人教版八年级下册11.4 机械能及其转化导学案

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1.了解机械能概念；
2.会分析动能和势能之间的转化过程；
3.会利用机械能分析生活中常见动能与势能之间的转化；
4.了解机械能守恒定律。
【知识导图】
【基础知识】
知识点一、机械能及其转化
1.机械能
（1）定义：动能、重力势能、弹性势能统称为机械能。机械能是和物体运动紧密联系的能量。机械能的单位是焦耳（J）。
（2）对机械能的理解
一个物体可以只有动能，也可以只有势能，还可以既有动能又有势能，都称为物体具有机械能。
物体只有动能，如在水平路面上行驶的汽车；
物体只有势能，如悬挂在空中静止的物体、射箭时发生弹性形变的弓；
物体同时具有动能和势能，如在空中飞行的飞机、小鸟等。
2.动能和势能的转化
（1）实验探究：动能和重力势能的相互转化
（2）实验探究：动能和弹性势能的相互转化
【进行实验】一个木球以一定的速度v0撞到弹簧片上。
【分析论证】
【归纳总结】在一定条件下，动能和弹性势能可以互相转化。
【典例1】2020年11月24日，探月工程嫦娥五号探测器成功发射，探测器在加速上升过程中（ ）。
A. 动能不变，势能增大B. 动能增大，势能增大
C. 动能不变，势能不变D. 动能增大，势能不变
【答案】B。
【解析】探测器在加速上升过程中，探测器的质量不变，速度增大，动能增大；
探测器在加速上升过程中，探测器的质量不变，高度增大，重力势能增大，探测器没有发生弹性形变，不具有弹性势能，故势能增大；
所以探测器在加速上升过程中，动能增大，势能增大，故B正确，ACD错误。
故选：B。
3.机械能守恒
（1）机械能守恒
大量研究结果证明，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，或者说机械能守恒。
（2）判断机械能如何变化
①当物体的机械能守恒时，动能和势能中一种形式的能量减少，另一种形式的能量必然增加。
②物体受外力作用机械能不守恒时，可先分析动能和势能的变化情况，再结合“机械能=动能+势能”来判断。
③人造卫星运行时的机械能转化
人造卫星绕地球椭圆轨道运行过程中，不受空气阻力，只有动能与势能的相互转化，故卫星的机械能守恒。如图所示，它离地球中心最远的一点叫远地点，离地球中心最近的一点叫近地点，卫星在两点间运行时能量转化情况如图所示。
【典例2】如图所示，小明在做模拟“蹦极”“的小实验，一根橡皮筋一端系一个小石块，另一端固定在A点。B点是橡皮筋不系小石块自然下垂时下端所在的位置，C点是小石块从A点自由释放后所能达到的最低点，关于小石块从A点到C点的运动过程，下列说法中正确的是（ ）。
A．小石块在B点时的动能最大；
B．小石块在C点时的动能最大；
C．从A点下落到C点的过程中，小石块的动能一直在增大；
D．从B点下落到C点的过程中，小石块的动能先增大后减小
【答案】D。
【解析】A．如图：B点是橡皮筋不系小石块自然下垂时下端所在的位置，C点是小石块从A点自由释放后所能达到的最低点，O点是橡皮筋悬挂小球静止时的点即重力和弹力相等的点。
B点是橡皮筋不系小石块自然下垂时下端所在的位置，在小石块未到达B点之前绳子没有发生形变，故从A点下落到B点的过程中，小石块只受到重力的作用，经过B点向下到重力和弹簧的弹力相等的位置（O点）的过程中，重力大于弹力，小球继续加速，所以动能继续增大，故A错误；
B．C点是小球达到的最低点，此时速度为零，则小球的动能为零，故B错误；
