分析過山車在運動過程中的能量轉(zhuǎn)化情況?！痉治觥繌腁到B的運動過程中，重力勢能轉(zhuǎn)化為動能；從B到C的運動過程中，動能轉(zhuǎn)化為重力勢能；從C到D的運動過程中，重力勢能轉(zhuǎn)化為動能。過山車運行過程中車與軌道之間有摩擦力，還受到空氣的阻力，機械能并不守恒，機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，不給其他動力的情況下，過山車最終停下來。（4）機械能不守恒的事例跳傘運動員勻速下落發(fā)射的航天器①跳傘運動員勻速下落：跳傘運動員勻速下落時，動能不變，重力勢能減小，機械能減小，不守恒。②發(fā)射的航天器：剛發(fā)射的航天器是加速上升的，動能變大，重力勢能變大，機械能增大，不守恒。（以上均選填“增大”、“減小”或“不變”）【例題1】如圖所示，將擺球從A點靜止釋放，經(jīng)過最低點O到達B點，A、B兩點等高，擺球到達B點時動能為______J；擺球從A點到O點的過程中，_______能轉(zhuǎn)化為動能。整個過程中，擺球的機械能大小______（選填“不變”或“減小”）?！敬鸢浮?；重力勢；不變?！窘馕觥啃∏蛟贏點時靜止，動能為零，從A點由靜止釋放，能達到與A點等高的B點，說明沒有能量損失，即機械能守恒。由于B點與A點等高，重力勢能相等，所以B點動能與A點相同也為0。擺球從A點運動到O點的過程中，擺球的質(zhì)量不變，高度減小，重力勢能逐漸減小，速度變大，動能逐漸變大。此過程中，重力勢能轉(zhuǎn)化為動能?！纠}2】在溫哥華冬奧會上，來自黑龍江省的選手李妮娜在自由式滑雪比賽中獲得銀牌。她在比賽過程中運動的軌跡如圖所示，如果不計空氣阻力，則從a點向b點運動過程中，動能____（選填“增大”、“減小”或“不變”）；她在a點處的機械能_______她在c點處的機械能；c點的機械能______d點的機械能（選填“大于”、“小于”或“等于”）?！敬鸢浮吭龃螅笥?，等于?！窘馕觥繌腶點下滑到b點過程中，高度減小，重力勢能減小，速度增大，動能增大；從a點運動到c點的過程中，由于要克服雪面摩擦力做功，會消耗一部分機械能，則在a點的機械能大于c點的機械能。運動員從c點到d點運動時騰空運動，d點是落地點，運動過程中與雪面沒有接觸，忽略空氣阻力，機械能不變，則c點的機械能與d點的機械能相等。探究二、水能和風(fēng)能的利用地球上，海水潮汐漲落，江河日夜奔騰；有時微風(fēng)拂面，有時狂風(fēng)勁吹。從能量的角度來看，自然界的流水和風(fēng)都具有大量機械能的天然來源，即水能和風(fēng)能都是機械能。【思考】1.什么是水能？古代、現(xiàn)代人們是怎樣利用水能的？2.什么是風(fēng)能？古代、現(xiàn)代人們是怎樣利用風(fēng)能的？閱讀教材第98頁?99頁《水能和風(fēng)能的利用》，歸納如下。1.水能（1）水能：流動的水具有動能，高處的水具有重力勢能，水所具有的機械能統(tǒng)稱為水能。水能的大小由流量、流速和水位差決定。（2）古代對水能的利用：早在1900多年前，我們的祖先就制造了水輪，讓流水沖擊水輪轉(zhuǎn)動，用來汲水、磨粉、碾谷。水能發(fā)電站（3）水能發(fā)電站：將水的機械能轉(zhuǎn)化成電能。修筑攔河壩提高上游水位，壩底裝水輪機，發(fā)電機裝在水輪機上面，它們的軸連接在一起，水輪機帶動發(fā)電機發(fā)電。一定量的水，上、下水位差越大，水的重力勢能越大，能發(fā)出的電就越多。2.風(fēng)能（1）風(fēng)能：流動的空氣所具有的機械能叫做風(fēng)能。