第十一章功和機(jī)械能第4節(jié)機(jī)械能及其轉(zhuǎn)化素養(yǎng)目標(biāo)1.能通過生活實(shí)例，認(rèn)識物體的動(dòng)能和勢能可以相互轉(zhuǎn)化。知道機(jī)械能，能解釋與機(jī)械能轉(zhuǎn)化有關(guān)的現(xiàn)象。2.通過分析生活現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)中的動(dòng)能和勢能相互轉(zhuǎn)化情況，發(fā)展科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等思維能力。3.經(jīng)歷動(dòng)能和勢能相互轉(zhuǎn)化的探究過程，用科學(xué)方法進(jìn)行分析，基于證據(jù)得出結(jié)論，并對探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流，提升科學(xué)探究能力。4.通過了解水能和風(fēng)能的利用，培養(yǎng)節(jié)約能源的意識，激發(fā)利用科學(xué)技術(shù)發(fā)展新能源的動(dòng)力。創(chuàng)設(shè)情景，引入新課把一個(gè)鐵鎖用繩子懸掛起來，將鐵鎖拉到你的鼻子附近，穩(wěn)定后松手，鐵鎖向前擺去。你認(rèn)為鐵鎖擺回時(shí)會(huì)打到你的鼻子嗎?走進(jìn)上海天文博物館，一進(jìn)門你會(huì)發(fā)現(xiàn)，有一個(gè)很大的單擺在不停的來回?cái)[動(dòng)，并且擺動(dòng)的幅度大體相同，你知道這是為什么嗎？上海天文博物館的單擺機(jī)械能及其轉(zhuǎn)化1.機(jī)械能（1）現(xiàn)象與分析節(jié)前“問題”中，松手后，鐵鎖離你而去，且速度的大小不斷變化，到達(dá)左側(cè)最高點(diǎn)后，鐵鎖又向你運(yùn)動(dòng)，接近你的鼻子之后，又會(huì)離你而去，循環(huán)往復(fù)。在這個(gè)過程中，鐵鎖的運(yùn)動(dòng)快慢在變化，說明動(dòng)能在發(fā)生變化。同時(shí)，鐵鎖的高度也在變化，說明鐵鎖的重力勢能也在發(fā)生變化。但鐵鎖并不會(huì)碰到你的鼻子，這是什么原因呢?（2）機(jī)械能在物理學(xué)中，把動(dòng)能、重力勢能和彈性勢能統(tǒng)稱為機(jī)械能。機(jī)械能是和物體的運(yùn)動(dòng)緊密聯(lián)系的能量。機(jī)械能的單位是焦耳（J）。想一想：高空飛行中的飛機(jī)具有什么能量？飛行中的飛機(jī)因?yàn)樗谶\(yùn)動(dòng)而具有

，又因?yàn)樗幱诟呖斩哂?/p>

。一個(gè)物體可以既有動(dòng)能，又有勢能，把這兩種能量加在一起，就可以得到它的總2.動(dòng)能和勢能的轉(zhuǎn)化（1）動(dòng)能和重力勢能的轉(zhuǎn)化動(dòng)能和重力勢能可以相互轉(zhuǎn)化。下面以單擺和滾擺的運(yùn)動(dòng)為例分析。機(jī)械能是多少了。動(dòng)能重力勢能①單擺實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)】如圖所示，擺球在豎直平面內(nèi)擺動(dòng)，在A、C點(diǎn)時(shí)最高，在B點(diǎn)時(shí)最低，所以擺球的運(yùn)動(dòng)可分為下降段和上升段。其能量轉(zhuǎn)化情況見下表。重力勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢能重力勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢能觀看視頻：《觀察單擺的運(yùn)動(dòng)》【結(jié)論】單擺在擺動(dòng)過程中，動(dòng)能和重力勢能

