文档内容
11.4 机械能及其转化 （导学案）
【学习目标】
1. 能通过生活实例，认识物体的动能和势能可以相互转化。知道机械能，能解释与机械能转化有关的
现象。
2. 通过分析生活现象和实验中的动能和势能相互转化情况，发展科学推理、科学论证、质疑创新等思
维能力。
3. 经历动能和势能相互转化的探究过程，用科学方法进行分析，基于证据得出结论，并对探究过程和
结果进行交流，提升科学探究能力。
4. 通过了解水能和风能的利用，培养节约能源的意识，激发利用科学技术发展新能源的动力。
【学习重点】动能和势能之间的转化。
【学习难点】机械能守恒。
【自主预习】阅读教材，完成以下问题：
1．机械能：动能、重力势能和弹性势能统称为机械能。
2．机械能及其转化：动能和势能之间可以(选填“可以”或“不可以”)相互转化。
3．机械能守恒：如果只有动能和势能的相互转化，尽管动能和势能的大小会变化，但动能和势能的总
和不变，或者说，机械能是守恒的。
4.水能和风能的利用：自然界中的流水和风都具有大量的机械能，可以用来发电。
【合作探究】
探究一、机械能及其转化
1. 机械能
【想一想】把一个铁锁用绳子悬挂起来，将铁锁拉到你的鼻子附近，稳定后松手，铁锁向前摆去。你
认为铁锁摆回时会打到你的鼻子吗?
【现象与分析】铁锁并不会碰到鼻子。松手后，铁锁离你而去，且速度的大小不断变化，到达左侧最
高点后，铁锁又向你运动，接近你的鼻子之后，又会离你而去，循环往复。
在这个过程中，铁锁的运动快慢在变化，说明动能在发生变化。同时，铁锁的高度也在变化，说明铁
锁的重力势能也在发生变化。但铁锁并不会碰到你的鼻子，这是什么原因呢?
（2）机械能
【问题】高空飞行中的飞机具有什么能量？
【分析总结，建立机械能的概念】飞行中的飞机因为它在运动而具有动能，又因为它处于高空而具有
重力势能，一个物体可以既有动能，又有势能， 把这两种能量加在一起，就是它的机械能。
在物理学中，把动能、重力势能和弹性势能统称为机械能。机械能是和物体的运动紧密联系的能量。
机械能的单位是焦耳（J）。2. 动能和势能的转化
（1）动能和重力势能的转化
动能和重力势能可以相互转化。下面以单摆和滚摆的运动为例分析。
①单摆实验：如图所示，摆球在竖直平面内摆动，在A、C点时最高，在B点时最低，所以摆球的运
动可分为下降段和上升段。其能量转化情况见下表。
运动过程 高度 重力势能 速度 动能 能的转化
A→B 降低 减小 变大 增大 重力势能转化为动能
B→C 升高 增大 变小 减小 动能转化为重力势能
C→B 降低 减小 变大 增大 重力势能转化为动能
B→A 升高 增大 变小 减小 动能转化为重力势能
【结论】单摆在摆动过程中，动能和重力势能可以相互转化。
②滚摆实验：如图所示，将滚摆挂起来，捻动滚摆，使悬线缠绕在轴上，当滚摆上升到最高点后，放
开手，滚摆会下降和上升，能量变化的分析过程如下表所示。
运动过程 高度 重力势能 速度 动能 能的转化
下降 降低 减小 变大 增大 重力势能转化为动能
上升 升高 增大 变小 减小 动能转化为重力势能
【结论】滚摆在摆动过程中，动能和重力势能可以相互转化。
（2）动能和弹性势能的转化
如图所示，让一个木球从斜面上滚下来，撞到水平面的一根弹簧上。分析其能量转化的情况。研究的 弹簧的 弹簧的
球的速度 球的动能 能的转化
过程 形变程度 弹性势能
乙 木球 逐渐减小 逐渐减小 动能转化为
由小变大 逐渐增大
压缩弹簧 直至为零 直至为零 弹性势能
丙 弹簧把 由零逐渐 由零逐渐 逐渐减小 弹性势能
由大变小
木球弹回 增大 增大 直至为零 转化为动能
