11.4 机械能及其转化（解析版）.docx

更多资料添加微信号：DEM2008 淘宝搜索店铺：优尖升教育 网址： 11.4 机械能及其转化（解析版） 考点直击 典例分析＋变式训练 考点1 机械能的概念 （1）动能和势能之和称为机械能。 动能和势能都属于机械能，动能是物体运动时具有的能量，势能是存储着的能量，动能和势能是机械能的两种表现形式。 （2）机械能大小：动能和势能的总和。 【典例1】（春•西岗区期末）关于机械能，以下说法正确的是（　　） A．质量大的物体，具有的机械能一定大 B．弹簧具有弹性，所以弹簧一定具有弹性势能 C．人在荡秋千时，人具有的动能大小保持不变 D．一块石头被举得越高，它具有的重力势能越大 【答案】D。 【分析】（1）物体由于运动而具有的能，叫做动能。质量越大，速度越大，动能越大； （2）物体由于被举高而具有的能量，叫做重力势能。质量越大，高度越高，重力势能越大； （3）物体由于发生弹性形变而具有的能，叫做弹性势能。同一物体在弹性限度内，弹性形变程度越大，弹性势能就越大； （4）机械能等于动能和势能之和。 【解答】解：A.机械能等于动能和势能之和，影响动能大小的因素有质量和速度，影响重力势能大小的影响因素有质量和被举高的高度，因此质量大的物体，具有的机械能不一定就大，故A错误； B.弹性势能的大小与弹性形变的大小有关，当弹簧没有发生弹性形变时，弹簧就不具有弹性势能，故B错误； C.人在荡秋千时，速度大小在变化，因此人具有的动能大小也在变化，故C错误； D.质量越大，高度越高，重力势能越大，故D正确。 故选：D。 【典例2】（春•蜀山区期末）如图所示，物体沿斜面匀速下滑的过程中，其机械能在 　减小　（选填“增大”、“减小”或“不变”）。 【答案】减小。 【分析】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；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；根据机械能等于动能和重力势能之和判断即可。 【解答】解：物体沿斜面匀速下滑的过程中，物体的运动速度不变，动能不变；下滑高度减小，重力势能减小。动能不变，重力势能减小，所以机械能减小。 故答案为：减小。 【变式训练1】（•常州模拟）如图所示，下列事例中机械能不变的是（　　） A．火箭加速升空 B．小孩慢慢滑下 C．汽车水平路减速中 D．卫星绕地转动 【答案】D。 【分析】机械能包括动能和势能；动能的大小与质量和速度有关；重力势能大小与质量和高度有关；在分析动能和重力势能之间的转化过程中，机械能的变化情况时，要搞清题目提供的条件或环境。 【解答】解：A、火箭加速升空的过程中，质量不变，速度变大，动能变大；质量不变、高度变大，重力势能变大，所以机械能变大，故A不符题意。 B、小孩从滑梯慢慢滑下，由于克服摩擦做功，消耗一部分机械能转化为内能，机械能变小，故B不符题意。 C、汽车减速过程中，质量不变，速度变小，动能变小；质量不变、高度不变，重力势能不变，所以机械能变小，故C不符题意。 D、卫星绕地球转动，动能和势能相互转化，由于没有能量损失，机械能不变，故D符合题意。 故选：D。 【变式训练2】（•绿园区一模）如图a、b为竖直向上抛出的小石块在上升过程中动能和重力势能随高度变化的图线（不计阻力），其中　a　是动能﹣高度关系图线，小石块上升到5m时的机械能为　4　J。 【答案】a；4。 【分析】影响动能大小的因素有物体的质量和运动速度，影响重力势能大小的因素有物体的质量和被举高的高度，动能和势能统称机械能。 【解答】解：抛出的小石块在上升过程中，受竖直向下重力的作用，则小石块上升的速度越来越小，当小石块的质量一定时，速度减小，小石块的动能减小，由图可知，图线a是小石块动能﹣高度关系图线；在只有动能和势能转化过程中，机械能总量保持不变，由于小石块的机械能总量E＝2J+2J＝4J，即当小石块上升至5m时，小石块的机械能为4J。 