相互轉(zhuǎn)化。②滾擺實(shí)驗(yàn)如圖所示，將滾擺掛起來，捻動(dòng)滾擺，使懸線纏繞在軸上，當(dāng)滾擺上升到最高點(diǎn)后，放開手，滾擺會(huì)下降和上升，能量變化的分析過程如下表所示?？梢灾亓菽苻D(zhuǎn)化為動(dòng)能動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢能【結(jié)論】滾擺在擺動(dòng)過程中，動(dòng)能和重力勢能可以相互轉(zhuǎn)化。（2）動(dòng)能和彈性勢能的轉(zhuǎn)化如圖所示，是一個(gè)木球從高處滾到水平面上，撞到彈簧上的情景。請你分析這一過程中能量轉(zhuǎn)化的情況。動(dòng)能轉(zhuǎn)化為彈性勢能彈性勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能【結(jié)論】動(dòng)能和彈性勢能在一定條件下

相互轉(zhuǎn)化。可以（3）歸納結(jié)論動(dòng)能和勢能可以相互轉(zhuǎn)化：動(dòng)能和重力勢能可以相互轉(zhuǎn)化動(dòng)能和彈性勢能可以相互轉(zhuǎn)化重力勢能動(dòng)能彈性勢能動(dòng)能和勢能的相互轉(zhuǎn)化過程中，必定有動(dòng)能和勢能各自的變化，而且一定是此增彼減。注意：判斷動(dòng)能和勢能的相互轉(zhuǎn)化的方法動(dòng)能的增減變化要以

的變化來判斷；重力勢能的增減變化要以物體離地面

的變化來判斷；彈性勢能的增減要根據(jù)

大小的變化來判斷。速度高度形變（4）動(dòng)能和勢能相互轉(zhuǎn)化的實(shí)例①人從滑梯下滑時(shí)，重力勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。②拉弓射箭時(shí)，拉開的弓把箭射出去的過程中，弓的彈性勢能轉(zhuǎn)化為箭的動(dòng)能。運(yùn)動(dòng)員需要經(jīng)過哪一些過程？③撐桿跳高起跳瞬間?：運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為撐竿的

能。上升過程?：撐竿的彈性勢能轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)員的

能和

能。下落過程?：重力勢能轉(zhuǎn)化為

能?。④蹦床運(yùn)動(dòng)員從高處落下，在與蹦床床面將要接觸時(shí)，具有一定的

能，與蹦床床面接觸后，床面發(fā)生彈性形變，運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成蹦床的

能。也就是說，動(dòng)能和勢能

相互轉(zhuǎn)化。彈性勢動(dòng)重力勢動(dòng)動(dòng)彈性勢可以3.機(jī)械能守恒（1）機(jī)械能守恒動(dòng)能、勢能的大小會(huì)變化，它們的和是否變化呢？物理學(xué)家經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)研究與理論推導(dǎo)，得出了如下規(guī)律：機(jī)械能守恒如果只有動(dòng)能和勢能相互轉(zhuǎn)化，盡管動(dòng)能、勢能的大小會(huì)變化，但動(dòng)能和勢能的總和不變，或者說，機(jī)械能是守恒的。（2）機(jī)械能守恒的條件只有

能和

能的相互轉(zhuǎn)化，而沒有機(jī)械能與其他形式的能的相互轉(zhuǎn)化。（即忽略摩擦阻力造成的能量損失，所以機(jī)械能守恒也是一種理想化的物理模型）在物理學(xué)中常常出現(xiàn)“光滑的表面”、“不計(jì)空氣阻力”、“不計(jì)摩擦”等文字描述，表示

摩擦阻力，機(jī)械能是守恒的。機(jī)械能守恒的情況（3）用機(jī)械能守恒及其轉(zhuǎn)化解釋現(xiàn)象動(dòng)勢沒有①人造地球衛(wèi)星的機(jī)械能轉(zhuǎn)化許多人造地球衛(wèi)星沿橢圓軌道繞地球運(yùn)行。離地球最近的一點(diǎn)叫