C．从A点下落到B点的过程中，小石块的重力势能转化为动能，由B到O的过程，小石块受重力和弹力的作用，橡皮筋的形变量逐渐变大，弹力逐渐变大，重力大于弹力，小石块受到的合力方向与运动方向相同，做加速运动，动能不断变大；由O到C的过程，重力小于弹力，小石块受到的合力方向与运动方向相反，做减速运动，动能不断变小，因此在由A到C的过程中，小石块的动能先增大后减小，故C错误；
D．从B点下落到C点的过程中，可看作由B到O动能不断增大和由O到C动能不断减小的叠加，故D正确；
故选D。
【典例3】如图所示，小球从左侧斜面的P点由静止释放，在右侧斜面上能到达的最高位置是Q点，M、N是小球运动过程中先后通过的两个等高点，下列关于该过程的说法中正确的是（ ）。
A．小球在左侧斜面向下运动的过程中，重力势能全部转化为动能；
B．小球从P点向Q点运动的过程中，机械能保持不变；
C．小球从P点向Q点运动的过程中，所受支持力不做功；
D．小球通过M、N两点时的速度大小相等
【答案】C。
【解析】A．由于最高点P和Q不等高，故机械能不守恒，存在摩擦力，故小球在左侧斜面向下运动的过程中，重力势能一部分转化为动能和内能，故A错误；
B．小球从P点向Q点运动的过程中，存在阻力，机械能减小，故B错误；
C．小球从P点向Q点运动的过程中，支持力与运动的距离是垂直的，故所受支持力不做功是正确的，故C正确；
D．由于机械能减小，M、N两点时重力势能相同，故小球通过M、N两点时的速度大小不相等，故D错误。
故选C。
知识点二、水能和风能
1.水能：流动的水具有动能，高处的水具有势能，水所具有的机械能统称为水能。
2.风能：风是流动的空气，风具有的机械能叫风能。
3.风能和水能的利用
【典例4】如图所示，这是水电站的示意图。
（1）我们知道水电站是利用水能资源的一项重大工程。那么，水电站到底是怎样“发电”的？其实它是利用能量的转化来“发电”的：把水库里的水蓄高后，打开水坝导管的闸门，水就会沿着导管泻下，推动水轮机把“电”发出来。请你根据以上的文字说明，试从能量转化的角度来说明水电站的工作原理。
（2）建设水电站选址时，从能量的利用来看，你将选择图中的（A）址还是（B）址？请说说你的看法。
【答案】（1）水力发电是让水库中的水从闸门中奔泻下来，冲击水轮机，水轮机带动发电机转动发电，将水的机械能转化为电能。 （2）（B）址处水的落差较大，水奔流下来具有的机械能较大，可以将更多的机械能转化为电能。故选择（B）址建设水电站要好一些。
【解析】 水电站是利用水的机械能来发电的。水库与水电站之间的落差越大，水奔流下来具有的机械能较大，便可以将更多的机械能转化为电能。
【方法帮】
题型一：动能和重力势能间的转化
【角度1】动能与重力势能间的转化
★易错警示
看到下落，学生就容易习惯性的认为重力势能转化为动能，当当物体匀速下落时，速度不变，物体的动能不变，此时重力势能没有转化为动能。
【典例5】跳水运动是奥运会的正式比赛项目，我国运动员在该项目上一直处于国际领先地位。比赛中，跳水运动员腾空跳起向上运动到最高点后再向下落人水中，若不计空气阻力，在整个空中运动过程中，运动员的（ ）。
A. 动能先减小后增大，重力势能先增大后减小；
B. 动能先增大后减小，重力势能先增大后减小；
C. 动能先减小后增大，重力势能先减小后增大；
D. 动能先增大后减小，重力势能先减小后增大
【答案】A。
【解析】（1）不计空气阻力，机械能守恒；
（2）跳水运动员从腾空跳起向上运动后再向下落入水中，整个过程质量不变，高度先增大后减小，重力势能先增大后减小；
（3）跳水运动员从腾空跳起向上运动后再向下落入水中，质量不变，速度先减小再增大，所以动能先减小后增大。
故选：A。
【角度2】动能与弹性势能间的转化

解答此类问题的关键是确定哪个阶段物体做加速运动，哪个阶段小球做减速运动。
（1）加速运动时：弹性势能转化为动能；
（2）减速运动时：动能转化为弹性势能。
