初中科学浙教版（2024）九年级上册第2节 机械能学案

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动能和势能的转化
机械能：动能和势能的和称为 。
动能转化为重力势能时，物体的速度不断 ，高度不断 ；重力势能转化为动能时，高度 ，速度 。
动能转化为弹性势能时，速度 ，弹性形变 ；弹性势能转化为动能时，弹性形变 ，速度 。
判断动能和势能相互转化的步骤：①明确研究对象和要研究的过程；②明确物体在起始位置所具有的动能和势能；③在运动过程中物体的位置、形状、速度是否发生变化，相应物体的重力势能、弹性势能和动能是否发生变化；④得出结论：一种形式的能减少，其他形式的能必定增加。
机械能守恒
物体通常既具有 ，又具有 。
当物体只受重力和弹性力时（不受 时），机械能总量 。即动能 了多少，势 能就增加多少；势能减小了多少，动能就 多少。
滚摆在下降过程中，会越转越快，则增加的 是由减小的 转化而来；滚摆在上升的过程 中，速度会越来越小， 减小， 增加， 转化为 。
如果存在 ，动能和势能在相互转化的过程中，机械能的总量会减小。减小的机械能转化为摩擦产生的 。
特别提醒：动能和势能的转化可以发生在同一个物体上，也可以发生在不同的物体间，因此在运用机械能守恒定律时要注意研究对象的选取。例如压缩的弹簧将物体弹起的过程中，弹簧的弹性势能转化为物体的动能，对弹簧和物体而言机械能是守恒的，但对该受力物体而言，机械能并不守恒。
二.课堂练习
题型一.动能势能的分析判断
例1.跳水运动中蕴含着许多物理知识，如图所示，运动员站立在跳台上的A点，然后保持直立姿势从跳台上竖直向上弹跳后腾空，至最高点后自由下落，至C点落入水中。若不计空气阻力，运动员从离开跳台到落水前的过程中，下列关于其动能、势能和机械能的大小分别随时间变化的曲线中，正确的是（ ）
A．①③④B．②③④C．①④D．③④
例2.如图所示，将乒乓球置于装有适量水的杯子中，一起从甲处静止释放，杯子落地后乒乓球弹起经过乙，最后到达丙。乒乓球处于乙点与甲点相比，说法正确的是（ ）
A．动能减小，惯性变大B．动能减小，惯性不变
C．动能增加，惯性变大D．动能增加，惯性不变
变式训练1.如图是物体在空中飞行过程中动能Ek随时间t变化的曲线，运动的物体可能是（ ）
A．由静止下落的乒乓球
B．竖直向上垫起的排球
C．离开脚后在地上滚动的足球
D．从肩上斜向上投掷出去的铅球
变式训练2.多功能雾炮车又称抑尘车、雾霾车、农药喷洒车，今年2020疫情突降，又多了个名字叫多功能消毒车。这些天消毒车活跃在各个城市和小区，为阻止病毒蔓延也立下了汗马功劳。在水平路面上匀速行驶的消毒车作业时，消毒车受到地面的摩擦力如何改变，消毒车的动能将如何改变（ ）
A．摩擦力不变，动能不变
B．摩擦力减小，动能减小
C．摩擦力减小，动能不变
D．摩擦力不变，动能减小
变式训练3.在北京冬奥会自由式滑雪女子大跳台的比赛中，中国选手谷爱凌挑战超高难度动作成功，奇迹般夺冠。现将谷爱凌的这一次跳台运动部分轨迹简化，如图所示，其中A点为她运动的最高点。下列说法正确的是（ ）
A．运动员在A点时受到平衡力的作用
B．运动员在A点时重力势能最大，动能为零
C．运动员到达A点时也有惯性
D．运动员在B点的机械能大于在A点的机械能
变式训练4.如图所示，原长为L的橡皮筋一端固定在O点，另一端悬挂一个小钢球，将钢球从O点自由释放，钢球运动到A点后开始向上返回，不计空气阻力，O、A两点间距离为2L。则能反映钢球从O点运动到A点的过程中，其动能E随运动距离s变化的关系图象可能是（ ）