答：a；4。 考点2 动能和势能的转化与机械能守恒 （1）动能和重力势能之间可以相互转化。动能和重力势能之间的相互转化一般发生在只受重力作用下的运动过程中，例如滚摆在下降的过程中，越转越快，它的重力势能越来越小，动能越来越大，重力势能转化为动能；滚摆在上升过程中，越转越慢，它的重力势能越来越大，动能越来越小，动能转化为重力势能； （2）动能和弹性势能之间也可以相互转化。它可以发生在同一物体上，也可以发生在不同物体之间，例如，从高处落下的皮球与地面撞击的过程中，由于皮球发生弹性形变，皮球的动能转化为弹性势能，皮球在恢复形变的过程中，它的弹性势能转化为动能．拉弯的弓把箭射出去的过程中，拉弯的弓具有弹性势能，射出去的箭具有动能，这是弓的弹性势能转化为箭的动能； （3）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，或者说，机械能是守恒的。 做功角度：只有重力或弹力做功，无其它力做功；其它力不做功或其它力做功的代数和为零；系统内如摩擦阻力对系统不做功。  能量角度：首先只有动能和势能之间能量转化，无其它形式能量转化；只有系统内能量的交换，没有与外界的能量交换。 ※机械能守恒一般都是理想状态下才发生的，物体能量的转化一般都不太可能只有机械能的转化，还有其他能量的转化。 【典例3】（•海安市模拟）将不同质量的钢球从如图所示光滑轨道ABCD上的A点释放，通过水平面BC，运动到斜面CD上的过程中（不计空气阻力），下列相关解释中正确的有（　　） A．从A运动到B的过程中重力势能转化为动能和内能 B．钢球在水平面BC上由于受到惯性，所以能继续向前运动 C．钢球的质量越大，到达B点时的速度越大 D．钢球在斜面CD上受到的重力和支持力不是一对平衡力 【答案】D。 【分析】（1）轨道是光滑的，且不计空气阻力，则小球在滚动的过程中，其机械能是守恒的；动能的大小与质量和速度有关，重力势能的大小与质量和高度有关； （2）任何物体都有惯性，惯性是保持原来运动状态不变的性质，不是力； （3）物体从斜面上滚下后，达到水平面时的速度大小与高度有关，与物体的质量无关； （4）一对平衡力必须满足：大小相等、方向相反、作用在同一直线上、作用在同一物体上。 【解答】解： A、从A运动到B的过程中，钢球的质量不变，高度减小，速度变大，则重力势能减小，动能变大，所以该过程中重力势能转化为动能，由于轨道ABCD是光滑的，不存在摩擦，且不计空气阻力，所以重力势能不会转化为内能，故A错误； B、钢球在水平面BC上由于具有惯性，所以能继续向前运动，惯性是一种性质，不能说受到惯性，故B错误； C、钢球从A点滑下，到达B点时，由于下降的高度相同，则达到水平面时的速度相同，与钢球的质量无关，故C错误； D、钢球在斜面CD上受到的重力和支持力没有在同一条直线上，不是一对平衡力，故D正确。 故选：D。 【典例4】（春•隆回县期末）小明在游乐园中玩蹦极，如果不考虑空气阻力与蹦极绳的质量，则关于它在下降过程中的能量分析，下列说法错误的是（　　） A．弹性绳绷直前，人的重力势能全部转化成人的动能，人的动能一直增加 B．弹性绳绷直后，人的重力势能向弹性势能转化，动能不变 C．整个下落过程中人与蹦极绳组成的系统机械能守恒 D．下降到最低点，重力势能、动能最小，弹性势能最大 【答案】B。 【分析】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。 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。 弹性势能的影响因素是弹性形变的程度，形变越大，势能越大。 