【典例6】如图，弹簧的左端固定，右端连接一个小球，把它们套在光滑的水平杆上，a是压缩弹簧后小球静止释放的位置，b是弹簧原长时小球的位置，c是小球到达最右端的位置。则小球从a运动到c的过程中，在______（选填“a”、“b”或“c”）位置动能最大；从b到c的过程中，小球的动能转化为弹簧的______，小球从a运动到b的过程机械能总量______（选填“变大”、“变小”或“不变”）。
【答案】b；弹性势能；不变。
【解析】[1][2][3]由题意可知，小球从a运动到b的过程中，弹簧的形变程度减小，其弹性势能减小，小球的速度变大，动能变大，弹簧的弹性势能转化为小球的动能，而小球的重力势能不变，水平杆是光滑的，整个过程不需要克服摩擦做功，所以机械能总量不变；到达b点时，弹簧恢复原状，不计摩擦阻力，其弹性势能全部转化为小球的动能；再从b运动到c时，弹簧被拉伸，小球的动能再逐渐转化为弹簧的弹性势能，小球的动能会变小。因此，在b点时小球的动能最大。
【角度3】动能、重力势能、弹性势能间的转化

不计空气阻力时，物体的机械能守恒。
在分析动能、重力势能和弹性势能之间的转化时，根据物体运动情况，可以把物体的运动的整个过程进行分段。考虑每段运动过程中，物体运动速度的变化情况，物体的形变情况，即可分析重力势能和弹性势能的变化规律，以及动能与重力势能和弹性势能之间的转化。
【典例7】如图甲所示，轻弹簧竖直固定在水平面上，时刻，将一重为G的金属小球从弹簧正上方某一髙度处静止释放，小球落到弹簧上压缩弹簧到最低点，然后被弹簧弹起，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．时刻小球的动能最大；
B．时刻小球的重力势能最大；
C．时刻小球的机械能等于时刻小球的机械能；
D．从开始下落到第一次到达最低点，小球内能的增加量小于这两个时刻小球机械能的减少量
【答案】D。
【解析】AB．t1时刻小球刚与弹簧接触，与弹簧接触后，开始一段时间内弹力小于重力，则小球仍然向下做加速运动，其动能变大，刚释放时高度最高，重力势能最大，故AB不符合题意；
C．时刻弹簧具有弹性势能，时刻弹簧没有弹簧弹性势能，所以小球机械能变小，故C不符合题意；
D．从开始下落到第一次到达最低点，这两个时刻小球机械能的减少量等于弹簧弹性势能增加量和小球内能增加量，故小球内能的增加量小于这两个时刻小球机械能的减少量，故D符合题意。
故选D。
题型二：对机械能守恒的理解
判断机械能是否守恒的关键
（1）从能量角度：若整个过程只有动能和势能的相互转化，没有其他形式的能参与转化，则机械能守恒；
（2）从受力角度：若物体只受重力、弹力作用，而没有其他力的作用，则可认为机械能守恒。
【典例8】如图所示，2021年6月17日搭载聂海胜、刘伯明和汤洪波三名航天员的神舟十二号飞船加速升空时的情景，下列说法正确的是（ ）。
A．火箭的重力势能变大，动能变大，机械能不变；
B．火箭的重力势能变大，动能减小，机械能不变；
C．火箭的重力势能变大，动能变大，机械能变大；
D．火箭的重力势能变大，动能减小，机械能减小
【答案】C。
【解析】ABCD．物体的动能与物体的运动速度和质量有关：速度越大、质量越大，动能就越大。火箭加速上升时，质量不变，速度变大，所以动能变大；
物体的重力势能与物体的高度和质量有关：高度越高、质量越大，重力势能越大。火箭升空，质量不变，高度变大，重力势能变大。物体的机械能等于动能与势能之和，动能和势能都变大，所以机械能变大。故ABD错误，C正确。
故选C。
题型三：机械能守恒和图像综合
【典例9】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 ______ 是动能-高度关系图线，小石块上升到5m时的机械能为 ______J。
【答案】a；4.
