解讀機械能守恒

精品文檔-下載后可編輯解讀機械能守恒機械能知識是機械功的引申,是對前面所學知識的提高和深化,它不僅是初中物理的重要內容,也是高中階段物理學習的一個基礎.

一、機械能

1.動能

(1)動能是物體由于運動而具有的能量(即物體由于運動而具有做功的本領).“運動”是判斷物體是否具有動能的條件,一切運動的物體都具有動能.

(2)運動的物體動能的大小與兩個因素有關:一是物體的質量;二是物體運動的速度大小.當物體的質量一定時,物體運動的速度越大其動能越大,物體的速度越小其動能越小.具有相同運動速度的物體,質量越大動能越大,質量越小動能越小.

例1下列物體一定具有動能的是().

A.汽車B.飛機

C.輪船D.飛翔的雄鷹

解析受思維定勢的影響,同學們會認為交通工具一定在運動,從而得出汽車、飛機、輪船具有動能的錯誤結論,實際上當它們靜止時是不具有動能的.而飛翔的雄鷹在運動,所以一定具有動能.正確答案為D.

2.重力勢能

(1)重力勢能是由于物體被舉高而具有的能量.重力勢能的大小是由物體的質量和被舉起的高度決定的.因此,物體質量相同時,被舉起的高度越高,重力勢能越大;當物體被舉起的高度相同時,質量越大的物體重力勢能越大.

(2)“被舉高”說明物體具有一定的高度,它是判斷物體是否具有重力勢能的條件.因高度具有相對性,故重力勢能也具有相對性.一般情況下,物體被舉起的高度是以水平地面為參考標準的,也就是說,物體離地面的高度就是物體被舉起的高度.

(3)重力勢能是一種被物體儲存的能量,是無法直接看出的,只有在物體的高度發(fā)生變化時(此時發(fā)生了能量的轉化),物體的重力勢能才能表現(xiàn)出來.

例2判斷:放在桌子上的物體是否一定具有重力勢能.

解析若以地面為參照面,桌子上的物體相對地面有一定高度,具有重力勢能;若以桌面為參照面,該物體相對桌面就沒有高度,所以沒有重力勢能.

3.彈性勢能

(1)物體在外力作用下,它的形狀會發(fā)生變化,稱為形變.如果將對物體施加的外力撤銷,物體的形變能夠完全消失,恢復原狀,這種形變稱為彈性形變.發(fā)生彈性形變的物體有恢復原來形狀的能力,具有做功的本領,因此具有能,這種能稱為彈性勢能.

“彈性形變”是判斷物體是否具有彈性勢能的條件,只有發(fā)生彈性形變的物體才具有彈性勢能.

(2)彈性勢能的大小與兩個因素有關:一個是彈簧本身的性質,另一個是彈性形變的大小.當彈簧本身的性質相同時,形變越大,它具有的彈性勢能就越大,形變越小,具有的彈性勢能就越小;當彈簧形變相同時,性質不同的彈簧彈性勢能一般不同.

例3判斷:彈簧是否一定具有彈性勢能.

解析在彈性限度內彈簧在被拉長或壓縮發(fā)生彈性形變時才具有彈性勢能.當彈簧未受外力,沒有發(fā)生彈性形變,或受力過大超過彈性限度不能復原時就沒有彈性勢能.

4.機械能

一個物體可以同時具有動能和勢能(包括重力勢能和彈性勢能),動能和勢能統(tǒng)稱為機械能.“統(tǒng)稱”說明機械能是動能和勢能的總和.一個物體具有機械能有三層含義:(1)物體只具有動能;(2)物體只具有勢能;(3)物體同時具有動能和勢能.

例4判斷:具有機械能的物體是否一定具有動能.

解析具有機械能的物體可能只有動能,也可能只有勢能,或者同時具有動、勢能.例如放在桌子上的木塊以地面為參照面,則它具有重力勢能.雖然沒有動能,但也可說它具有機械能.

二、動能和勢能間的相互轉化

1.動能和重力勢能之間可以相互轉化

動能和重力勢能之間的相互轉化一般發(fā)生在只受重力作用下的運動過程中.例如滾擺(如圖1所示)在下降的過程中,越轉越快,它的重力勢能越來越小,動能越來越大,重力勢能轉化為動能;滾擺在上升過程中,越轉越慢,它的重力勢能越來越大,動能越來越小,動能轉化為重力勢能.

例5用細線懸掛一個小球,把小球拉到某一高度松開,讓小球自由擺動,觀察說明:小球在擺動過程中能量是如何轉化的?機械能總量有何變化?