【结论】动能和弹性势能在一定条件下可以相互转化。
（3）归纳结论
动能和势能可以相互转化。动能和重力势能可以相互转化，动能和弹性势能可以相互转化。
注意：判断动能和势能的相互转化的方法
①动能和势能的相互转化过程中，必定有动能和势能各自的变化，而且一定是此增彼减。
②动能的增减变化要以速度的变化来判断；重力势能的增减变化要以物体离地面高度的变化来判断；
弹性势能的增减要根据 弹性 形变 大小的变化来判断。
（4）动能和势能相互转化的实例
①人从滑梯下滑时，重力势能转化为动能。
②拉弓射箭时，拉开的弓把箭射出去的过程中，弓的弹性势能转化为箭的动能。
③撑杆跳高时，能量的转化情况：
起跳瞬间 ：运动员的动能转化为撑竿的弹性势能。
上升过程 ：撑竿的弹性势能转化为运动员的动能和重力势能。
下落过程 ：重力势能转化为动能 。3. 机械能守恒
（1）机械能守恒
动能、势能的大小会变化，它们的和是否变化呢？物理学家经过大量的实验研究与理论推导，得出了
如下规律：
如果只有动能和势能相互转化，尽管动能、势能的大小会变化，但动能和势能的总和不变。或者说，
机械能是守恒的。
（2）机械能守恒的条件
只有动能和势能的相互转化，而没有机械能与其他形式的能的相互转化。（即忽略摩擦力造成的能量
损失，机械能守恒也是一种理想化的物理模型）
在物理学中常常出现“光滑的表面”、“不计空气阻力” 、“不计摩擦”等文字描述，表示没有摩
擦阻力，机械能是守恒的（选填“守恒”或“不守恒”）。
（3）用机械能守恒及其转化解释现象
①分析人造地球卫星的机械能转化
人造地球卫星的椭圆轨道示意图
许多人造地球卫星沿椭圆轨道绕地球运行。离地球最近的一点叫近地点，最远的一点叫远地点。卫星
在大气层外运行，不受空气阻力，只有动能和势能的转化，因此机械能守恒（选填“守恒”或“不守
恒”）。
卫星在远地点时势能最大，当它从远地点向近地点运动时，势能减小，动能增大，势能转化为动能。
当卫星从近地点向远地点运动时，它的动能减小，势能增大，动能转化为势能。
②节前“问题”栏目中，用绳子把一个铁锁悬挂起来。把铁锁拉到自己的鼻子附近，稳定后松手，铁
锁向前摆去。你认为铁锁摆回时会打到你的鼻子吗？
【分析】在运动过程中铁锁的动能和重力势能相互转化，但它们的总和不变（忽略空气阻力）。所以，
铁锁在摆回时，不会打到鼻子。
注意：实际上是存在空气阻力的，所以铁锁的机械能并不守恒，逐渐变小，最终停下来。③分析过山车在运动过程中的能量转化情况。
【分析】从A到B的运动过程中，重力势能转化为动能；从B到C的运动过程中，动能转化为重力势
能；从C到D的运动过程中，重力势能转化为动能。
过山车运行过程中车与轨道之间有摩擦力，还受到空气的阻力，机械能并不守恒，机械能转化为内能，
不给其他动力的情况下，过山车最终停下来。
（4）机械能不守恒的事例
跳伞运动员匀速下落 发射的航天器
①跳伞运动员匀速下落：跳伞运动员匀速下落时，动能不变，重力势能减小，机械能减小，不守恒。
②发射的航天器：刚发射的航天器是加速上升的，动能变大，重力势能变大，机械能增大，不守恒。
（以上均选填“增大”、“减小”或“不变”）
【例题1】如图所示，将摆球从A点静止释放，经过最低点O到达B点，A、B两点等高，摆球到达B
点时动能为______J；摆球从A点到O点的过程中，_______能转化为动能。整个过程中，摆球的机械能大
小______（选填“不变”或“减小”）。
【答案】0；重力势；不变。
【解析】小球在A点时静止，动能为零，从A点由静止释放，能达到与A点等高的B点，说明没有能