風(fēng)能的大小由風(fēng)速和流動空氣的質(zhì)量決定。（2）古代對風(fēng)能的利用：我國早在2000多年前就開始利用風(fēng)來驅(qū)動帆船航行；至少1700多年前已開始利用風(fēng)來推動風(fēng)車做功。利用風(fēng)能的帆船風(fēng)田車（3）風(fēng)能發(fā)電站：將風(fēng)的機械能轉(zhuǎn)化成電能。單個風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率較小，在風(fēng)力資源豐富的地區(qū)，可以同時安裝幾百臺風(fēng)力發(fā)電機，組成“風(fēng)車田”，連在一起供電。3.抽水蓄能電站在生活和生產(chǎn)中，人們用電的情況時常會發(fā)生變化。有時電力系統(tǒng)發(fā)出的電無法得到使用，電網(wǎng)又沒辦法儲存，既造成大量的浪費，又影響供電系統(tǒng)的安全。如圖所示，抽水蓄能電站建有上、下兩座水庫，兩座水庫互通，水流雙向運行。抽水蓄能電站利用電力負荷低谷時的電能抽水至上水庫，在電力負荷高峰期再放水至下水庫，進行發(fā)電（選填“上水庫”或“下水庫”）。這樣的抽水蓄能電站可以提升電力系統(tǒng)的靈活調(diào)節(jié)能力，具有調(diào)峰、填谷、儲能等功能，能提高電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性，為實現(xiàn)新能源安全可靠替代傳統(tǒng)能源、推動綠色低碳發(fā)展提供條件。【例題3】衢江抽水蓄能電站全面投產(chǎn)發(fā)電，工作原理如上圖所示，用電低谷時（如深夜），電站利用電網(wǎng)多余電能把水從下水庫抽到上水庫中儲存起來；用電高峰時，再利用上水庫中的水發(fā)電。（1）蓄能時，水被抽到上水庫，此過程是將____能轉(zhuǎn)化為水的機械能。（2）抽水蓄能電站選址衢江黃壇口，不僅因當(dāng)?shù)厮Y源豐富，同時還考慮到當(dāng)?shù)氐貏葺^陡，這樣建成的電站上、下水庫的高度差比較____，有利于蓄能與發(fā)電?！敬鸢浮浚?）電；（2）大.【解析】（1）蓄能時，水被抽到上水庫中，電能轉(zhuǎn)化為水的機械能；（2）抽水蓄能電站在發(fā)電時，從能量的角度看，是將水的機械能最終轉(zhuǎn)化為電能，水的機械能越大轉(zhuǎn)化獲得的電能越多，所以建成的電站上、下水庫的高度差應(yīng)該比較大，最初水的重力勢能較大，有利于蓄能與發(fā)電。【精講點撥】1.機械能（1）機械能是物體動能、重力勢能和彈性勢能的統(tǒng)稱，機械能等于三者之和。（2）物體的機械能由動能、重力勢能和彈性勢能共同決定。質(zhì)量、速度、高度、彈性形變程度均會影響物體的機械能。2.機械能守恒（1）如果只有動能和勢能的相互轉(zhuǎn)化，動能和勢能的總和不變，即機械能守恒。（2）機械能守恒的條件：只有動能和勢能的相互轉(zhuǎn)化，而沒有機械能與其他形式的能的轉(zhuǎn)化。（即忽略摩擦力造成的能量損失，所以機械能守恒也是一種理想化的物理模型）。在物理學(xué)中常常出現(xiàn)“光滑的表面”、“不計空氣阻力”、“不計摩擦”等文字描述，表示沒有摩擦阻力，機械能是守恒的。（3）機械能不守恒的情況：實際生活中，一般情況下，機械能會與其他形式的能發(fā)生轉(zhuǎn)化，機械能不守恒。①機械能轉(zhuǎn)化為其他形式的能。例如滾擺在擺動時與空氣摩擦，機械能轉(zhuǎn)化為空氣的內(nèi)能，最后會停下來。②其他形式的能轉(zhuǎn)化為機械能。例如火箭升空，燃料的能量轉(zhuǎn)化為機械能。【歸納整理】第4節(jié)機械能及其轉(zhuǎn)化【課堂練習(xí)】1．如圖所示，用輕質(zhì)細繩懸掛一小球在豎直平面內(nèi)擺動。在某次擺動過程中，小球依次經(jīng)過A、B、C三點，A、C兩點高度相同，B點為最低點，不計空氣阻力，下列說法正確的是（