机械能为动能和势能的和。 【解答】解：A、不计空气阻力，人的机械能是守恒的，保持不变，弹性绳绷直前，人在重力的作用下向下做加速运动，人的质量不变，高度变小，人的重力势能减小，人的质量不变，速度变大，动能增大，故A正确； B、弹性绳绷刚直后，人的质量不变，高度变小，重力势能变小，此时弹力小于重力，人向下做加速运动，人的速度变大，动能变大；当弹力等于重力时，人的速度最大，动能最大；继续向下运动的过程中，弹力大于重力，人做减速运动，速度变小，动能变小，故B错误； C、不计空气阻力与蹦极绳的质量，人与蹦极绳组成的系统机械能守恒，故C正确； D、下降到最低点时，高的质量不变，高度最小，所以人的重力势能最小，人的速度为0，动能为0，动能最小；此时弹性绳发生的形变程度最大，弹性绳的弹性势能最大，故D正确。 故选：B。 【典例5】（春•石家庄期末）2022年冬奥会将在北京举行，我国优势项目自由式滑雪在国际比赛中屡获殊荣。某次比赛过程中运动员的轨迹如图所示，下列说法正确的是（　　） A．从a点滑向b点运动过程中，运动员机械能一直不变 B．在a点和c点运动员速度都为零，运动员处于平衡状态 C．从a点到e点的过程中，运动员的机械能先增大后减小 D．从c点由空中下落到d过程中，运动员重力势能减小动能增加 【答案】D。 【分析】机械能包括动能和势能；动能的大小与质量和速度有关；重力势能大小与质量和高度有关； 在分析动能和重力势能之间的转化、机械能的变化情况时，要搞清题目提供的条件或环境，此题的条件是：滑雪板与雪之间存在摩擦。 【解答】解：A、从a点下滑到b点过程中，由于滑雪板与雪间存在摩擦力，克服摩擦做功，机械能转化为内能，机械能减小，故A错误； B、在a点和c点运动员速度都为零，在a点受重力和支持力，这两个力不在同一直线上，不是平衡力，此时运动员不是平衡状态，在c点时运动员只受重力，不是平衡状态，故B错误； C、从a点下滑到e点过程中，由于雪板与雪间存在摩擦力，克服摩擦做功，机械能转化为内能，机械能一直减小，故C错误； D、从c点下落到d点过程中，高度减小，重力势能减小，速度增加，动能增加，重力势能转为动能，故D正确。 故选：D。 【典例6】（•江西模拟）如图所示，把一个铁锁用绳子悬挂起来，将铁锁拉到自己的鼻子附近，稳定后松手，铁锁向前摆去，铁锁摆回时 　不会　（选填“会”或“不会”）打到自己的鼻子。铁锁在摆动过程中，机械能是 　不守恒　（选填“守恒”或“不守恒”）的。 【答案】不会；不守恒。 【分析】（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）物体上升过程中动能转化为重力势能；物体下落时重力势能转化为动能；不计摩擦时，机械能的总量是不变的。 【解答】解：铁锁在摆动过程，不断与空气摩擦，有一部分机械能转化为内能，机械能减小，即机械能不守恒；鼻子和铁锁的初始高度相同，整个过程中铁锁的机械能减小，所以铁锁摆回时重力势能也会减小，达不到鼻子的高度，故铁锁摆回时不会打到鼻子。 故答案为：不会；不守恒。 【典例7】37．（春•爱辉区期末）怎样向地板抛乒乓球，才能使它弹跳到高于原来抛球的位置，说明这种抛法的理由？ 【分析】动能和势能可以相互转化，但在转化的过程中，由于要克服空气阻力等，要有一部分机械能转化为内能。根据这一规律可对本题中的问题做出解答。 【解答】答：用力向下； 若乒乓球自由下落，由于空气阻力的作用，乒乓球最终弹回来时的机械能总量会减小，不会回到原来的位置。若要使它高于原来抛出的位置，应通过外力使它一开始就具有较多的机械能，小球此时的机械能大于抛出点的重力势能，弹到原点后仍具有动能，还可以上向运动，故应用力向下抛。 【变式训练1】（•烈山区一模）如图所示，用轻质弹簧（弹簧质量和空气阻力忽略不计）把小球挂在天花板上，当小球从如图水平位置放手后摆动到最低点的过程中，下列说法正确的是（　　） A．