A．B．
C．D．
题型2.机械能守恒判断
例1.用细绳把摆锤悬挂起来，将摆锤拉到某一高度后释放，摆锤做如图所示的运动。当摆锤处于甲、乙位置时，关于摆锤具有的重力势能和动能的描述，正确的是（ ）
A．重力势能不同，动能相同
B．重力势能不同，动能不同
C．重力势能相同，动能相同
D．重力势能相同，动能不同
例2.投掷实心球是中考体育选考项目之一。图甲为实心球出手后的运动示意图，其中v0是实心球出手瞬间的速度，θ是出手角度，h是出手高度。图乙为投掷距离s随出手角度θ变化的图像。下列说法不正确的是（ ）
A．实心球离手后至落地过程中，实心球的动能先减小后增大
B．实心球在运动到最高点时，如果一切外力消失，实心球将做匀速直线运动
C．实心球的投掷距离s随角度θ增大而先增大后减小，角度θ＝40°时，投掷距离s最大
D．若要探究实心球投掷距离s是否与出手高度h有关，只需控制出手角度θ相同即可
变式训练1.跳台滑雪是一项深受许多人喜爱的体育运动。如图是跳台滑雪区和某运动员的运动轨迹简化示意图，运动员从A点出发，最终在E点停下。下列说法正确的是（ ）
A．运动员的滑雪板长而宽，可以减小运动员落地时对雪地的压力
B．从A到B的过程中，运动员的动能变大，惯性大小也变大
C．从B点到C点的过程中，重力势能转化为动能
D．若忽略空气阻力，C点到D点（着陆前）过程中，运动员和滑雪板的总机械能守恒
变式训练2.如图所示，人们修筑拦河坝来提高上游的水位，在坝底安装水轮机带动发电机发电。上游一定量的水，经水轮机流到下游的过程中，下列说法正确的是（ ）
A．水的机械能不变
B．水的机械能变小
C．水的重力势能增大，动能减小
D．水轮机带动发电机发电，电能转化成机械能
变式训练3.如图所示，一足够长的轻绳一端连接重物A，另一端通过定滑轮连接物体B，物体B质量小于重物A质量。将重物A由静止释放下落至地面的过程中，不计绳重和摩擦，下列说法正确的是（ ）
A．重物A的动能保持不变
B．物体B的机械能保持不变
C．重物A的重力势能完全转化为B的重力势能
D．重物A和物体B的机械能之和不变
变式训练3.如图，同一小球在同一高度以相同速度向三个不同方向抛出（不计空气阻力和摩擦），设小球刚落地时的速度分别为v1、v2、v3，则（ ）
A．v1＞v2＞v3B．v1＜v2＜v3C．v1＝v2＝v3D．v1＜v3＜v2
25．荡秋千是一种喜闻乐见的运动，在越荡越高的欢乐中，享受的是激情与健身的欢欣。如图所示，晨光同学在荡秋千。他从A点自由出发，经过最低点B和与A点等高的C点，到达右侧最高点D返回。经测量，D点高于A点和C点。晨光同学从A到D的过程中，下列判断正确的是（ ）
A．A点和D点机械能相等
B．到达B点时，受力平衡
C．在此过程中，只有机械能与内能之间相互转化
D．从A点到D点，其机械能增加
变式训练4.小衢在操场上将一篮球抛出，篮球被抛出后的运动轨迹如图所示，a、c两点处于同一高度。则下列判断中正确的是（ ）
A．皮球在b点时的机械能最大
B．皮球在a、c两点时动能相等
C．皮球由a到b时，动能逐渐增大
D．皮球由c到d时，机械能一直减小
变式训练5.在竖直平面内用轻质细线悬挂一个小球，将小球拉至A点，使细线处于拉直状态。由静止释放，不计空气阻力，小球可在A、C两点间来回摆动，B点是小球运动轨迹中的最低点，如图所示。下列分析正确的是（ ）
A．从A运动到C的过程中，小球的机械能减小