量损失，即机械能守恒。由于B点与A点等高，重力势能相等，所以B点动能与A点相同也为0。
摆球从A点运动到O点的过程中，摆球的质量不变，高度减小，重力势能逐渐减小，速度变大，动能
逐渐变大。此过程中，重力势能转化为动能。
【例题2】在温哥华冬奥会上，来自黑龙江省的选手李妮娜在自由式滑雪比赛中获得银牌。她在比赛
过程中运动的轨迹如图所示，如果不计空气阻力，则从a点向b点运动过程中，动能____（选填“增大”、“减小”或“不变”）；她在a点处的机械能_______她在c点处的机械能；c点的机械能______d点的机
械能（选填“大于”、“小于”或“等于”）。
【答案】增大，大于，等于。
【解析】从a点下滑到b点过程中，高度减小，重力势能减小，速度增大，动能增大；从a点运动到c
点的过程中，由于要克服雪面摩擦力做功，会消耗一部分机械能，则在a点的机械能大于c点的机械能。
运动员从c点到d点运动时腾空运动，d点是落地点，运动过程中与雪面没有接触，忽略空气阻力，
机械能不变，则c点的机械能与d点的机械能相等。
探究二、水能和风能的利用
地球上，海水潮汐涨落，江河日夜奔腾；有时微风拂面，有时狂风劲吹。从能量的角度来看，自然界
的流水和风都具有大量机械能的天然来源，即水能和风能都是机械能。
【思考】1. 什么是水能？古代、现代人们是怎样利用水能的？
2. 什么是风能？古代、现代人们是怎样利用风能的？
阅读教材第98页⁓99页《水能和风能的利用》，归纳如下。
1. 水能
（1）水能：流动的水具有动能，高处的水具有重力势能，水所具有的机械能统称为水能。水能的大
小由流量、流速和水位差决定。
（2）古代对水能的利用：早在1900多年前，我们的祖先就制造了水轮，让流水冲击水轮转动，用来
汲水、磨粉、碾谷。
水能发电站
（3）水能发电站：将水的机械能转化成电能。
修筑拦河坝提高上游水位，坝底装水轮机，发电机装在水轮机上面，它们的轴连接在一起，水轮机带
动发电机发电。一定量的水，上、下水位差越大，水的重力势能越大，能发出的电就越多。
2. 风能
（1）风能：流动的空气所具有的机械能叫做风能。风能的大小由风速和流动空气的质量决定。
（2）古代对风能的利用：我国早在2000多年前就开始利用风来驱动帆船航行；至少1700多年前已开
始利用风来推动风车做功。利用风能的帆船 风田车
（3）风能发电站：将风的机械能转化成电能。单个风力发电机的输出功率较小，在风力资源丰富的
地区，可以同时安装几百台风力发电机，组成“风车田”，连在一起供电。
3. 抽水蓄能电站
在生活和生产中，人们用电的情况时常会发生变化。有时电力系统发出的电无法得到使用，电网又没
办法储存，既造成大量的浪费，又影响供电系统的安全。如图所示，抽水蓄能电站建有上、下两座水库，
两座水库互通，水流双向运行。
抽水蓄能电站利用电力负荷低谷时的电能抽水至上水库，在电力负荷高峰期再放水至下水库，进行发
电（选填“上水库”或“下水库”）。这样的抽水蓄能电站可以提升电力系统的灵活调节能力，具有调峰、
填谷、储能等功能，能提高电网运行的稳定性，为实现新能源安全可靠替代传统能源、推动绿色低碳发展
提供条件。
【例题3】衢江抽水蓄能电站全面投产发电，工作原理如上图所示，用电低谷时（如深夜），电站利
用电网多余电能把水从下水库抽到上水库中储存起来；用电高峰时，再利用上水库中的水发电。
（1）蓄能时，水被抽到上水库，此过程是将____能转化为水的机械能。
（2）抽水蓄能电站选址衢江黄坛口，不仅因当地水资源丰富，同时还考虑到当地地势较陡，这样建
成的电站上、下水库的高度差比较____，有利于蓄能与发电。
【答案】（1）电；（2）大.