小球的机械能守恒 B．小球重力势能的减少量等于小球动能的增加量 C．小球重力势能的减少量大于小球动能的增加量 D．小球重力势能的减少量小于弹簧弹性势能的增加量 【答案】C。 【分析】小球下降过程中，重力和弹簧弹力做功，小球和弹簧系统机械能守恒。据此结合以下知识分析解答： （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； （3）弹性势能的大小与物体的形变程度有关，形变程度越大，弹性势能越大； （4）不计空气阻力时，机械能没有转化为内能，机械能守恒。 【解答】解：A、当小球从如图水平位置放手后摆动到最低点的过程中，小球的质量不变，速度变大，同时高度降低，弹簧的弹性形变变大，故小球的重力势能减小、动能增加，弹簧弹性势能增加，即小球的重力势能一部分转化为小球的动能另一部分转化为弹簧的弹性势能；弹簧质量和空气阻力忽略不计，小球和弹簧系统机械能守恒，但小球的机械能不守恒。故A错误； B、C、D、当小球从如图水平位置放手后摆动到最低点的过程中，重力势能减小，动能增加，弹性势能增加，重力势能的减小量等于小球动能的增加量与弹簧弹性势能增加量之和，所以小球重力势能的减小量大于小球动能的增加量，小球重力势能的减小量也大于弹簧弹性势能的增加量，故B、D错误，C正确。 故选：C。 【变式训练2】（春•方城县期末）我们居住的城市高楼林立，如不小心发生高空坠物事件，可能给人们的生命财产造成损害。日前，某小区的陈先生早上下楼取车时发现车的后挡风玻璃穿了一个孔，上面还插着一个可乐瓶，肇事的可乐瓶里还有可乐。对此，下列描述正确的是（　　） A．可乐瓶从高空坠落，动能转化为重力势能 B．可乐瓶坠落时机械能变大 C．可乐瓶从高空坠落，重力势能转化为动能 D．可乐瓶砸在挡风玻璃的瞬间，具有很大的重力势能 【答案】C。 【分析】被举高的物体具有重力势能，在物体下落时，重力势能会转化为动能对外做功。物体的质量越大、高度越高，重力势能越大，其转化为动能时，往往也会越大。据此来对本题中的现象进行分析。 【解答】解：AC、可乐瓶从高空坠落，高度变小，重力势能减小，速度变大，动能变大，重力势能会转化为动能，而不是动能会转化为重力势能，故A错误，C正确； B、可乐瓶坠落时，克服与空气的摩擦做功，一部分机械能转化为内能，机械能变小，故B错误； D、可乐瓶砸在挡风玻璃的瞬间，其速度达到最大，具有很大的动能，故D错误。 故选：C。 【变式训练3】（•鞍山）如图所示，小球由静止开始沿着粗糙的曲面从a点向d点运动，其中b和d两点在同一水平高度。下列说法中正确的是（　　） A．小球从a点运动到c点，重力势能全部转化为动能 B．小球在b点的机械能大于在c点的机械能 C．小球在b点的动能等于在d点的动能 D．小球从a点运动到d点的过程中，机械能一定全部转化为内能 【答案】B。 【分析】（1）影响重力势能大小的因素有：质量和高度；质量越大，高度越高，则重力势能越大； 影响动能大小的因素有：质量和速度；质量越大，速度越快，则动能越大。 （2）如果忽略摩擦阻力，则动能和势能相互转化时，物体的机械能是守恒的；若存在摩擦阻力，一部分机械能会转化为内能，机械能减小。 【解答】解： A、从a点到c点过程中，小球的质量不变，高度变小，则重力势能变小，同时速度变大，动能变大，重力势能会转化为动能，由于小球在滚动的过程中受摩擦力的作用，小球克服摩擦力做功，所以一部分重力势能会转化为内能，故A错误； B、因小球在滚动过程中要克服摩擦力做功，机械能会逐渐减小，所以小球在b点的机械能大于在c点的机械能，故B正确； C、小球从b运动到d的过程中，有一部分机械能会转化为内能，故小球在b点的机械能大于在d点的机械能； 已知b和d两点在同一水平高度，即两位置小球的重力势能相同，根据“机械能＝动能+势能”可知，小球在b点的动能大于在d点的动能，故C错误； D、小球运动到d点时具有一定的高度，有一定的机械能，所以，小球从a到d的过程中，机械能不是全部转化为内能，故D错误。 