【解析】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。
【中考帮】
考点一：机械能转化与守恒
【典例10】（2022·荆州）打篮球是很多同学喜爱的运动项目，某次打篮球过程中，篮球的部分运动轨迹如图所示。下列说法正确的是（ ）。
A. 篮球经过相同高度的B、C两点时，机械能相等；
B. 篮球第一次反弹后到达最高点D时，动能为0；
C. 篮球经过B、E两点时，动能可能相等；
D. 篮球在整个过程中机械能守恒
【答案】C。
【解析】AD．由图可知，每次篮球反弹后到达的最高点都比上一次的最高点要低，说明篮球的机械能不断减小，因此在B点的机械能大于在C点的机械能，故AD错误；
B．由图可知，篮球在最高点时，竖直方向速度为0，但在水平方向上速度不为0，所以篮球第一次反弹后到达最高点时的动能不为0，故B错误；
C．篮球在B点的机械能大于在E点的机械能，由图可知，B点比E点高，所以B点的重力势能大于E点的重力势能，机械能是物体动能和势能的总和，因此在B点的动能可能等于在E点的动能，故C正确。
故选C。
中考考题要求同学们能初步具有能量的观念，能从能量转化的视角解释运动中各种能量的转化情况。这是物理核心素养的物理观念的体现。
【作业帮】
一、基础练（知识巩固）
1．开学返校途中，好学的小强对路上看到的现象进行思考，其中分析正确的是（ ）。
A．货车匀速上坡时，车辆机械能不守恒；
B．小汽车在公路上匀速转弯时，车子受力平衡；
C．大货车安装很多轮了，可以增大受力面积从而增加地面之间的摩擦；
D．高速公路上车辆不能超速，是因为车辆超速后惯性变大不易停下
【答案】A。
【解析】A．货车匀速上坡时，速度、质量不变，高度增加，所以动能不变，重力势能变大，车辆机械能变大，故A正确；
B．小汽车在公路上匀速转弯时，运动的方向发生了变化，运动状态发生了改变，受非平衡力作用，故B错误；
C．摩擦力的大小与接触面积大小无关，增加轮胎数目是为了增大受力面积，在压力一定时，减小对路面的压强，故C错误；
D．高速公路上车辆不能超速，是因为质量一定时，速度越快，动能越大，停下来越困难，惯性大小只与质量有关，与速度无关，故D错误。
故选A。
2．小明在体育课上掷铅球，掷出去的铅球从a处出手后，在空中的运动轨迹如图所示，球最终停在水平地面e点处，不计空气阻力，则铅球（ ）。
A．从a处到b处动能减小，重力势能增大；
B．从b处到c处动能增大，机械能增大；
C．a处的机械能小于c处的机械能；
D．在d、e处机械能相等
【答案】A。
【解析】A．铅球从a处到b处，质量不变，速度变小，则动能减小，同时高度变大，重力势能增大，故A符合题意；
B．铅球从b处到c处，质量不变，速度变大，则动能增大，因不计空气阻力，所以球在空中运动时的机械能守恒（即机械能不变），故B不符合题意；
C．不计空气阻力，说明球在空中的机械能是守恒的，所以在a、c两处的机械能相等，故C不符合题意；
D．从d处到e处，铅球需要克服摩擦阻力做功，一部分机械能转化为内能，所以在d处机械能大于e处，故D不符合题意。
故选A。
3．如图所示是荡秋千的简化模型。摆球从A点由静止释放，到达D点后返回，B、C两点等高。下列说法正确的是（ ）。
A．球在B、C两点的动能相等；
B．绳的拉力对小球做了功；
C．球从B点到O点的过程中机械能减少；
D．球从O点到C点的过程中重力势能减少
【答案】C。
【解析】A．从图中可以看出B、C位置在同一高度，即重力势能相同，小球在运动过程中与空气摩擦等因素导致部分机械能转化成其它形式的能，即机械能在减小，所以小球在B点机械能大于C点的机械能，故B点动能要大于C点的动能，故A错误；
B．由于小球运动方向与绳子拉力方向刚好垂直，根据做功的概念，功是物体在力的方向上运动的距离与力大小的乘积，这里垂直无功。故B错误；
C．小球在运动过程中与空气摩擦等因素导致部分机械能转化成其它形式的能，即机械能在减小，所以球从B点到O点的过程中机械能减少，故C正确；
D．球从O点到C点的过程中高度不断增加，动能转化为球的重力势能，所以重力势能在增加，故D错误。
