機(jī)械能及其轉(zhuǎn)化考點(diǎn)解讀

機(jī)械能是中考物理能量部分的考查重點(diǎn)。實(shí)際生產(chǎn)生活中能量的轉(zhuǎn)化不只局限于機(jī)械能內(nèi)部，各種形式的能量之間都可以相互轉(zhuǎn)化，從而限定了機(jī)械能守恒的條件，即只有動能和勢能之間相互轉(zhuǎn)化時機(jī)械能才守恒，由此構(gòu)建初步的能量觀念。具體流程如圖1所示。

圖1

考點(diǎn)1：判斷動能和勢能的變化

[能量的形式 定義 影響因素 動能 物體由于運(yùn)動而具有的能 速度、質(zhì)量 勢能 重力勢能 高處物體所具有的能 高度、質(zhì)量 彈性勢能 物體由于發(fā)生彈性形變而具有的能 彈性形變的程度、材料 ]

在判斷動能或者勢能大小變化時，不能單方面考慮一個因素而忽略另一個因素。具體方法如下。

（1）質(zhì)量相同的物體，運(yùn)動的速度越大，它的動能越大；運(yùn)動速度相同的物體，質(zhì)量越大，它的動能也越大。

（2）物體的質(zhì)量越大，位置越高，它具有的重力勢能就越大。

（3）同一物體的彈性形變越大，它具有的彈性勢能越大。

考點(diǎn)2：機(jī)械能的定義及其轉(zhuǎn)化

動能、重力勢能和彈性勢能統(tǒng)稱為機(jī)械能。一個物體可以既有動能，又有勢能，把這兩種能量加在一起，就得到它的總機(jī)械能。

動能和勢能在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化，即動能可以轉(zhuǎn)化為勢能，勢能也可以轉(zhuǎn)化為動能。轉(zhuǎn)化的結(jié)果是一種形式的能增大，另一種形式的能減小。在解答具體問題時，需要根據(jù)動能和勢能大小的影響因素來判斷能量的轉(zhuǎn)化情況。例如單擺在運(yùn)動過程中，動能轉(zhuǎn)化為重力勢能的標(biāo)志是物體的速度減小，所處的高度增大；重力勢能轉(zhuǎn)化為動能的標(biāo)志是物體的所處高度減小，速度增大。

考點(diǎn)3：機(jī)械能守恒

判斷機(jī)械能是否守恒，可以從三個角度來看。

（1）從受力角度來看，機(jī)械能守恒只允許受重力或者彈力。

（2）從做功角度來看，機(jī)械能守恒只允許重力或者彈力做功，彈力做功對應(yīng)彈性勢能的變化。

（3）從能量轉(zhuǎn)化角度來看，機(jī)械能守恒只允許重力勢能、彈性勢能、動能之間發(fā)生相互轉(zhuǎn)化，不允許其他形式的能參與轉(zhuǎn)化。具體判斷方法如下。

①由“外力是否對物體做功”來判斷機(jī)械能是否守恒。這類題目中一般會有“不計(jì)空氣阻力，物體從高處自由下落”“物體沿光滑斜面下滑”等描述，說明不考慮克服空氣阻力或摩擦力做功造成的機(jī)械能損耗，忽略機(jī)械能和其他形式的能的轉(zhuǎn)化，只有動能和勢能間的相互轉(zhuǎn)化，則機(jī)械能守恒。如計(jì)阻力，則機(jī)械能變小，機(jī)械能不再守恒。

②由“機(jī)械能 = 動能 + 勢能”來判斷機(jī)械能是否守恒。這類題目中一般會有如“加速”“勻速”“減速”“上升”“下降”等描述變化的詞語。解答時先明確物體在初狀態(tài)時所具有的動能和勢能，然后根據(jù)物體運(yùn)動過程中速度、高度、質(zhì)量的變化來判斷處于末狀態(tài)時的動能和勢能，由此判斷機(jī)械能是否守恒。

[應(yīng)用提升]

