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第十一章 功和机械能
课时11.4 机械能及其转化
2025年课程标准 物理素养
1、理解机械能的概念。 物理观念：理解机械能是动能与势能（重力势能、弹性势能）的统称 。
2、掌握动能与势能的转化 科学思维：知道在无摩擦、无能量损耗的理想情况下，机械能总量保持不
规律。 变 。
3、知道机械能守恒的条 科学探究：通过实验（如滚摆、单摆运动）观察动能与势能的相互转化，
件。 学会分析转化过程中的能量变化 。
4、认识能源利用与可持续 科学态度与责任：通过实验探究和案例分析，激发对物理现象的好奇心，
发展的重要性。 增强科学探究意识 。
知识点一、机械能的概念
1、机械能：动能和势能之和称为机械能。
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，动能和
势能是机械能的两种表现形式。
2、机械能大小：动能和势能的总和。
特别提醒
机械能的大小可能是物体的动能与势能的和，可能全部都是物体的动能，也可能全部是物
体的势能，在分析机械能的大小时，应该综合考虑动能、重力势能和弹性势能。
物体的 和 统称为机械能，动能的大小与 因素有关。
知识点二、机械能的转化守恒
1.动能和重力势能之间可以相互转化：动能和重力势能之间的相互转化一般发生在只受重
力作用下的运动过程中，例如滚摆在下降的过程中，越转越快，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；滚摆在上升过程中，越转越慢，它的重力势能越来
越大，动能越来越小，动能转化为重力势能。
2.动能和弹性势能之间也可以相互转化：它可以发生在同一物体上，也可以发生在不同物
体之间，例如，从高处落下的皮球与地面撞击的过程中，由于皮球发生弹性形变，皮球的
动能转化为弹性势能，皮球在恢复形变的过程中，它的弹性势能转化为动能．拉弯的弓把
箭射出去的过程中，拉弯的弓具有弹性势能，射出去的箭具有动能，这是弓的弹性势能转化为箭的动能。
3.机械能守恒：如果只有动能和势能的相互转化，机械能的总和不变，或者说，机械能是
守恒的。
（1）做功角度：只有重力或弹力做功，无其它力做功；其它力不做功或其它力做功的代数
和为零；系统内如摩擦阻力对系统不做功。
（2）能量角度：首先只有动能和势能之间能量转化，无其它形式能量转化；只有系统内能
量的交换，没有与外界的能量交换。
特别提醒
（1）通过物体的速度、所处高度、弹性形变程度的变化判定物体动能、重力势能、弹性势
能的大小变化，能量总是从逐渐减小的那种向逐渐增加的那种转化。
（2）机械能守恒一般都是理想状态下才发生的，物体能量的转化一般都不太可能只有机械
能的转化，还有其他能量的转化。
如图所示，单摆小球从A点由静止释放经过最低点B，然后到达C点（忽略
空气阻力），则小球摆动到 （选填“A”“B”或“C”）点时动能是最大的；若A
点与C点等高，则小球从A点运动到C点过程中，机械能 （选填“守恒”或
“不守恒”）。（忽略绳子形变）
知识点三、水能和风能的利用
1.各种形式的能量都可以相互转化，如电能可以转化为光能和内能；太阳能可以转化为电
能等，动能和势能的相互转化只是能量相互转化中的一种形式，能量转化过程中一种能量
减少，另一种能量增加。
2.水能的利用
（1）我们的祖先利用水流冲击水轮转动，用来汲水、磨粉。
（2）修筑拦河坝来提高上游的水位，在坝底安装水轮机。将发电机装在水轮机的上面，并
把它们的轴连接在一起，由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。
3.风能的利用
（1）我们的祖先利用风力鼓起帆来推动船航行。
（2）风吹动风车，带动发电机发电。在风力资源丰富的地区，可以同时安装几十台到几百
台风力发电机，组成“风车田联 在一起供电。
特别提醒