B．小球运动到C点时，小球速度为0，处于平衡状态
C．小球运动到B点时，若细线断开，之后小球的重力势能先增大后减小
D．小球运动到C点时，若细线断开，小球将竖直下落
题型3.弹簧，蹦极等问题分析
例1.如图是小应玩蹦蹦床的情景，A点是蹦床不发生形变时的原位置，B点是小应受到的重力与蹦床对小应的弹力相等处，C点是小应到达的最低点，下列分析不正确的是（ ）
A．当小应在最高点0时处于非平衡状态
B．小应在空中下落到A点的过程中重力势能转化为动能
C．小应下落到B点时的动能最大
D．从A点到C点的过程中，小应的动能增大
例2.“反向蹦极”是一项比蹦极更刺激的运动。如图所示，弹性轻绳的上端固定在O点，拉长后将下端固定在体验者的身上，并与固定在地面上的扣环相连。打开扣环，人从A点由静止释放，像火箭一样被“竖直发射”，上升到最高位置C点，其中在B点时速度最快，上下震荡后静止在空中。对此过程，下列描述正确的是（ ）
A．到达B点时，弹性绳处于原长位置
B．最低点A和最高点C弹性绳的弹性势能一样大
C．人上升和下降时最大速度相同，所处位置也相同
D．人从A点到B点的过程中，人的重力势能和动能都增加
变式训练1.将一只乒乓球从O点由静止释放，竖直下落撞击到升降台上，弹起的最高点为M；若只将升降台升高至图乙位置，乒乓球下落弹起后到达的最高点为N，不计碰撞过程中的能量损失。则N点（ ）
A．在M点的下方B．与M点重合
C．在M点和O点之间D．与O点重合
变式训练2.如图甲所示，质量不计的弹簧竖直固定在水平面上，t＝0时刻，将一金属小球从弹簧正上方某一高度处由静止释放，小球落到弹簧上压缩弹簧到最低点，然后又被弹起离开弹簧，上升到一定高度后再下落，如此反复．通过安装在弹簧下端的压力传感器，测出这一过程弹簧弹力F随时间t变化的图象如图乙所示，则（ ）
A．t1～t2时刻小球所受合力方向一直竖直向下
B．在t1～t2间的某个时刻小球动能最大
C．在t3时刻，弹簧的弹性势能最大
D．t1～t2这段时间内，小球速度一直变大
变式训练3.某运动员做蹦极运动，如图甲所示，从高处O点开始下落，A点是弹性绳的自由长度，在B点运动员所受的弹力恰好等于重力，C点是第一次下落到达的最低点，运动员所受弹性绳弹力F的大小随时间t变化的情况如图乙所示（蹦极过程视为竖直方向的运动）。下列判断正确的是（ ）
A．从A点到B点过程中运动员加速下落
B．从B点到C点过程中运动员匀速下落
C．t0时刻运动员刚好位于B点
D．运动员重力大小等于F0
变式训练4.如图甲所示，一轻质弹簧一端系在墙上的O点，自由伸长到B点，现将一小物块M连在弹簧上，并把弹簧压缩到A点，然后由静止释放，小物体能运动到C点静止，物体与水平地面间的摩擦力恒定。在图乙中画出小物体运动过程中动能变化的大致曲线，并结合图像分析各过程能量的转化。
三.课后作业
1.对如下四幅图的分析，正确的是（ ）
A．图①摆锤从A点运动到O点的过程中动能转化为重力势能
B．图②运动员起跳后上升到最高点时势能最大，动能为零
C．图③高处滚下的小球在C点动能达到最大值
D．图④卫星在近地点动能最大，远地点势能最大，机械能守恒
2.如图所示，小朋友沿着滑梯匀速下滑的过程中，下列说法中正确的是（忽略空气阻力）（ ）
A．他受重力、支持力、下滑力和摩擦力的共同作用
B．他的重力势能转化成了动能和内能
C．他的重力势能减小，动能增大，机械能不变
D．他受重力、支持力和摩擦力的共同作用
