1.知识与技能

　　 1) 知道机械能包括动能和势能。

　　 2) 能正确理解有关动能和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。

动能--势能

势能--动能

教学后记：

本节对机械能的概念，以及能量之间的相互转化做了详细的阐述，在所学的知识里，这一节是对本章的一个概括，因此，提出了能量守恒，对这一点的认识，也是学生能否学好这一章的关键。

5．这个小制作很有趣，你可以自己做一做．

4．当滚摆上下滚动时，其动能和势能不断相互转化．从理论上讲，滚摆应不停地一直运动下去，但由于摩擦阻力，滚摆在运动过程中会消耗一部分机械能，使机械能总量逐渐减小，因此滚摆最终会停下来．

3．用力向下抛出乒乓球，使球抛出时具有一定的动能，根据机械能守恒，球被弹到最高点时的势能等于球抛出时的动能与势能之和，这样就使球弹跳到高于抛出时的位置．

2．根据翻滚过山车的简化模型课本第92页图14．2－2乙所示，当过山车从最高点A向最低点B运动时，重力势能转化成动能，由低点B向较高点C运动时，动能转化成重力势能，然后再由C点向B点运动时，重力势能转化成动能，由B点向D点运动时，动能转化成重力势能．简单地说，过山车由高处向低处运动时，是重力势能转化为动能，由低处向高处运动时，是动能转化成重力势能．

1．撑杆跳高运动员撑杆起跳时，弹性势能转化为动能，从起跳到跳得最高过程中，动能转化成重力势能，从最高点下落到地面上时，重力势能转化成动能．

2．动能和势能的相互转化

物体在运动过程中，其速度、高度、弹性形变都可能发生变化，这时就可能伴随着能量的转化，不同形式的能量之间是可以相互转化的，即：动能和

重力势能之间可以相互转化，动能和弹性势能之间可以相互转

化，但重力势能和弹性势能之间不能相互转化，因为它们属于

同种形式的能量．

下面我们来看几个能量相互转化的例子．

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 图14-4

把一个滚摆挂在框架上，如图14-4所示，用手捻动滚摆使悬线缠在轴上，滚摆升到最高点．放开手，观察滚摆的运动情况．

我们可以看到滚摆旋转着下降，越转越快．到最低点时，滚摆转而上升，上升中它越转越慢，直到差不多回到原来的位置．然后它又下降、上升，重复原来的运动．

根据滚摆运动中高度和速度的变化，不难看出：滚摆下降时，它的重力势能越来越小，动能越来越大，重力势能转化为动能；滚摆上升时，它的动能越来越小，重力势能越来越大，动能转化为重力势能．

如图14-5所示，小球在轨道ABCD上滚动，其能量转化要分段来分析．

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 图14-5

小球由A点出发，从图中可以看到，A点是轨道的最高点，重力势能最大，开始下落的一刹那，速度为零，动能最小．由A到B的下落过程中，其高度逐渐减小，使重力势能减小，而下落速度越来越大，使其动能越来越大．因此由A到B阶段，小球的重力势能转化为动能．

B点是轨道的最低点，小球到达时重力势能最小，速度最大，动能最大，由B到C是小球上升的阶段，速度越来越小，动能越来越小，高度不断上升，重力势能不断增大．因此，由B到C阶段是动能转化为重力势能．

接下来，小球由C点落回B点，是重力势能转化为动能，到达B点时仍然速度最大．

最后一个阶段，小球由B点上升到D点，动能越来越小，重力势能越

来越大．因此，由B到D阶段小球的动能转化为重力势能．

在以上两个分析过程中，我们都未谈到物体的质量，虽然它也是影响动

能和重力势能的因素，但在这两个过程中，滚摆的质量和小球的质量都是不

变的．因此我们未做讨论．

图14-6

如果你把以上两个能量转化的分析都弄明白了，你可以试着分析一下图14-6所示的小球在摆动过程中的能量转化．

你会吗？

结论应该是：假设小球由A点开始运动，由A到B过程，小球的重力势能转化为动能，由B到C过程是动能转化为重力势能，由C到B过程是重力势能转化为动能，由B到A过程是动能转化为重力势能，…由此往复．

你分析对了吗？

以上三个例子都是关于动能和重力势能相互转化的情况分析．下面我们来看动能和弹性势能相互转化的情况．

如图14-7所示，小球从A点落到B点时，重力势能全部转化为动能．

图14-7

在B点，小球具有动能，如图14-7甲所示，C点竖直有一个弹簧片，弹簧片下端固定，木球刚刚接触弹簧片．接下来，木球将动能释放，把弹簧片压弯，如图14-7乙所示，弹簧片的形变在增大，弹性势能在不断增大，在此过程中，动能转化为弹性势能，紧接着，弹簧片恢复原状，把木球弹回，如图14-7丙所示，此时弹簧片将弹性势能释放，而木球速度越来越大，动能也越来越大，在这个过程中弹性势能转化为动能．

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 图14-8

在图14-8中，一个简单的玩具很好地体现出了动能与弹性势能、重力势能间的转化．

当上紧发条后，由于发条发生了弹性形变，具有了弹性势能，它使体操人开始翻转，这时是弹性势能转化成动能，而体操人上下翻转过程中，又进行了动能和重力势能间的相互转化．

讲到这里，你可能会得到这样的结论：当动能和势能可以不断地相互转化下去时，物体就可以不停地往复运动下去而不会停止．

如果只有动能和势能相互转化，机械能的总和不变，或者说，机械能是守恒的．

但我们看到的现象往往是：往复运动的物体如果不给它再施加外力，它最终会停下来．这并不是说机械能不守恒了，而是因为物体在运动过程中是会遇到阻力的，物体克服阻力时要消耗一部分能量，所以物体的机械能总和是减小的．

