11.4 机械能及其转化

第4节机械能及其转化核心素养1．知道机械能包括动能和势能；2．能用实例说明动能和势能之间可以相互转化，能解释有关动能、重力势能、弹性势能之间相互转化的简单现象；3．初步了解机械能守恒的含义.4．通过观察和实验，认识动能和势能之间的相互转化的过程；5．动手设计实验，勇于探索自然现象和身边的物理道理.6．关心机械能与人们生活的联系，有将机械能应用于生活的意识；7．乐于参加观察、实验、制作等科学实践.教学重点:动能和势能的转化及机械能的守恒.教学难点:动能和势能的转化及机械能的守恒的理解.课时安排:1课时教学准备滚摆、铁锁、细绳、铁架台、钢球、细线.带弹簧的斜面、多媒体课件等.教学过程导入新课游戏导入教师利用事先准备好的演示器材，请两个同学配合，指导他们完成一个小游戏，让同学们认真观察并思考游戏里面的科学道理.如图，将小钢球或铁锁固定在细线的一端，细线的另一端系在铁架台上，使小钢球与细线形成一个摆.让一个同学靠近铁架台，头稍低，另一同学把小球由该同学的鼻子处释放，小钢球（铁锁）摆动过程中能否碰到该同学的鼻子，提醒注意安全，并思考里面的科学道理.说明：教师不对学生的回答做评判，只告诉学生，要回答这个问题，需要学习本节课的内容.引出本节课的课题：机械能及其转化.新课教学一、机械能及其转化1．机械能：动能、重力势能和弹性势能统称为机械能.一个物体可以既有动能，又有势能.多媒体展示：从高处下落的苹果，速度越来越快，用频闪摄像机摄下它下落的过程，如图所示.提出问题：被举高的苹果具不具有能量？为什么？学生活动：学生回答提问后，再引导学生分析苹果下落的过程.首先提出，当苹果下落到某一点时，苹果具有什么能量？（此时既有重力势能，又有动能）继而让学生比较在该位置和起始位置，苹果的重力势能和动能各有什么变化？（重力势能减少，动能增加）在苹果下落的过程，重力势能和动能都有变化，自然界中动能和势能变化的事例很多，下面我们共同观察滚摆的运动，并思考动能和势能的变化.2．动能与重力势能的相互转化实验l：用细线把小球系好，吊在天花板上，做成如图所示的单摆.将单摆拉至A点处，松手，让单摆自由摆动.发现单摆从A点运动到B点的过程中，速度越来越大，从B点运动到C点的过程中，速度越来越小.实验2：把一个滚摆悬挂起来，如图所示，用手捻动滚摆使悬线缠在轴上，滚摆升高到最高点，松手.发现滚摆下落的过程中，速度越来越快，滚摆上升的过程中速度越来越慢.问题研讨问题1单摆从A点运动到B点、C点的过程中，动能和重力势能是如何变化的？又是如何转化的呢？答：________________________________________________________.问题2滚摆在下落、上升的过程中，动能和重力势能是如何变化的？又是如何转化的呢？答：_________________________________________________________________.学生活动：交流讨论，思考回答.(1)单摆从A点运动到B点的过程中，动能变大，重力势能变小，重力势能转化为动能；单摆从B点运动到C点的过程中，动能变小，重力势能变大，动能转化为重力势能.(2)滚摆在下落的过程中，动能变大，重力势能变小，重力势能转化为动能；滚摆上升的过程中，动能变小，重力势能变大，动能转化为重力势能.知识归纳：在一定的条件下，物体所具有的动能和重力势能可以相互转化.友情提示：在动能和势能的相互转化过程中，一种形式的能减少，一种形式的能增加，减少的那种形式的能转化为增加的那种形式的能.