机械能问题知多少

一、知识回看

1.决定机械能大小的因素

动能大小与物体的质量和速度有关.质量相同的物体运动速度越大,它的动能越大;运动速度相同的物体,质量越大,它的动能也越大.例如以相同的速度行驶的火车和汽车,火车的动能就比汽车的动能大;而以不同速度行驶的同一列火车,速度大时动能就大.

弹性势能的大小与物体弹性形变的大小有关.同一个物体,在弹性限度内,弹性形变越大,弹性势能越大.

重力势能与物体被举起的高度和物体的质量有关.同一个物体,被举起的高度越大,重力势能越大;同一高度的不同物体,质量越大,重力势能越大.

2.动能和势能之间的相互转化

(1)动能和重力势能之间的相互转化

在一定的条件下,动能和重力势能之间可以相互转化.如将一块小石块,从低处抛向高处,再从高处下落的过程中,先是动能转化为重力势能,后来又是重力势能转化为动能.

(2)动能与弹性势能之间的相互转化

在一定的条件下,动能和弹性势能之间可以相互转化.如跳板跳水运动员,在起跳的过程中,压跳板是动能转化为弹性势能,跳板将运动员反弹起来是弹性势能转化为动能.

3.机械能及其守恒

(1)机械能

动能与势能之和统称为机械能.动能是物体运动时具有的能量,势能是物体存储的能量.

(2)机械能守恒

如果一个过程中,只有动能和势能相互转化,机械能的总和就保持不变.这个规律叫做机械能守恒.

二、例题指路

1.认识能量

例1 “固定在天花板上的电风扇,因为静止,没有做功,所以没有能.”这种说法对吗?

解析 固定在天花板上的电风扇,处于一定的高度,可视为“被举高”了,因而具有重力势能.

所以本题中说法不对.因为一个物体具有能,只说明它能做功,但它不一定做功.电风扇处于静止,虽然没有做功,不能表明它不能做功,因而也就不能说明它没有能.

点拨“做功”与“能做功”是两个不同的概念,要注意加以区分.

2.机械能形式的判断

例2下列物体各具有什么形式的机械能?

(1)天空中向前飞行的飞机

(2)在地面上被拉弯的弓

(3)稳稳地立在山顶上的一块石头(以山脚的地面为标准)

(4)在地上滚动的足球

解析根据动能、重力势能、弹性势能的定义,分析物体是否运动、被举高、发生弹性形变,即可确定物体具有哪种形式的机械能.

答(1)具有一定的速度和高度,因此具有动能和重力势能.

(2)发生了弹性形变,因此具有弹性势能.

(3)它离地面有一定的高度,因此具有重力势能.

(4)足球是运动的,因此具有动能.

3.决定机械能大小的因素

例3关于物体的动能和势能,下列说法中正确的是().

A.质量大的物体一定比质量小的物体动能大

B.高速飞行的子弹一定比缓慢行驶的汽车动能大

C.质量相同的两个物体放在同一高度,它们的重力势能一定相同

D.一根弹簧被拉长时弹性势能增大,被压缩时弹性势能减小

解析物体动能大小由质量和速度两个因素决定.质量大,速度可能小,所以动能不一定大,子弹速度大,质量小,动能不一定比汽车的动能大.物体的重力势能由质量和高度两个因素决定,只有两者都相同时,重力势能才相同.弹簧被拉长和压缩时弹性形变都增大,因此弹性势能都增大.

答C.

点拨掌握决定机械能大小的因素,是我们进一步认识机械能的基础.在此基础上,我们才能领会机械能的变化以及变化原因.

4.机械能守恒

例4用一根不可伸长的细线,一端拴住一小球,另一端固定,如图所示.使小球偏离它静止的位置O移至B点,然后释放,小球就沿BOC弧线摆动,若无阻力作用,小球从BOCOB的过程中机械能发生怎样的转化?

解析小球运动过程中,因无阻力作用,故只有动能和重力势能之间的转化.把小球从O点移到B点,是小球被举高的过程,因此小球在B点具有重力势能,但在B点速度为零,不具有动能.

小球从BO运动时,高度逐渐减小,说明小球的重力势能逐渐减少;而小球的运动速度逐渐增大,说明小球的动能逐渐增大.在这个过程中,小球的重力势能转化成它的动能.

小球从OC运动时,高度逐渐增加,说明小球的重力势能逐渐增加;而小球的运动速度逐渐减小至零,说明小球的动能逐渐减少至零.在这个过程中,小球的动能又转化成它的重力势能了.

答BO重力势能减小,动能增加;

OC重力势能增加,动能减小;

CO同BO;

OB同OC.

点拨因为无阻力作用,本题机械能守恒.

5.平衡力作用下的机械能

例5物体在平衡力作用下,下列说法正确的是().

A.物体的机械能一定不变

B.物体的机械能一定增加

C.物体的机械能一定减少

D.以上说法都不对

解析物体在平衡力的作用下,保持静止状态或匀速直线运动状态.如果保持静止状态,机械能不变.如果保持匀速直线运动状态,就有多种情况,当物体在水平面上做匀速直线运动时,物体的高度和速度都不变,那么它的动能和势能也不变,所以机械能不变;当物体向上做匀速直线运动时,虽然速度不变,动能不变,但物置升高,重力势能增加,所以机械能增加;当物体向下做匀速直线运动时,虽然速度不变,动能不变,但物体高度降低,重力势能减小,所以机械能减小.

选D.

点拨本题属于机械能问题中的难题,需要结合生活经验进行合理的想像,比如构建一个在平衡力作用下物体匀速上升或者下降的模型.

6.机械能与内能的转化

例6“神舟七号”在大气层里加速上升的过程中,若不考虑质量的变化,其( ).

A.机械能减少,内能增加

B.机械能增加,内能减少

C.机械能与内能都增加

D.机械能不变,内能增加

解析根据机械能的定义,知物体的动能和势能总和为物体的总机械能.“神舟七号”在大气层里加速上升的过程中,其质量未变(损耗的燃料不计),运动速度越来越大,离地面的位置越来越远,则其动能增加,重力势能也增加;由于“神舟七号”是在大气层中加速,因此,“神舟七号”与大气相摩擦而生热,使得飞船外壳温度升高,其内能也增加.所以,“神舟七号”在大气层中加速上升的过程中,机械能增加,内能也增加.

选C.

点拨本题是关于识别机械能、机械能和内能相互转化的问题.