故选C。
4．如图所示，摩天轮匀速转动时，带动“观光屋”匀速转动，下列说法正确的是（ ）。
A．观光屋上升时重力势能增加、动能减小；
B．观光屋上升到最高点，如果所有外力突然消失，观光屋继续做圆周运动；
C．由于是匀速圆周运动，观光屋内的人运动状态不变；
D．摩天轮静止时，缆绳对观光屋的拉力和观光屋的总重力为一对平衡力
【答案】D。
【解析】A．观光屋上升时，速度大小不变，故动能不变；高度增加，故重力势能增大；故A不正确；
B．观光屋上升到最高点，依然是匀速运动状态；突然所有外力消失，由于惯性，观光屋会做匀速直线运动，故B不正确；
C．匀速圆周运动，运动的方向一直在发生改变，所以人的运动状态也一直在改变，故C不正确；
D．摩天轮静止时，观光屋在缆绳对观光屋的拉力和观光屋的总重力的作用下处于平衡状态，所以缆绳对观光屋的拉力和观光屋的总重力是一对平衡力，故D正确。
故选D。
5．撑竿跳高是一项对压竿和起跳技术要求很高的体育运动。如图所示是运动员在一次比赛中的情景，从竿处于最大弹性形变到运动员松开竿的过程中（不考虑空气阻力）（ ）。
A．竿的弹性势能增大，运动员的机械能减小；
B．竿的弹性势能增大，运动员的机械能增大；
C．竿的弹性势能减小，运动员的机械能减小；
D．竿的弹性势能减小，运动员的机械能增大
【答案】D。
【解析】图示中，不计空气阻力，竿从弹性形变最大到运动员松开竿的过程中，竿逐渐恢复原状，则竿的弹性势能减小，减小的弹性势能转化为运动员的机械能，所以运动员的机械能增大，故ABC不符合题意，D符合题意。
故选D。
6．如图所示，质量为m的小球从静止下落，落在与A点等高处、竖直放置静止的轻弹簧上，到达与B点等高处时小球重力与弹簧的弹力大小相等，图中与C点等高处是小球到达的最低点（不计空气阻力）。下列说法正确的是（ ）。
A．到达A点时，小球的动能最大；
B．下落过程中，小球重力势能一直减小、动能先增大后减小、小球与弹簧机械能守恒；
C．到达C点时，小球的动能为零，受到的重力与弹簧的弹力是一对平衡力；
D．从A到B，小球减少的重力势能等于增加的动能
【答案】B。
【解析】小球从下落到A点过程中，只受重力作用做加速运动，当与弹簧接触后，在A到B的过程中，弹力逐渐增大到与重力相等，则该过程中合力依然向下，小球加速运动，重力势能转化为动能和弹性势能，B到C过程中，弹力大于重力，合力向上，小球减速，直到C点速度减为零，合力不为零，重力和弹力不是平衡力，综合可知小球在 B点速度最大，则动能最大，高度一直降低，则重力势能减小，动能先增大后减小，整体机械能守恒。
故选B。
7．如图为某商场内的自动扶梯，若小明同学站在以1m/s速度匀速向上运行的自动扶梯上，通过10m的路程，需_____s，运行过程中他的动能将_____，机械能将______。（后两空选填“增加”、“不变”或“减少”）
【答案】10；不变；增加。
【解析】小明通过10m的路程需要的时间是： ；由于在小明上升过程中，其质量不变，速度不变，即动能不变；
但其高度变大，即他的重力势能变大，由于机械能等于动能和势能之和，故机械能变大。
8．从离地20m高的A点斜向上抛出重1N的小球，其运动轨迹如图所示。小球离开手时的动能为20J，则当它运动到与A点等高的B点时具有的动能是_____J，刚接触地面时的动能是______J。（不计空气阻力）
【答案】20；40。
【解析】[1]不计空气阻力，小球在运动过程中机械能守恒，故小球在B点的机械能等于在A点的机械能，A点和B点等高，则小球的重力势能相等，而机械能等于动能与势能的总和，所以小球在B点的动能等于在A点的动能，即它运动到B点时具有的动能是20J。
[2]小球离开手时的动能为20J，小球在A点时的重力势能Ep=Gh=1N×20m=20J
小球从A点运动到刚接触地面时，其具有重力势能全部转化为动能，故刚接触地面时的动能
Ek=20J+20J=40J
故刚接触地面时的动能为40J。