例1 如圖2所示，用輕質(zhì)細(xì)繩懸掛一小球在豎直平面內(nèi)擺動。在某次擺動過程中，小球依次經(jīng)過A、B、C三點(diǎn)，A、C兩點(diǎn)高度相同，B點(diǎn)為最低點(diǎn)，不計(jì)空氣阻力，下列說法中正確的是（ ）。

A. 小球在B點(diǎn)動能最大

B. 小球從B點(diǎn)運(yùn)動到C點(diǎn)，重力勢能轉(zhuǎn)化為動能

C. A、C兩點(diǎn)速度大小不同

D. 小球機(jī)械能不守恒

解析：小球從A點(diǎn)擺到B點(diǎn)的過程中，質(zhì)量不變，高度減小，重力勢能減??；速度增大，動能增大，重力勢能轉(zhuǎn)化為動能。B點(diǎn)為最低點(diǎn)，所以在B點(diǎn)時動能最大。小球從B點(diǎn)擺到C點(diǎn)的過程中，質(zhì)量不變，高度增大，重力勢能增大；速度減小，動能減小，動能轉(zhuǎn)化為重力勢能。小球在擺動的過程中，不計(jì)克服空氣阻力做功，繩對小球的拉力不做功，只有重力做功，則小球的機(jī)械能守恒，所以小球在A、C兩點(diǎn)的機(jī)械能相等。又因?yàn)锳、C兩點(diǎn)高度相等，所以重力勢能相等。因此A、C兩點(diǎn)動能也相等，根據(jù)動能大小的影響因素可知，A、C兩點(diǎn)速度大小相同。答案：A。

例2 2024年4月25日，搭載神舟十八號載人飛船的長征二號F遙十八運(yùn)載火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心點(diǎn)火發(fā)射。在加速升空的過程中，神舟十八號載人飛船的（ ）。

A. 動能不變

B. 重力勢能減少

C. 機(jī)械能減少

D. 機(jī)械能增加

解析：在神舟十八號載人飛船加速升空的過程中，載人飛船的質(zhì)量不變，速度和高度都增大，所以動能和重力勢能都增大，機(jī)械能增加。答案：D。

例3 在水平地面上鋪一張白紙，將皮球表面涂黑，使其分別從不同高度處自由下落，在紙上留下黑色圓斑甲、乙，如圖3所示。下列說法中正確的是（ ）。

A. 皮球下落過程中動能轉(zhuǎn)化為重力勢能

B. 皮球落地發(fā)生形變的過程中動能轉(zhuǎn)化為彈性勢能

C. 形成圓斑乙時，皮球是從更高處下落的

D. 形成圓斑甲時，皮球接觸地面后形變程度更小

解析：皮球在高處具有較大的重力勢能，皮球在下落的過程中，高度減小，重力勢能減?。凰俣茸兇?，動能變大，重力勢能轉(zhuǎn)化為動能。當(dāng)皮球接觸地面時，皮球會發(fā)生形變，皮球的動能轉(zhuǎn)化為皮球的彈性勢能。皮球的動能越大，轉(zhuǎn)化成的彈性勢能越大，則皮球的彈性形變也越大，在地面上形成的圓斑也越大，所以形成圓斑甲時的皮球是從更高處下落的。答案：B。

例4 下列情境中，機(jī)械能不變的是（ ）。

A. 水平路面上加速向前行駛的汽車

B. 上升的滾擺

C. 水平勻速飛行噴藥的飛機(jī)

D. 向近地點(diǎn)運(yùn)動的衛(wèi)星

解析：水平路面上加速向前行駛的汽車，動能增大，重力勢能不變，機(jī)械能增大。上升的滾擺，需要克服空氣阻力及摩擦力做功，機(jī)械能減小。水平勻速飛行噴藥的飛機(jī)，速度和高度雖然不變，但是質(zhì)量減小，則動能和重力勢能均減小，所以機(jī)械能減小。從遠(yuǎn)地點(diǎn)向近地點(diǎn)運(yùn)動的衛(wèi)星，勢能轉(zhuǎn)化為動能，機(jī)械能守恒。答案：D。

（作者單位：沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)附屬中學(xué)）