故选：B。 【变式训练4】（•海淀区一模）如图所示，游乐场中，从高处A到水面B处有两条长度相等的光滑轨道。体重不同的甲、乙两小孩沿着不同轨道同时从A处自由滑向B处，若不计空气阻力，下列说法中不正确的是（　　） A．甲、乙在下滑过程中所受重力做功不相等 B．甲从 A 到 B，重力势能一定减小 C．甲、乙在下滑过程中机械能守恒 D．甲、乙到达 B 点时的动能相同 【答案】D。 【分析】由于轨道是光滑的，不计空气阻力，所以机械能是守恒的；根据W＝Gh比较重力做功的大小；根据影响动能和势能大小的因素比较动能、势能的大小。 【解答】解： A、甲、乙从A处自由滑向B处，下降的高度是相同的，但两小孩的重力不同，根据W＝Gh可知，重力做功不相等，故A正确； B、甲从 A 到 B，其质量不变，高度减小，重力势能一定减小，故B正确； C、由于轨道是光滑的，且不计空气阻力，所以甲、乙在下滑过程中机械能守恒，故C正确； D、由图可知，甲、乙在A点时，高度相同，由于重力不同，则二人的重力势能不同，根据机械能守恒可知，他们到达B点时的动能也是不同的，故D错误。 故选：D。 【变式训练5】（•铜仁市）如图所示，小球从A点摆到C点的过程中，不计空气阻力。 　重力势　能会先减小后增大：机械能总和 　不变　（选填“增大”、“减小”或“不变”）。 【答案】重力势；不变。。 【分析】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；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。 【解答】解：小球从A 点开始向B 点摆动过程中，高度减小，重力势能减小，速度变大，动能变大，从B点摆到C 点的过程中，高度变大，重力势能变大，速度变小，动能变小。所以重力势能会先减小后增大，动能先增大后减小；整个过程没有空气阻力，即只有动能和势能的相互转化，所以机械能守恒，即机械能的总和不变。 故答案为：重力势；不变。 【变式训练6】（•大连模拟）如图所示，是小孩荡秋千过程中的简化图，不计空气阻力，请你回答下列问题： （1）他从A点荡到C点的能量是如何转化的？其机械能如何变化？ （2）若在C点时一切外力消失，他会处于什么状态？请说明理由。 【分析】（1）重力势能的大小与质量、高度有关；质量一定，高度越高，重力势能越大；高度一定，质量越大，重力势能越大。 动能的大小与质量、速度有关；质量一定，速度越快，动能越大；速度一定，质量越大，动能越大。 （2）根据牛顿第一定律可知，当物体不受任何外力的时候，总保持匀速直线运动状态或静止状态，在力消失的一瞬间，原来运动的物体将做匀速直线运动，原来静止的物体将永远静止下去。 【解答】答：（1）从A到B的下降过程，质量不变，高度越来越低、速度越来越快，所以重力势能减小，动能增大，此过程重力势能转化为动能； 从B到C的上升过程，质量不变，高度越来越高，速度越来越慢，所以重力势能减小，动能增加，此过程动能转化为重力势能； 不计空气阻力，动能和重力势能的转化过程中，没有能力损失，机械能大小不变。 （2）小球从B到C的过程中由动能转化为重力势能，C点为最高点，小球重力势能最大，速度为零；若一切外力突然消失，由牛顿第一定律可知，小球将保持静止状态不变。 考点3 机械能和其他形式能的转化 各种形式的能量都可以相互转化，如电能可以转化为光能和内能；太阳能可以转化为电能等，动能和势能的相互转化只是能量相互转化中的一种形式，能量转化过程中一种能量减少，另一种能量增加。 