例题:骑自行车下坡，不踩脚踏板，车速也越来越快，这是因为().A．自行车的惯性越来越大B．自行车的重力越来越大C．自行车的重力势能转化为动能D．自行车的动能转化为重力势能解析：自行车下坡时，惯性和重力都不变.因为惯性与物体的质量有关，是物体固有的属性；重力与物体的质量成正比，在某一位置，物体质量不变，重力不变；可见选项A、B是错误的.此过程中，自行车的重力势能减小，动能增大，重力势能转化为动能，所以速度越来越大；可见选项C正确，选项D错误.答案：C解题方法：能量总是由变小的那种形式的能转化成变大的那种形式的能.我们只要运用动能和势能的影响因素判断出物体动能和势能的大小变化，就可以知道是哪种形式的能转化成哪种形式的能.3．动能与弹性势能的相互转化实验3：如图所示，在水平槽里竖立一个弹簧片，让木球从斜槽滚入水平槽，撞击弹簧片.观察到木球接触、碰撞弹簧片的过程中，木球的速度越来越慢，弹簧片弯曲程度越来越大；木球被弹簧片弹回的过程中，木球的速度越来越快，弹簧片弯曲程度越来越小，问题研讨问题1在木球与弹簧片接触、碰撞和被反弹的过程中，动能和重力势能是如何变化的？又是如何转化的呢？答：_________________________________________________________________.问题2由上面的实验，你能得出什么结论？答：________________________________________________________________,学生活动：交流讨论，思考回答.(1)在木球与弹簧片接触、碰撞的过程中，木球的动能减小，弹簧片的弹性势能增大，木球的动能转化为弹簧片的弹性势能.被反弹的过程中，弹簧片的弹性势能减小，木球的动能增大，弹簧片的弹性势能转化为木球的动能.(2)动能和弹性势能能够相互转化.实验4：用弹簧振子演示动能和弹性势能的相互转化.学生活动：观察演示实验，思考问题，选出代表发表见解.问题：这个实验中，小球的受力情况如何？各个力的做功情况如何？这个实验说明了什么？小球在往复运动过程中，竖直方向上受重力和杆的支持力作用，水平方向上受弹力作用.重力、支持力和速度方向总垂直，对小球不做功；只有弹簧的弹力对小球做功.实验表明，小球在往复运动过程中总能回到原来的位置，小球在往复运动过程中弹性势能和动能在不断转化.知识归纳：在一定的条件下，物体所具有的动能和弹性势能可以相互转化.友情提示：动能和重力势能可以相互转化，动能和弹性势能也可以相互转化；不同形式的机械能都可以相互转化.例题:下列事例中，应用了弹性势能转化为动能的是().A.打桩机的重锤将桩打入泥土中B．发条带动手表的指针转动C．电风扇通电后，扇叶转动D．火箭点火后加速升空解析：选项A中，重力势能转化为动能；选项C中，电能转化为动能；选项D中，燃料燃烧所释放的化学能转化为火箭的动能和势能；选项B中，发条的弹性势能转化为动能.答案：B特别提示：弹性势能转化为动能的过程，就是利用弹性势能的过程.此过程中，弹性势能减小，动能增大.判断弹性势能和动能的大小变化是解题的关键.教师总结：在机械能的相互转化过程中，如果只有动能和势能的相互转化，尽管动能、势能的大小会发生变化，但机械能的总和保持不变，或者说，机械能是守恒的.拓展延伸：在一定的条件下，其他各种形式的能量之间也能够相互转化.实际生活中，在机械能的相互转化过程中，往往要克服摩擦力，使机械能总和减小.例题;如图所示，碗内一小球从顶端A点开始下落，在碗内来回滚动，最后静止在碗的底部B点处，则下列说法正确的是()．A.小球从A向B滑动的过程中，动能转化为重力势能B．