9．如图2020年7月23日，我国发射首个火星探测器“天问一号”，将一次性完成“绕、落、巡”三大任务，这在世界航天史上从未有过先例。探测器沿椭圆轨道绕火星运动时，不受空气阻力，只发生动能和势能的相互转化，由近火点向远火点运动时，探测器的动能_________，机械能_______（填“变大”、“变小”或“不变”）。
【答案】变小；不变。
【解析】[1][2]探测器由近火点向远火点运动时，不受空阻力，只发生动能和势能的相互转化，探测器相对于火星的高度增加，重力势能变大，速度减小，动能减小，动能转化为重力势能，机械能不变。
10．2016年8月16日，我国用长征二号运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星（简称“量子卫星”）“墨子号”发射升空，如图所示，火箭在加速上升的过程中，量子卫星的动能______，重力势能______，机械能______。（选填“增大”或“不变”或“减小”）
【答案】增大；增大；增大。
【解析】[1][2]火箭在加速上升的过程中，质量不变，速度增大，则动能增大；质量不变，高度增大，则重力势能增大。
[3]动能和势能统称为机械能，由于动能增大，重力势能增大，所以其机械能增大。
二、综合练（能力提升）
11．如图，轻质弹簧竖直放置，下端固定于地面，上端位于O点时弹簧恰好不发生形变。现将一小球放在弹簧上端，再用力向下把小球压至图中A位置后由静止释放，小球将竖直向上运动并脱离弹簧，不计空气阻力，则小球（ ）。
A．运动至最高点时，速度为0m/s，所以受平衡力作用；
B．被释放瞬间，所受重力大于弹簧弹力；
C．从A点向上运动O点的过程中，速度一直增大；
D．从A点向上运动O点的过程中，速度先增大后减小
【答案】D。
【解析】A．不计空气阻力，小球在最高点时只受重力作用，不是平衡状态，故A不符合题意；
B．小球被释放后沿竖直方向加速向上运动，故释放瞬间，所受重力小于弹簧弹力。故B不符合题意；
CD．不计空气阻力，小球在从A点向上运动到O点的过程中，受到两个力的作用，一个是竖直向下的重力，一个是竖直向上的弹力，开始向上运动时，弹力大于重力，小球所受合力方向向上，速度不断增大；当弹力小于重力时，其所受合力方向向下，速度不断变小。当离开O点后，小球只受重力作用，力的方向与小球运动方向相反，速度继续减小。故其速度先增大后减小，故D符合题意；C不符合题意。
故选D。
12．如图所示，小明在做模拟“蹦极”的小实验，一根橡皮筋一端系一个小石块，另一端固定在 A 点，B 点是橡皮筋不系小石块自然下垂时下端所在的位置，C 点是小石块从 A 点自由释放后所能达到的最低点。关于小石块从 A 点到 C 点运动过程的说法，正确的是（ ）。
A．整个过程中小石块重力势能的减小量等于它动能的增加量；
B．从 A 点下落到 B 点的过程中，小石块受到重力和弹力的作用；
C．从 B 点下落到 C 点的过程中，小石块的速度先增大后减小；
D．小石块在 C 点时，受到平衡力的作用
【答案】C。
【解析】A. 整个过程中小石块重力势能的减小量等于它的动能和橡皮筋的弹性势能的增加量，故A错；
B. 从 A 点下落到 B 点的过程中，橡皮筋处于自然伸长状态对小石块没有弹力的作用，小石块只受到重力作用，故B错；
C. 从 B 点下落到 C 点的过程中，橡皮筋伸长量越来越大对小石块的竖直向上拉力越来越大，小石块受的合力先减小后增大且合力方向与运动方向先相同后相反，由力于运动的关系可知小石块的速度先增大后减小，故C正确；
D. 小石块在 C 点时，橡皮筋对小石块拉力大于小石块受的重力，小石块受到非平衡力的作用，故D错。
故选C。
13．频闪照相是研究物体运动的重要手段之一，如图是频闪照片记录竖直下落的小球每隔相等时间的位置（不计空气阻力），则在下落过程中，小球（ ）。
A．动能逐渐减小B．a 位置没有能量
C．重力在 bc 段做功比在 cd 段慢D．重力在 ab 段做功比在 bc 段多
【答案】C。
【解析】A．由图可知，小球在下落过程中相同时间内通过的距离不断变大，故小球做加速运动；此过程中，小球的质量不变，速度变大，动能逐渐增大，故A错误；