（1）分析能量转化时，就看什么能量减少了，什么能量增加，总是减少的能量转化为增加的能量。
（2）机械能主要通过做功的方式转化为内能。
《天工开物》是我国古代的科学著作，其中这样写道：“凡河滨有制筒车者，
堰陂障流绕于车下，激轮使转，挽水入筒，——顷于枧内，流入亩中，昼夜不息，百
亩无忧。”该段文字描述了筒车这样一种以水流作动力，用来取水的机械，如图所示。
（1）从能量转化的角度，筒车的工作原理是将水的 能转化为水的重力势能；
（2）筒车“昼夜不息”， （能\不能）说明它就是永动机；
（2）若接水槽离取水处高4m，水轮上有12个取水筒，一个取水筒每次可取水4kg，
筒车转一圈对进入接水槽的水所做的功为 J（接水槽离倒水处的高度忽略不计）。
问题一：机械能的概念
【角度1】机械能的概念
【典例1】关于机械能的说法正确的是（ ）
A．机械能包含化学能和内能
B．动能和势能无法相互转化
C．在没有摩擦阻力时，物体的动能和势能在相互转化过程中，总量不变
D．一物体从高处自由下落，动能和势能都在变小
1、机械能的大小可能是物体的动能与势能的和，可能全部都是物体的动能，也可能全部是
物体的势能，在分析机械能的大小时，应该综合考虑动能、重力势能和弹性势能。
【变式1-1】下列哪种能量属于机械能（ ）
A．热能 B．电能 C．动能 D．化学能
【变式1-2】动能、重力势能和弹性势能统称为 。
【角度2】辨析物体的机械能是否发生变化
【典例2】为了提高环境质量，城区经常有如图所示的喷雾车在街道上进行喷雾作业。喷雾
车作业时保持匀速直线运动，下列说法正确的是（ ）A．喷雾的目的是清洁地面 B．喷雾时喷雾车的机械能增大
C．喷雾车的动能不变 D．喷雾车的重力势能变小
机械能=动能+势能，通过分析物体的质量、速度、高度及弹性形变是否变化判断机械能增
减：质量或速度↑ → 动能↑；质量或高度↑ → 重力势能↑；弹性形变↑ → 弹性势能
↑ 。
【变式2-1】2024年9月25日8时44分，我国火箭军向太平洋相关公海海域成功发射1枚
携载训练模拟弹头的东风-31 洲际弹道导弹，准确落入预定海域，充分体现了我国火箭
军的战备能力和我国的军事实力，当导弹弹头发射加速上升时，下面对其机械能的描述
正确的是（ ）
A．动能不变，重力势能不变，机械能不变
B．动能不变，重力势能增大，机械能增大
C．动能增大，重力势能不变，机械能增大
D．动能增大，重力势能增大，机械能增大
【变式2-2】古代科技据史料记载，筒车（如下图所示）发明于隋而盛于唐，距今已有一千
多年的历史。水流冲击筒车下部时，推动筒车转动，筒车获得一定的 ；一部分
水进入筒内，随着筒车转动被提升并注入引水槽，此过程中筒内的水的机械能 。
问题二：机械能的转化守恒
【角度1】物体运动过程中各种机械能的变化情况
【典例1】2024年8月，我国运动员郑钦文夺得巴黎奥运会网球女单冠军。如图是某次网
球落地后又弹起的频闪照片，A、C两点高度相同。分析可知（ ）A．在B点时网球的动能为零
B．在A、D两点网球的重力势能相等
C．小球最终静止时，重力势能为零
D．网球在此运动过程中，只有动能和重力势能的相互转化
通过物体的速度、所处高度、弹性形变程度的变化判定物体动能、重力势能、弹性势能的
大小变化，能量总是从逐渐减小的那种向逐渐增加的那种转化。
【变式1-1】如图所示的是某次蹦极运动的精彩瞬间。若一名游客绑上安全绳之后从平台
上由静止开始下落，则从开始下落至第一次到达最低点的过程中，该游客的（ ）
A．动能一直增大 B．重力势能一直减小
C．机械能保持不变 D．机械能一直增大
【变式1-2】甲、乙、丙是三个完全相同的网球，如图所示，在同一高度以大小相等的速
度，将甲球竖直向下抛出、乙球竖直向上抛出，丙球斜向上抛出，不计空气阻力。抛
出时三球机械能 （相等/不相等），落地前的运动过程中，甲球的动能
（增大/不变/减小），乙、丙两球上升的最大高度 （相等/不相等）。
【角度2】常见的机械能守恒及其辨析