我们可以举两个例子来说明上述问题．

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图14-9

用绳子把一个铁锁悬挂起来．如图14-9所示，把铁锁拿近自己的鼻子，稳定后松手，头不要动．铁锁向前摆去又摆回来，你会害怕铁锁摆回时会碰到你的鼻子吗？不用怕，它不会碰到你的鼻子，而且每次荡回时都比上一次荡回距离你的鼻子远了一些，最终铁锁会停下来．在这个实验中，铁锁的动能和势能在不断转化．在转化过程中，机械能的总量是减小的．

在图14-10中，让小球沿半圆形轨道由A点向B点运动．小球在A点静止，松手后，小球会到达B点吗？会一直从A到B，再从B到A地这样运动下

去吗？实验结果是：小球不会再到达A点和B点，而且最后会

停在轨道最底部．这是因为小球在运动过程中要克服摩擦，因

此消耗一部分机械能，使其机械能总和减小，最终为零时，小

球就停在最低点了．　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 图14-10

动能和势能相互转化的事例在日常生活中还有很多．例如，炮弹从炮口斜向上射出，又落到远处地上，这时是动能转化为重力势能，重力势能又转化为动能；弹簧门打开后，可自动关闭，是弹性势能转化为动能．

如图14-11所示．人造地球卫星绕地球沿椭圆轨道运行，

它的位置有时离地球中心较近，有时离地球中心较远．离地球

中心最近的一点叫近地点，这里卫星的势能最小；离地球最远

的一点叫远地点，这里卫星的势能最大．卫星从远地点向近地

点运动时，势能减小，动能增大，速度越来越大；反之，从近

地点向远地点运动时，势能增大，动能越来越小，速度越来越

小．卫星在运行过程中，也发生了动能和势能的相互转化．

[学习方法指导]　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 图14-11

如何分析能量的转化　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

学习本节内容时，有的同学可能会遇到这样的困难：分析某一过程的能量转化，不知到底是动能转化成重力势能，还是由重力势能转化成动能．现在我来教你一个分析能量转化的方法．

在动能和势能相互转化的过程中，总有一种形式的能量在增加，另一种形式的能量在减少．那么我们根据各种能量影响因素的变化来判断能量的增加或是减少．例如，物体的高度减小，那么它的重力势能就减少，它的速度增大，那么它的动能就增加．而在能量转化的过程中，能量总是从逐渐减少的那种向逐渐增加的那种转化．

我们就以滚摆为例：滚摆上升过程中，速度在不断减小，因此其动能减少，而高度在不断增大，因此其重力势能在增加，所以我们可得出结论：滚摆上升过程中，动能转化成重力势能．

你明白了吗？那就试着分析一下滚摆下降过程中的能量转化．

其实，不仅是在机械能的转化中，在分析其他能量转化过程中，也可以使用这种方法．

[知识拓展]

水能的利用

早在一千九百多年前，我们的祖先就制造了木制的水轮，让流水冲击水轮转动，用来汲水、磨粉、碾谷．这类水轮机的功率不大．

随着生产规模的扩大，社会上越来越需要强大的动力机，这种需要推动了科学技术的发展．到18世纪，人们已造出大功率的水轮机，供纺织厂、冶金厂等使用，但是工厂必须建造在河流旁．

自从掌握了电的知识以后，到19世纪人类就会用水轮机带动发电机发电，再把电送到工厂中去．这样，工厂就可以建在更为合适的地方，不必一定要建在河边了．

要想让水轮机产生很大的功率，单位时间内流入水轮机的水要具有较大的能量．为此，可以修筑拦河坝来提高坝前的上游水位，而在下游一侧坝的下方安装水轮机．水位提得越高，水的重力势能越大，单位时间内流入水轮机的水具有的能量就越大，转化成水轮机的动能就越大，即水轮机的功率越大．现代大型水电站的拦河坝修得很高，甚至超过300 m．

海水的潮汐也具有巨大的能量．近年来，人们在潮汐发电上的研究已取得成功．我国海岸线长达18000 km，沿海省份已经建成一些中小型潮汐电站．

我国有较大的河流1500多条，水能蕴藏量达6.8×10⁸kW，其中可以开发利用的有3.8×10⁸ kW，居世界第一位．建国以来，我们在水能利用上已取得了很大成绩．在黄河上，已在龙羊峡、刘家峡、盐锅峡、八盘峡、青铜峡、天桥、三门峡等地修建了大型水电站，总发电能力达356×10⁴ kW．在西南各省水源丰富的地方，还建立了许多中小型水电站．有些地区还建设了蓄能电站．用电低峰时，利用富裕的电能把水从低水位抽到高水位，到用电高峰时再放水发电．

我国还有许多水能资源有待开发，这正需要我们青年一代继续努力．

[问题点拨]

1．机械能

前一节我们学习了动能和势能的相关知识，在这里，我们提出一个新的名词：机械能．

动能和势能之和称为机械能．

关于“机械能”的定义，我要向你说明两点：

(1)动能和势能都属于机械能．动能是物体运动时具有的能量，势能是存储着的能量，它们虽然是两种形式不同的能量，但都属于机械能，或者说动能和势能是机械能的两种表现形式．

(2)一个物体既可以有动能，也可以有势能．上面说了，动能和势能是形式不同的能量，它们有各自的定义和存在方式，有各自的影响因素．只要一个物体同时满足动能和势能的定义条件，它就可以同时具有动能和势能．

例如，在空中飞行的飞机，是运动的而且有高度，因此这时它同时具有动能和重力势能．

3．通过实例认识能量可以从一个物体转移到另一个物体，不同形式的能可以相互转化的过程．

[基础知识精讲]