B．小球在 a 位置时，具有一定的高度，所以具有一定的重力势能，同时小球自身具有内能，即小球在 a 位置具有能量，故B错误；
C．小球的重力 G 不变，小球在 bc 段比 cd 段下落高度小，根据 W=Gh 可知，小球的重力在 bc 段做功比在 cd段少；由题可知小球在 bc 段和 cd 段的运动时间相同，根据 P=可知，重力在 bc 段做功的功率小，即重力在bc 段做功比在 cd 段慢，故C正确；
D．小球的重力 G 不变，小球在 ab 段比 bc 段下落高度小，根据 W=Gh 可知，小球的重力在 ab 段做功比在 bc段少,故D错误。
故选C。
14．如图所示，质量为1 kg的滑块在倾角为30°的光滑斜面上，从a点由静止开始下滑，到b点开始压缩轻弹簧，到c点时达到最大速度。到d点（图中未画出）开始弹回，返回b点离开弹簧，恰能再回到a点。则：
（1）物体从a到b点，物体的重力势能转化为___________能；
（2）物体从c到d点，弹簧的________能变大；
（3）物体在d点___________ （选填“是平衡状态”或“不是平衡状态”）。
【答案】动；弹性势；不是平衡状态。
【解析】（1）[1]物体从a到b点，物体的高度减小，速度增大，它的重力势能减小，动能增大，所以物体的重力势能转化为动能。
（2）[2]物体从c到d点，弹簧被压缩，到d点（图中未画出）开始弹回，故d点弹簧的弹性形变程度最大，故物体从c到d点，弹簧的弹性势能变大。
（3）[3]物体在d点时，速度为零，此时开始向上做加速运动，所以在d点不是平衡状态。
三、培优练（挑战自我）
15．将表面涂墨（墨充足）的皮球从离地某一高度水平抛出，球落地后又弹起，如图所示是小球在地面弹跳的频闪照片，A、B两点高度相同，小球在A点的重力势能 ______（选填“大于”、“小于”或“等于”）B点的重力势能，小球在A点的动能 ______（选填“大于”、“小于”或“等于”）B点的动能；皮球先后三次在地面D、E、F着地并留下黑色墨迹，墨迹逐渐 ______（填“变小”、“变大”或“不变”）。
【答案】等于；大于；变小。
【解析】[1]皮球在A点的高度和B点的高度相等，质量也没变，根据重力势能的影响因素可知：皮球在A、B两点的重力势能相等。
[2]由于皮球每次弹起后所达到的最大高度不断减小，所以皮球的机械能在不断减小，即A位置的机械能大于B位置时的机械能，因此在A、B两位置重力势能相等的情况下，A位置的动能大于B位置的动能。
[3]每次皮球反弹后到的最高点都比上一次的最高点要低，机械能逐渐变小，落地时，转化成皮球的弹性势能也越来越小，皮球弹性形变程度也越来越小，所以看到黑色墨迹逐渐变小。
16．阅读短文，回答后面问题：
天问一号火星探测器
天问一号火星探测器于2020年7月23日在文昌航天发射场发射升空，于2021年2月10日被火星捕获，进入环绕火星轨道，2021年5月，火星探测器上的着陆巡视器与环绕器分离，着陆巡视器软着陆于火星乌托邦平原南部预选区，成功降落于火星表面，而后祝融号火星车驶离着陆平台，开展巡视探测等工作；
（1）如图1，火星探测器进入环火轨道，在火星引力作用下做环绕火星的运动，运动轨道上有一个近火点（距离火星最近的点）和远火点（距离火星最远的点），那么，火星探测器在 ______火点的动能较大；从近火点到远火点的过程中，火星探测器的机械能 ______（选填“增大”、“减少”或“守恒”）；
（2）火星直径约为地球的一半，物体在火星地表所受重力约为地球地面上的五分之二；地球地表上的g地取10N/kg，则火星地表上的g约为 ______N/kg，由此可知：
①如图2，质量为240kg的祝融号火星车从高度为1.2m的着陆平台上沿斜梯驶离到火星地面上，则重力对火星车所做的功为 ______J；
②火星地表大气压强约为680Pa，在火星地表做托里拆利实验，如图3，则水银柱高度h约为 ______mm；（水银密度为13.6×103kg/m3）
③假设火星地面上存在一个由液态水形成的湖泊，某同学穿上宇航服跳入湖中并保持不动；已知此同学穿上宇航服后的总质量为80kg、体积0.25m3，液态水的密度，则此同学在湖水中所受的浮力大小为 ______N、浸入水中的体积为 ______m3。