地點(diǎn)，最遠(yuǎn)的一點(diǎn)叫

地點(diǎn)。衛(wèi)星在大氣層外運(yùn)行，

空氣阻力，只有

能和

能的轉(zhuǎn)化，因此機(jī)械能守恒。衛(wèi)星在遠(yuǎn)地點(diǎn)時(shí)勢能最

，當(dāng)它從遠(yuǎn)地點(diǎn)向近地點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，勢能

，動(dòng)能

，速度會(huì)

。當(dāng)衛(wèi)星從近地點(diǎn)向遠(yuǎn)地點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)能

，勢能

，速度會(huì)

。近遠(yuǎn)不受動(dòng)勢大減小增大增大減小減小增大②節(jié)前“問題”欄目中，用繩子把一個(gè)鐵鎖懸掛起來。把鐵鎖拉到自己的鼻子附近，穩(wěn)定后松手，鐵鎖向前擺去。你認(rèn)為鐵鎖擺回時(shí)會(huì)打到你的鼻子嗎？在運(yùn)動(dòng)過程中鐵鎖的動(dòng)能和重力勢能相互轉(zhuǎn)化，但它們的總和不變（忽略空氣阻力）。所以，鐵鎖在擺回時(shí)，不會(huì)打到鼻子。注意：實(shí)際上是