）A．小球在B點動能最大B．小球從B點運動到C點，重力勢能轉(zhuǎn)化為動能C．A、C兩點速度大小不同D．小球機械能不守恒【答案】A【詳解】A．根據(jù)題意可知，B點為最低點，則小球在B點時速度最大，所以在B點時動能最大，故A正確；B．小球從B點運動到C點，質(zhì)量不變，高度變大，速度變小，則重力勢能增多，動能減少，將動能轉(zhuǎn)化為重力勢能，故B錯誤；CD．不計空氣阻力，小球機械能守恒，則小球在A、C兩點的機械能相等，A、C兩點高度相等，重力勢能相等，機械能等于動能和勢能之和，所以A、C兩點動能相等，根據(jù)動能大小的影響因素可知，A、C兩點速度大小相同，故CD錯誤。故選A。2．如圖為一擺球從左側(cè)A點擺到右側(cè)最高點B的過程圖，請在圖中三個位置的擺球上用“1”和“2”分別標注出機械能最大位置和動能最小位置。【答案】見右圖。【解析】擺球從左側(cè)A點擺到右側(cè)最高點B的過程圖，克服空氣的阻力做功，一部分機械能轉(zhuǎn)為內(nèi)能，所以在該過程中，擺球的機械能逐漸減小。所以在A點的機械能是最大的，應(yīng)標注“1”；擺球運動到B點時，擺球的質(zhì)量不變，速度最小，動能最小，應(yīng)標注“2”，如圖所示。3.如圖所示的摩天輪是武漢的一個地標建筑——“東湖之眼”，直徑達49.9米，有28個座艙，游客可以通過它看到東湖的別樣之美。若小明隨座艙在豎直平面內(nèi)勻速轉(zhuǎn)動，從最低點轉(zhuǎn)動到最高點的過程中，小明的動能，重力勢能；從最高點轉(zhuǎn)動到最低點的過程中，小明的機械能（以上均選填“增大”、“減小”或“不變”）?！敬鸢浮坎蛔冊龃鬁p小【詳解】小明隨座艙在豎直平面內(nèi)勻速轉(zhuǎn)動，從最低點轉(zhuǎn)動到最高點的過程中，質(zhì)量不變，速度不變，所以動能不變；質(zhì)量不變，高度變大，所以重力勢能變大。從最高點轉(zhuǎn)動到最低點的過程中，質(zhì)量不變，速度不變，所以動能不變；質(zhì)量不變，高度減小，所以重力勢能減小；動能不變，重力勢能減小，所以機械能減小。4.擲實心球是通遼中考體育測試項目之一，如圖所示是某同學(xué)擲出的實心球的運動軌跡，O點是實心球剛離開手的位置，A點是實心球運動到最高點的位置，B點是實心球落地前瞬間的位置，不計空氣阻力，下列說法正確的是（）A．實心球在最高點A時，動能為零B．實心球從O點運動到A點時，動能轉(zhuǎn)化為重力勢能C．實心球從O點運動到B點的動能先增大后減小D．實心球在O點的機械能大于在B點的機械能【答案】B.【解析】A．實心球在最高點時，具有水平方向的速度，故動能不為零，A錯誤。B．實心球從O點運動到A點時，高度增大，重力勢能增大，速度減小，動能減小，故為動能轉(zhuǎn)化為重力勢能，故B正確；C．實心球從O點運動到B點，速度先減小后增大，所以動能先減小后增大，故C錯誤；D．不計空氣阻力，只有動能和重力勢能進行轉(zhuǎn)化，機械能守恒，故D錯誤。所以選B.5.如圖，光滑水平桌面上的彈性小球被彈出后，經(jīng)過A點和B點后落到地面，又被多次彈起，圖中虛線為小球的運動軌跡。下列有關(guān)小球的運動，描述正確的是（）A．小