【答案】近；守恒；4；1152；12.5；320；0.08。
【解析】（1）[1][2]火星探测器沿椭圆轨道绕火星运动时，不受空气阻力，只发生动能和势能的相互转化，故探测器的机械能保持不变；在近火点，探测器的高度最小，重力势能最小，故探测器的动能最大。
（2）[3]火星地表上的g为
①[4]重力对火星车所做的功
②[5]水银柱高度
③[6]该同学的重力
假设该同学全部浸入水中，则排开水的体积为0.25m3，在湖水中所受的浮力
则该同学在湖水中静止时漂浮，所受的浮力
[7]根据阿基米德原理可知此时浸入水中的体积。
单摆实验
滚摆实验
图示
现象
将小球拉至A点释放，小球加速摆向B点，然后摆向C点，速度越来越小，到C点的速度为零，之后再经过B点回到A点，不断往复（因为有空气阻力，实际上不能回到A点）
捻动滚摆的轴，使滚摆上升至某一高度后松开，滚摆开始旋转下降，转速越来越大，到最低点后，开始缠绕悬线上升，转速逐渐变小，最终再次上升到原来的高度，之后再次下降，不断重复（因为有空气阻力，滚摆不能回答原来的高度）
能量转化情况分析
单摆的运动可分为上升段和下降段。其动能和重力势能转化情况见下表。
运动
阶段
高度
重力势能
速度
动能
能的
转化
下降段
A→B
C→B
降低
减小
变大
增大
重力势能转化为动能
上升段
B→A
B→C
升高
增大
变小
减小
动能转化为重力势能
滚摆的运动也可分为上升段和下降段。其动能和重力势能转化情况见下表。
运动
阶段
高度
重力势能
速度
动能
能的
转化
下降段
降低
减小
变大
增大
重力势能转化为动能
上升段
升高
增大
变小
减小
动能转化为重力势能
探究归纳
在一定条件下，动能和重力势能可以互相转化。
探究过程
球的速度
球的动能
弹簧片形变程度
弹簧片的弹性势能
能的转化
木球压弯弹簧片
不断减小，直至为零
不断减小，直至为零
由小变大
不断增大
动能转化为弹性势能
弹簧片把木球弹回
由零不断增大
由零不断增大
由大变小
不断减小，直至为零
弹性势能转化为动能
★特别提醒
动能和弹性势能的之间的转化，可以发生在同一物体上，也可以发生在不同物体之间。例如，由高处落下的篮球在撞击地面发生了弹性形变过程中，球的动能转化为自身的弹性势能；球在恢复原状的过程中，球的弹性势能转化为自身的动能，动能和弹性势能在一个物体上相互转化。运动员进行蹦床表演时，运动员的动能和蹦床的弹性势能在两个物体间相互转化。
★特别提醒
机械能守恒的条件是只有动能和势能之间发生转化，没有其他形式的能参与转化。但在现实生活中，由于摩擦阻力的存在，动能和势能相互转化的过程中总要克服摩擦力做功，总有部分机械能转化为其他形式的能，机械能的总量减少。
▲拓展培优
能量转化的普遍性
自然界中，各种形式的能量都可以相互转化，能量转化过程中总是一种形式的能量减少，另一种形式的能量增加动能和势能的相互转化只是各种能量转化的一种。
示例（忽略空气阻力和摩擦导致的机械能损失）
判断依据
能的转化
速度
高度
形变
滚摆上升时
减小
增大
——
动能转化为重力势能
过山车下降时
增大
减少
——
重力势能转化为动能
运动的小球压缩弹簧时
减小
——
增大
动能转化为弹性势能
弯弓射箭时
增大
——
减小
弹性势能转化为动能
示例
动能变化
势能变化
机械能
水平路面上加速运动的小车
增大
不变
增大
水平路面上减速运动的小车
减小
不变
减小
匀速上升的热气球
不变
增大
增大
匀速下降的热气球
不变
减小
减小
斜面上减速下滑的滑块
减小
减小
减小
汽车加速冲上斜面
增大
增大
增大
水能
风能
本质
机械能
特点
无污染、蕴藏量大、可循环利用
资源丰富、无污染、不稳定、不便于储存
利用
（1）早期，人们利用水流冲击水轮机转动来汲水、磨粉、碾谷；
（2）到18世纪，人们利用大功率水轮机来带动纺织机、冶金鼓风机工作；
（3）近代，利用水轮机带动发电机发电
（1）利用风能来驱动帆船航行；
（2）利用风能来推动风车做功；
（3）利用风能来发电