【解析】（1）蓄能时，水被抽到上水库中，电能转化为水的机械能；
（2）抽水蓄能电站在发电时，从能量的角度看，是将水的机械能最终转化为电能，水的机械能越大
转化获得的电能越多，所以建成的电站上、下水库的高度差应该比较大，最初水的重力势能较大，有利于
蓄能与发电。
【精讲点拨】
1. 机械能
（1）机械能是物体动能、重力势能和弹性势能的统称，机械能等于三者之和。
（2）物体的机械能由动能、重力势能和弹性势能共同决定。质量、速度、高度、弹性形变程度均会
影响物体的机械能。
2. 机械能守恒（1）如果只有动能和势能的相互转化，动能和势能的总和不变，即机械能守恒。
（2）机械能守恒的条件：只有动能和势能的相互转化，而没有机械能与其他形式的能的转化。（即
忽略摩擦力造成的能量损失，所以机械能守恒也是一种理想化的物理模型）。在物理学中常常出现“光滑
的表面”、“不计空气阻力” 、“不计摩擦”等文字描述，表示没有摩擦阻力，机械能是守恒的。
（3）机械能不守恒的情况：实际生活中，一般情况下，机械能会与其他形式的能发生转化，机械能
不守恒。
①机械能转化为其他形式的能。例如滚摆在摆动时与空气摩擦，机械能转化为空气的内能，最后会停
下来。
②其他形式的能转化为机械能。例如火箭升空，燃料的能量转化为机械能。
【归纳整理】
第4节 机械能及其转化
【课堂练习】
1．如图所示，用轻质细绳悬挂一小球在竖直平面内摆动。在某次摆动过程中，小球依次经过A、B、
C三点，A、C两点高度相同，B点为最低点，不计空气阻力，下列说法正确的是（ ）
A．小球在B点动能最大 B．小球从B点运动到C点，重力势能转化为动能
C．A、C两点速度大小不同 D．小球机械能不守恒
【答案】A
【详解】A．根据题意可知，B点为最低点，则小球在B点时速度最大，所以在B点时动能最大，故
A正确；
B．小球从B点运动到C点，质量不变，高度变大，速度变小，则重力势能增多，动能减少，将动能
转化为重力势能，故B错误；CD．不计空气阻力，小球机械能守恒，则小球在A、C两点的机械能相等，A、C两点高度相等，重
力势能相等，机械能等于动能和势能之和，所以A、C两点动能相等，根据动能大小的影响因素可知，
A、C两点速度大小相同，故CD错误。故选A。
2．如图为一摆球从左侧A点摆到右侧最高点B的过程图，请在图中三个位置的摆球上用“1”和
“2”分别标注出机械能最大位置和动能最小位置。
【答案】见右图。
【解析】摆球从左侧A点摆到右侧最高点B的过程图，克服空气的阻力做功，一部分机械能转为内能，
所以在该过程中，摆球的机械能逐渐减小。所以在A点的机械能是最大的，应标注“1”；摆球运动到B
点时，摆球的质量不变，速度最小，动能最小，应标注“2”，如图所示。
3. 如图所示的摩天轮是武汉的一个地标建筑——“东湖之眼”，直径达49.9米，有28个座舱，游客
可以通过它看到东湖的别样之美。若小明随座舱在竖直平面内匀速转动，从最低点转动到最高点的过程中，
小明的动能 ，重力势能 ；从最高点转动到最低点的过程中，小明的机械能 （以上均
选填“增大”、“减小”或“不变”）。
【答案】 不变 增大 减小