小球从B向A滑动的过程中，动能转化为重力势能C．小球在整个过程中，机械能总和保持不变D．小球在整个过程中，在A点处机械能总和最大解析：由动能和重力势能的影响因素可知：小球从A向B滑动的过程中，重力势能减小，动能增大，重力势能转化为动能，可见选项A是错误的，选项B是正确的.小球在碗内来回滚动的过程中，不断克服摩擦力，消耗了自身的机械能，机械能总和不断减小，可见选项C是错误的，选项D是正确的.答案：BD特别提示：一般地，物体由高处向低处运动，重力势能转化为动能，由低处向高处运动，动能转化为重力势能.在机械能的相互转化过程中，只要有克服摩擦力做功．机械能总和就会减小.二、水能和风能的利用在地球上，海水朝夕涨落，江河日夜奔流；有时微风拂面，有时狂风劲吹.水和风都蕴含着大量的机械能.在19世纪，人类就会用水轮机带动发电机发电.我国较大的河流有一千五百多条，水能蕴藏量达6.8×108kW，其中可以开发利用的有3.8×108kW，居世界第一位.建国以来，我国在龙羊峡、刘家峡、盐锅峡、八盘峡、青铜峡等地修建了大型水电站，总发电能力达3.56×106kW.已开始并网发电的三峡水电站，总装机容量1.82×107kW，年发电量8.47×1010kW．h以上.我国早在两千多年前就开始利用风来驱动帆船，至少在一千七百多年前已开始利用风来推动风车.风能利用起来比较简单，而且不会污染环境，但是风能不稳定，也不便于储存.我国在沿海岛屿和草原地区有较丰富的风能，在这些地方可利用风力发动机做一些允许间断的工作.教师活动：提出问题：我们已学习了多种形式的能，请同学们说出你所知道的能量形式.我们还知道不同能量之间是可以相互转化的，请你举几个能量转化的例子.学生活动：思考并回答问题，列举实例.教师活动：演示实验1：在一个玻璃容器内放入沙子，拿一个小铁球分别从某一高度释放，使其落到沙子中.学生思考：小球运动过程中机械能是否守恒？请说出小球运动过程中能量的转化情况.演示实验2：在盛有水的玻璃容器中放一小木块，让小木块在水中上下浮动，过一段时间，小木块停止运动.学生思考：小木块运动过程中机械能是否守恒？请说出小木块运动过程中能量的转化情况.学生活动：观察实验并积极思考讨论后，选出代表发表见解.教师活动：听取学生汇报，总结点评，回答学生可能提出的问题.通过学生举例和演示实验，说明各种形式的能量可以相互转化，增强学生的感性认识，并激发学生的学习兴趣，唤起学生强烈的求知欲.以上实验表明，各种形式的能量可以相互转化，一种能量减少，必有其他能量增加，一个物体的能量减少，必定其他物体的能量增加，能量的总和并没有变化.这就是大自然的一条普遍规律，而机械能守恒定律只是这一条规律的一种特殊情况.学生活动：列举生活中不同能量之间相互转化的例子.课件展示各种图片，让学生认真观察，并说明各种装置能量的转化情况.通过图片展示，让学生更加形象地感受能量的转化或转移过程，为能量守恒定律的提出作准备.学生通过认真观察图片并回顾相关知识，归纳总结：图1：太阳能电站：太阳能转化为电能图2：内燃机车：内能转化为机械能图3：水电站：机械能转化为电能图4：水果电池：化学能转化为电能从上面的例子我们可以看出，能量之间是可以相互转化或转移的.课堂达标1．下列过程中，物体的重力势能转化为动能的是().A.跳伞运动员在空中匀速下落的过程B．热气球上升的过程C．汽车在水平路面上匀速行驶的过程D．铅球自由下落的过程解析：跳伞运动员匀速下落，动能不变，重力势能减小，热气球上升重力势能增大，是因为气球受到向上的浮力对其做功；汽车在水平公路上匀速行驶，速度、高度都不变，其动能和重力势能都不变；铅球自由下落，重力势能减小，动能增大，重力势能转化为动能，因此选D．