【典例8】（•淮安二模）年5月5日18时00分，中国载人空间站工程研制的相当于18层楼高的长征五号B运载火箭，搭载新一代载人飞船试验船和柔性充气式货物返回舱试验舱，在文昌航天发射场点火升空。在现役的各国运载火箭中，长征五号B运载火箭的运力是世界一流水平，如图所示是火箭发射时的情景，关于试验船加速上升的过程中，下列说法正确的是（　　） A．动能变大，势能变大，机械能变大 B．动能变小，势能变大，机械能变大 C．动能变大，势能变小，机械能保持不变 D．动能变小，势能变大，机械能保持不变 【答案】A。 【分析】（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）机械能＝动能+势能。 【解答】解： 试验船加速上升的过程中，实验船的质量不变，速度增大，动能增大；高度增大，重力势能增大；实验船升空时，没有发生弹性形变，不具有弹性势能；机械能＝动能+重力势能，机械能增大。 故选：A。 【变式训练1】（•古蔺县校级一模）木块从粗糙的斜面顶端匀速下滑到底端的过程中（　　） A．木块的重力势能全部转化为动能 B．木块的动能不变，重力势能减小 C．木块的机械能不变 D．木块的机械能全部转化为内能 【答案】B。 【分析】（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）机械能＝动能+势能。物体没有发生弹性形变时，不考虑弹性势能，势能只考虑重力势能。 【解答】解： 物体沿斜面匀速下滑的过程中，质量不变，速度不变，所以物体的动能保持不变；同时高度减小，所以物体的重力势能减小，但重力势能没有转化为动能；因机械能＝动能+势能，所以物体的机械能减小；该过程中物体受到摩擦力的作用，要克服摩擦力做功，机械能转化为内能，由于物体下滑过程中有一定的动能，所以可知机械能没有全部转化为内能，故B正确，ACD错误。 故选：B。 课堂巩固训练 一、选择题。 1．（春•芝罘区期末）一只皮球从高处落下，碰地后发生形变，又反跳起来，则下列各阶段中皮球的弹性势能转化为动能的是（　　） A．从高处下落到刚碰地面 B．从碰到地面到皮球形变最大 C．从皮球形变最大到离开地面 D．从皮球离开地面到最高点 【答案】C。 【分析】根据动能与弹性势能的转化分析。 【解答】解：球被压缩发生形变时，是动能转化为弹性势能，恢复原状反跳起来时，是弹性势能转化为动能。 故选：C。 2．（2019•广西模拟）下列情况中机械能不发生变化的是（　　） A．汽车刹车后在水平地面上向前滑行 B．抛向空中正在上升的石块（不计空气阻力） C．小孩从滑梯上匀速滑下 D．用滑轮组把物体匀速提高 【答案】B。 【分析】动能和势能统称为机械能，由机械能的守恒定律可知守恒的条件，如果不满足条件则不守恒。 【解答】解：A、刹车时由于摩擦力做功，消耗机械能转化为内能，故机械能减小，A错。 B、石块在空中不受阻力，则只有重力做功，故机械能守恒，B对。 C、小孩从滑梯上匀速滑下，动能不变，势能减小，故不守恒，C错。 D、物体被匀速提高，动能不变，势能增加，机械能不守恒，D错。 故选：B。 3．（•泸州）年5月15日我国自主研制的天问一号火星探测器成功登陆火星，已知火星表面引力约为地球表面引力的38%，其空气密度约为地球海平面空气密度的1%。下列关于探测器的描述正确的是（　　） A．进入火星大气层后，探测器下降过程中其表面与大气层摩擦，机械能转化为其它形式的能 B．探测器为了找到最佳着陆点，着陆前在火星上空有短暂悬停时间，悬停时探测器不受火星的引力 C．探测器从悬停点减速降落火星表面过程中，动能逐渐增大 D．停在火星表面的探测器受到的引力与它对火星表面的压力是一对平衡力 【答案】A。 【分析】（1）克服摩擦做功，可将机械能转化为内能； （2）跟在地球上类似，火星对其附近的物体也会产生