【详解】小明随座舱在竖直平面内匀速转动，从最低点转动到最高点的过程中，质量不变，速度不变，
所以动能不变；质量不变，高度变大，所以重力势能变大。
从最高点转动到最低点的过程中，质量不变，速度不变，所以动能不变；质量不变，高度减小，所以
重力势能减小；动能不变，重力势能减小，所以机械能减小。
4. 掷实心球是通辽中考体育测试项目之一，如图所示是某同学掷出的实心球的运动轨迹，O点是实心
球刚离开手的位置，A点是实心球运动到最高点的位置，B点是实心球落地前瞬间的位置，不计空气阻力，
下列说法正确的是（ ）
A．实心球在最高点A时，动能为零
B．实心球从O点运动到A点时，动能转化为重力势能
C．实心球从O点运动到B点的动能先增大后减小
D．实心球在O点的机械能大于在B点的机械能【答案】B.
【解析】 A．实心球在最高点时，具有水平方向的速度，故动能不为零，A错误。
B．实心球从O点运动到A点时，高度增大，重力势能增大，速度减小，动能减小，故为动能转化为
重力势能，故B正确；
C．实心球从O点运动到B点，速度先减小后增大，所以动能先减小后增大，故C错误；
D．不计空气阻力，只有动能和重力势能进行转化，机械能守恒，故D错误。
所以选B.
5. 如图，光滑水平桌面上的弹性小球被弹出后，经过A点和B点后落到地面，又被多次弹起，图中虚
线为小球的运动轨迹。下列有关小球的运动，描述正确的是（ ）
A．小球从A点运动到B点的过程中机械能不断减少
B．小球反弹经过D点时动能为零
C．若将弹性小球表面涂黑，则会在C、F两点留下等大的黑色圆斑
D．小球经过E点的机械能大于经过G点的机械能
【答案】D
【详解】A．机械能等于动能与重力势能之和，因为桌面光滑，因此从A点到B点小球速度不变，动
能不变，因桌面高度不变，因此小球重力势能不变，故机械能不变，故A错误；
B．当小球在D点时，在竖直方向上速度为0，但在水平方向上速度不是0，因此动能不是0，故B错
误；
C．小球在地面上的黑斑大小取决于小球的形变程度，即此时小球的弹性势能大小。而B点的重力势
能大于D点的重力势能，B点的重力势能转化为C点的弹性势能，D点的重力势能转化为F点的弹性势能，
因此C点弹性势能大于F点的弹性势能，即C点黑斑大，故C错误；
D．在运动过程中，小球要克服空气阻力而消耗机械能，机械能越来越小，E点在G点之前，因此E
点机械能大于G点机械能，故D正确。故选D。
6．球竖直向上运动，并落回地面，这过程中先后经过M、S两点。球在这两点的动能和重力势能如图
所示，则球在M点的（ ）
A．速度比在S点的大 B．机械能大于在S点的C．机械能等于在S点的 D．离地高度比在S点的低
【答案】B
【详解】A．由图可知，M点的动能小于S点的动能，所以球在M点的速度比在S点的小，故A不符
合题意；
BC．由图可知，M点的动能和重力势能之和大于S点的动能和重力势能之和，故M点的机械能大于
在S点的机械能，故B符合题意，C不符合题意；
D．由图可知，M点的重力势能大于S点的重力势能，所以M点的离地高度比在S点的高，故D不符
合题意。
故选B。
【课后反思】
本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？