3.小金将小球竖直向上抛出，小球先上升后下落，不计空气阻力。小球从离开手后到落回手中之前，此过程中能量变化的分析，正确的是（ ）
A．动能先增大后减小B．势能先减小后增大
C．机械能先减小后增大D．机械能保持不变
4.2023年杭州亚运会蹦床男子个人赛中，中国选手严浪宇夺金。如图为比赛时的场景，当他从空中下落至蹦床，从刚好接触蹦床到刚好离开蹦床的过程中，有关能量变化叙述正确的是（ ）
A．严浪宇的机械能始终不变
B．严浪宇的机械能先增大后减小
C．蹦床的弹性势能始终不变
D．蹦床的弹性势能先增大后减小
5.2019年5月17日时48分，我国在西昌卫星发射中心用长征三号丙运载火箭，成功发射第45颗北斗导航卫星，如图1所示是北斗卫星在随火箭加速上升的情景。人造地球卫星沿椭圆轨道绕地球运行时，离地球最近的一点叫近地点，最远的一点叫远地点，如图2所示。下列说法正确的是（ ）
A．如图1北斗卫星上升过程中，重力势能变大，动能变小
B．如图2人造地球卫星运行中，重力势能变大，动能变大
C．如图2人造地球卫星运行中，从近地点向远地点运动时，速度减小
D．如图1、2中卫星的机械能都不变
6.如图甲轻质弹簧原长为2L，将弹簧竖直放置在地面上，在其顶端将一质量为m的物体由静止释放，当弹簧被压缩到静止时，弹簧长度为L，如图乙现将该弹簧水平放置，一端固定在A点，另一端与物块P接触但不连接，AB是长度为5L的光滑水平轨道，B端与半径为L的光滑半圆轨道B、C、D相切，用外力推动物块P，将弹簧压缩至长度L，然后释放，P开始沿轨道运动，问：
（1）从竖直放置在地面上的弹簧顶端，静止释放物块P，至弹簧被压缩后静止，物块P的重力势能转化为弹簧的 。（填能量形式）
（2）将弹簧压缩至长度L，然后放开，P开始沿轨道运动，能否到达“D”点？ （填“能”或“否”）。物块P达到最高点时的机械能大小为 焦耳。
7.滑板是深受青少年喜欢的一项体育运动。如图是U型滑台和运动员姿势的简化示意图。运动员在滑台A处下滑，仅依靠滑行，滑到与A相同高度的滑台B处时静止。请回答下列问题：
（1）整个过程中动能最大的位置是 （填“A”、“O”或“B”）。
（2）若想滑到C点，小科提出只要增加“用力竖直向上跳起段高度”这个操作即可实现，则在图中哪一位置起跳有可能达到该目的？ 。（填字母代号）
A.仅在A点
B.仅在O点
C.仅在B点
D.在A点或O点均可
8.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点机械能的大小 E点机械能的大小（填“＞”、“＝”或“＜”），在整个过程中，过山车的机械能是 （填“变化”或“不变”）的。
9.跳台滑雪被称为勇敢者的运动，其基本技术动作分为5个部分：助滑、起跳、空中飞行、着陆、滑行至终止区。如图所示为滑雪运动员滑雪过程的示意图。
资料1：滑雪赛道表面雪的厚度达到6～8m。雪内有很多小孔，小孔内充满空气。滑雪时，运动员踏着滑雪板压，在雪上时，雪内的空气被逼出。
资料2：助滑时，运动员把身体缩成“蹲状”的姿势，通过一个凹形轨道助滑后，在起跳的瞬间用力一蹬伸展身体，调整好姿势在空中飞行，飞行至顶端时身体与滑板构成上表面凸起的流线型。
资料3：运动员着陆时，要让滑雪板的板后跟略领先于板尖着地；落地后，调整好姿势继续滑行到终止区。
结合上述信息并运用所学知识，对赛道的设置以及滑雪运动员的5个基本技术动作蕴含的科学道理作出解释。
教学内容
机械能
教学目标
让学生熟练掌握上述学习目标的内容
教学重点
机械能的分析
教学难点
蹦极，弹簧问题
课程难度
中等