答案：D2．李白赋诗“飞流直下三千尺，疑是银河落九天”描述了瀑布的壮观，瀑布飞流而下时，水的().A.动能增加，重力势力增加B．动能减小.重力势能增加C．动能减小，重力势能减小D．动能增加，重力势能减小解析：瀑布飞流而下时，水的高度减小，重力势能减小，速度增大，动能增大，重力势能转化为动能，所以D正确.答案：D3．如图是小明在体育考试中测试“引体向上”时的示意图.关于“引体向上”，下列说法中正确的是().A.身体悬挂不动时，势能为零B．身体上升时，重力做功，势能减少．C．身体下降时，重力做功，势能增加D．身体上升时，克服重力做功，势能增加解析：重力势能的大小决定于物体的质量和高度，身体悬挂不动时，人仍然有一定高度，所以重力势能不为零，故A选项错误；身体上升时，克服重力做功，高度增加，重力势能增加，故B选项错误，D选项正确；身体下降时，重力做功，高度减小，重力势能减小，故C选项错误.答案：D4．跳远运动的几个阶段如图所示，则运动员().A.助跑阶段机械能不变B．起跳时机械能为零C．经过最高点时动能最大D．经过最高点时重力势能最大解析：助跑阶段速度越来越大，动能越来越大，重力势能不变，机械能变大，故A选项错误；起跳时运动员具有较大的动能，因此机械能不为零，故B选项错误；经过最高点时，动能转化为重力势能，因此重力势能变大，动能变小，故C选项错误；经过最高点时，运动员位置最高，重力势能最大，故D选项正确.5．小阳打排球，排球离开手后向上运动到一定高度又落回地面.不计空气阻力.关于排球离开手后的运动过程，下列说法中不正确的是().A.排球在上升过程中，小阳对排球做功B．排球在下落过程中，排球的重力势能变小C．排球在上升过程中，排球受到的力的方向竖直向下D．排球在下降过程中，排球所受的重力做功越来越快解析：排球在上升的过程中，小阳对排球已经没有力的作用，故不可能做功，A选项错误；排球下落的过程中，高度降低，故重力势能变小，B选项正确；排球在上升的过程中，排球受到的力只有重力，故方向是竖直向下，C选项正确；排球在下落的过程中，速度越来越大，即单位时间通过的距离变大，做功越来越快，D选项正确.答案：A6．撑竿跳高是一项技术性很强的体育运动，完整的过程可以简化成如图所示的三个阶段：持竿助跑、撑竿起跳上升、越杆下落.到达最高点的过程中是动能和转化为；下落过程中能逐渐增加.解析：运动员持竿助跑具有动能，撑竿起跳时，部分动能转化为弹性势能，上升过程中动能和弹性势能转化为重力势能；下落时，重力势能转化为动能，动能越来越大.答案：弹性势能重力势能动课堂小结请同学们总结一下，本节课你学到了哪些知识，有哪些收获？1_机械能的概念；2．机械能的转化：动能与势能的相互转化.板书设计第4节机械能及其转化一、机械能：动能、重力势能和弹性势能统称为机械能.二、机械能的转化1．动能与重力势能的相互转化2．动能与弹性势能的相互转化在机械能的相互转化过程中，如果只有动能和势能的相互转化，尽管动能、势能的大小会发生变化，但机械能的总和保持不变，或者说，机械能是守恒的.三、水能和风能的利用作业：1.如图所示，足球以初速度v沿着凹凸不平的草地从a运动到d，足球（）答案CA．在b、d两点动能相等B．在a、d两点动能相等C．从b到c的过程机械能减少D．从c到d的过程重力势能减少2．如图是“天宫一号”飞行器运行轨道的示意图；若“天宫一号”飞行器沿椭圆轨道绕地球运行的过程中机械能守恒，则它从远地点向近地点运行的过程中