空氣阻力的，所以鐵鎖的機(jī)械能

守恒，逐漸

，最終停下來。③分析過山車運(yùn)動(dòng)過程中的能量轉(zhuǎn)化情況存在并不變?、貯→B過程，③C→D過程，②B→C過程，過山車運(yùn)行過程中車與軌道之間有摩擦力，還受到空氣的阻力，機(jī)械能并不守恒，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，在不給其他動(dòng)力的情況下，過山車最終會(huì)停下來。（4）機(jī)械能不守恒的一些事例重力勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能；動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢能；重力勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。①跳傘運(yùn)動(dòng)員勻速下落跳傘運(yùn)動(dòng)員勻速下落時(shí)，動(dòng)能不變，重力勢能減小，機(jī)械能減小，不守恒。②發(fā)射的航天器剛發(fā)射的航天器是加速上升的，動(dòng)能變大，重力勢能變大，機(jī)械能變大，不守恒。水能和風(fēng)能的利用1.水能（1）水能和風(fēng)能都是機(jī)械能地球上，海水潮汐漲落，江河日夜奔騰；有時(shí)微風(fēng)拂面，有時(shí)狂風(fēng)勁吹。從能量的角度來看，自然界的流水和風(fēng)都具有大量機(jī)械能的天然來源。（2）水能流動(dòng)的水具有動(dòng)能，高處的水具有重力勢能，水所具有的機(jī)械能統(tǒng)稱為水能。水能的大小由流量、流速和水位差決定。（3）古代對水能的利用早在1900多年前，我們的祖先就制造了木質(zhì)水輪，讓流水沖擊水輪轉(zhuǎn)動(dòng)，用來汲水、磨粉、碾谷。（4）水能發(fā)電站將水的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能。修筑攔河壩提高上游水位，壩底裝水輪機(jī)，發(fā)電機(jī)裝在水輪機(jī)上面，它們的軸連接在一起，水輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。一定量的水，上、下水位差越大，水的重力勢能越大，能發(fā)出的電就越多。2.風(fēng)能（1）風(fēng)能：空氣在流動(dòng)過程中所具有的機(jī)械能叫做風(fēng)能。風(fēng)能的大小由風(fēng)速和流動(dòng)空氣的質(zhì)量決定。（2）古代對風(fēng)能的利用：我國早在2000多年前就開始利用風(fēng)來驅(qū)動(dòng)帆船航行。至少1700多年前已開始利用風(fēng)來推動(dòng)風(fēng)車做功。（3）風(fēng)能發(fā)電站將風(fēng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能。單個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率較小，在風(fēng)力資源豐富的地區(qū)，可以同時(shí)安裝幾百臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，組成“風(fēng)車田”，連在一起供電。3.抽水蓄能電站力系統(tǒng)發(fā)出的電無法得到使用，電網(wǎng)又沒辦法儲(chǔ)存，既造成大量的浪費(fèi)，又影響供電系統(tǒng)的安全。如圖所示，抽水蓄能電站建有上、下兩座水庫，兩座水庫互通，水流雙向運(yùn)行。在生活和生產(chǎn)中，人們用電的情況時(shí)常會(huì)發(fā)生變化。有時(shí)電抽水蓄能電站利用電力負(fù)荷低谷時(shí)的電能抽水至上水庫，在電力負(fù)荷高峰期再放水至下水庫，進(jìn)行發(fā)電。這樣的抽水蓄能電站可以提升電力系統(tǒng)的靈活調(diào)節(jié)能力，具有調(diào)峰、填谷、儲(chǔ)能等功能，能提高電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，為實(shí)現(xiàn)新能源安全可靠替代傳統(tǒng)能源、推動(dòng)綠色低碳發(fā)展提供條件。因此，抽水蓄能電站也被稱為“超級充電寶”。世界規(guī)模最大的抽水蓄能電站——國家電網(wǎng)河北豐寧抽水蓄能電站當(dāng)前，我國抽水蓄能電站技術(shù)已處于世界先進(jìn)水平。截至2022年年底，已建的抽水蓄能電站總裝機(jī)容量為4579萬千瓦，居世界首位。如圖所示，是浙江省北部安吉縣境內(nèi)的天荒坪抽水蓄能電站。上水庫蓄能能力1046萬kW·h，其中日循環(huán)蓄能量866萬kW·h，年發(fā)電量31.6億kW·h。創(chuàng)多項(xiàng)世界之最!60層樓高的抽水蓄能電站并網(wǎng)發(fā)電課堂總結(jié)（1）課堂總結(jié)（2）機(jī)械能及其轉(zhuǎn)化機(jī)械能及其轉(zhuǎn)化定義：動(dòng)能、重力勢能和彈性勢能統(tǒng)稱為機(jī)械能。轉(zhuǎn)化關(guān)系：動(dòng)能和重力勢能可以相互轉(zhuǎn)化；動(dòng)能和彈性勢能在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化。機(jī)械能守恒：如果只有動(dòng)能和勢能相互轉(zhuǎn)化，盡管動(dòng)能、勢能的大小會(huì)變化，但動(dòng)能和勢能的總和不變（機(jī)械能守恒）。水能和風(fēng)能的利用水能：流動(dòng)的水具有機(jī)械能，水能發(fā)電站將水的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。風(fēng)能：流動(dòng)的空氣具有機(jī)械能，風(fēng)能發(fā)電站將風(fēng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。抽水蓄能電站：具有調(diào)峰、填谷、儲(chǔ)能等功能。1.在一個(gè)罐子的蓋和底各開兩個(gè)小洞。將小鐵塊用細(xì)繩綁在橡皮筋的中部穿入罐中，橡皮筋兩端穿過小洞用竹簽固定。做好后將它從不太陡的斜面滾下。觀察有什么出人意料的現(xiàn)象。怎樣解釋看到的現(xiàn)象?課堂練習(xí)現(xiàn)象：罐子滾下斜面后會(huì)再自動(dòng)沿斜面向上滾動(dòng)。開始時(shí)，罐子和鐵塊在重力作用下都將沿斜面向下運(yùn)動(dòng)。向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，罐子滾動(dòng)，鐵塊沿斜面向下做直線運(yùn)動(dòng)且相對罐子靜止。由于罐子和橡皮筋捆綁在一起，在罐子和鐵塊的共同作用下，橡皮筋會(huì)被卷緊，它的彈性勢能持續(xù)增加。當(dāng)橡皮筋卷緊到一定程度時(shí)，整個(gè)裝置的運(yùn)動(dòng)速度將會(huì)減小為0，罐子和鐵塊的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為橡皮筋的彈性勢