解析用細線懸掛一個小球,把小球拉到某一高度松開,讓小球自由擺動,觀察小球在擺動過程中的情況,會發(fā)現(xiàn):小球從最低點向上運動的過程中,速度逐漸變慢,高度逐漸增加,即動能逐漸減小,勢能逐漸增加,動能轉化為勢能;達到最高點時,速度為零,動能為零,勢能最大.

小球從最高點向下運動的過程中,高度逐漸減小,速度逐漸增加,即勢能逐漸減小,動能逐漸增加,勢能轉化為動能;小球經(jīng)過最低點時,速度最大,但勢能最小.

擺動中小球的動能轉化為勢能,勢能再轉化為動能,循環(huán)往復,如果沒有阻力,小球會一直運動下去,即機械能的總量保持不變.但這只能是一種理想情況.事實上小球擺動高度會越來越小,最終停止,這是因為小球在運動過程中要克服摩擦力做功,一部分機械能轉化為內能.所以,總的機械能不斷減小,最終小球停止擺動.

2.動能和彈性勢能之間也可以相互轉化

動能和彈性勢能之間的相互轉化可以發(fā)生在同一物體上,也可以發(fā)生在不同物體之間.例如,從高處落下的皮球與地面撞擊的過程中,由于皮球發(fā)生彈性形變,皮球的動能轉化為彈性勢能,皮球在恢復原狀的過程中,它的彈性勢能轉化為動能.拉彎的弓把箭射出去的過程中,拉彎的弓具有彈性勢能,射出去的箭具有動能,這是弓的彈性勢能轉化為箭的動能.

例6如圖2所示的玩具小丑在跳動的過程中,能量是如何轉化的?機械能總量如何變化?

解析玩具盒蓋未打開時,玩具小丑底部的彈簧被壓縮,具有彈性勢能;當盒蓋打開時,彈簧的彈性勢能轉化為小丑跳動的動能和勢能.由于慣性,小丑跳動的高度超過彈簧的平衡位置,彈簧被拉長,小丑的動能和勢能轉化為彈簧的彈性勢能,此彈性勢能使小丑向下運動,彈簧又被壓縮.如果沒有阻力,小丑會一直上下跳動,機械能的總量保持不變.但由于小丑跳動過程中受到空氣阻力,必然有一部分機械能轉化為內能.因此,總的機械能會逐漸減小,最終小丑會停止跳動.

3.分析機械能間相互轉化的注意點

機械能包含動能、重力勢能和彈性勢能,在分析這些能量間的相互轉化時,應分析它們的速度、高度、形變的情況.同時要注意的是,能量的轉化發(fā)生在變化的過程中,只有在某一個變化的過程中才有能量轉化現(xiàn)象的出現(xiàn).必須點明“在××過程中,××能轉化為××能”.有時機械能的轉化發(fā)生在同一物體上,如玩滑梯、汽車行駛過程等;有時機械能的轉化不一定是在同一物體上,像跳水運動員在跳板上起跳、跳高運動員進行撐桿跳高等,這里的機械能轉化可以是在不同物體間進行.

例7(多選題)如圖3所示的是一種叫做蹦極的游戲.游戲者將一根有彈性的繩子一端系在身上,另一端固定在高處,從高處跳下.圖中a點是彈性繩自然下垂時繩下端的位置,c點是人所到達的最低點的位置.對于他離開跳臺至最低點的過程,下面說法正確的是().

A.他的重力勢能一直在減小

B.繩子的彈性勢能一直在減小

C.他的動能前一段時間在增加,后一段時間在減小

D.在最低點,重力勢能減到最小,動能為零,繩子的彈性勢能最大

解析在質量不變的情況下,動能的變化取決于速度的變化,從最高點到最低點,速度從慢到快再到慢,所以游戲者的動能先變大后變小,到最低點時,動能為零;重力勢能的變化取決于高度的變化,高度越來越低,故游戲者的重力勢能一直在減小;彈性勢能的變化取決于彈性形變的大小變化,從最高點到a點,繩子自然下垂,未發(fā)生彈性形變,故沒有彈性勢能,從a點到c點,繩子發(fā)生了彈性形變,具有彈性勢能,在最低點,繩的形變最大,故繩子的彈性勢能最大.正確答案:A、C、D.

三、機械能守恒定律

在動能和勢能相互轉化的過程中,如果沒有和其他形式的能量之間的相互轉化,則機械能的總量保持不變,這就是機械能守恒定律.

例8(多選題)如圖4所示,一個靜止的木塊M,從O點分別沿不同的光滑軌道OA、OB、OC、OD自由下滑,到達同一水平地面上,如果不計空氣阻力,以下說法正確的是().

A.到達地面時動能不相等,沿OD軌道下滑時動能最大

B.沿不同的軌道到達地面時,重力勢能的變化相同

C.沿著不同軌道到達地面時速度大小相同

D.沿不同軌道運動時,M的機械能保持不變

解析“