【典例2】如图所示是撑杆跳高运动员的运动过程，以下说法不正确的是（ ）A．撑杆跳高运动员提杆加速助跑是为了增大自身的动能
B．压弯的撑杆发生了弹性形变，所以具有弹性势能
C．运动员越过横杆后，运动员的重力势能转化为动能
D．整个过程中运动员的机械能不变
机械能守恒必须是只有动能与势能的转化，只有在不计摩擦、空气阻力时才会守恒，只有
在太空中飞行的卫星不受空气阻力，机械能真正守恒。
【变式2-1】如图为跳水运动员参加比赛时的分解动作示意图，分别为：起跳、反转、转
体和入水。不考虑空气阻力，下列分析正确的是（ ）
A．整个运动过程中运动员受平衡力的作用
B．运动员离开跳台向上运动的过程中，重力势能转化为动能
C．运动员从最高点下落到入水前的过程中，机械能守恒
D．若运动员上升到最高点时，所有的力都消失，运动员会静止在空中
【变式2-2】如图所示，小球从光滑轨道AC上的A点滚下，在M点时的机械能
（选填“大于”“小于”或“等于”）在A点时的机械能。（不考虑空气阻力）
问题三：水能和风能的利用
【角度1】机械能与其他形式能的转化
【典例1】小明在操场上将一皮球抛出，皮球被抛出后的运动轨迹如图所示，a、c两点处
于同一高度。则下列判断中正确的是（ ）A．皮球由a到b时，动能逐渐增大 B．皮球在b点时的机械能最大
C．皮球由c到d时，机械能一直减小 D．皮球在a、c两点时动能相等
（1）分析能量转化时，就看什么能量减少了，什么能量增加，总是减少的能量转化为增加
的能量。
（2）机械能主要通过做功的方式转化为内能。
【变式1-1】返回式卫星在太空中（无空气）绕地球旋转，返回时，卫星上的小型助推火
箭点燃并向前进方向喷气，卫星制动后速度减小，从而达到向地面降落的目的。以下
说法正确的是（ ）
A．卫星速度减小利用了“物体间力的作用是相互的”
B．卫星速度减小利用了“力能改变物体的形状”
C．卫星在太空中下落时机械能越来越大
D．卫星进入大气层后势能转化为动能，但机械能总和不变
【变式1-2】如图，这是杂技演员演出时的过程示意图。男演员从甲处用力向上起跳，落
下后踩在翘翘板的左端，能把站在右端的女演员弹上乙处。由于存在阻力，男演员离
开跳台时的机械能一定 （选填“大于”、“等于”或“小于”）女演员站
在右边高台上时的重力势能。
【基础强化】
1．五一期间，小明全家自驾去西藏旅游，下列有关说法正确的是（ ）
A．汽车在水平公路上加速前进时，小明的动能增大，机械能不变
B．小汽车设计成流线型，是为了在高速行驶时增大对地面的压力C．高原地区空气密度变小，汽车所受空气浮力变大
D．高原地区大气压降低，汽车轮胎内外气压差过大可能引起爆胎
2．射箭有悠久的历史，最初用于打猎和战争。如图所示为人拉弓射箭的示意图，下列说法
正确的是（ ）
A．射箭时，弓弦被拉弯，弓弦具有动能
B．射箭时，弓弦被拉弯，搭在弓弦上的箭具有弹性势能
C．箭离弦的过程中，弓弦的弹性势能转化为箭的动能
D．箭离弦后下落过程中，箭的动能转化为箭的重力势能
3．2025年央视春晚以一场前所未有的科技盛宴，让全球观众领略了中国科技创新的无限
魅力。在这场盛大的文化与科技交融的舞台上，宇树人形机器人、峰飞航空eVTOL载
人飞行器、赛力斯M9汽车灯光变化以及无人机灯光秀等尖端科技轮番登场，为观众呈
现了一场视觉与科技的双重盛宴。如图所示是无人机水平飞行过程中，机上悬挂小球的
细线向左偏，且小球与无人机保持相对静止，不计空气阻力，则在飞行过程中
A．无人机一定是向右飞行的 B．小球的运动状态保持不变
C．小球的机械能可能减小 D．若剪断细线，小球将向左下方运动
4．下列事例中，动能和势能之间没有相互转化的是（ ）
A．拦河大坝提高水位，以冲击水轮机发电
B．拉动弓弦将箭射出
C．利用举高的重锤夯击地面
D．匀速行驶的汽车
5．海洋水质改善，给了中华白海豚一个温馨的家。如图所示，下列有关说法正确是
（ ）A．海豚跃出海面减速上升的过程中，动能不变
B．海豚跃起的过程中，重力势能先变大后不变
C．海豚从高处落回海面的过程中，动能变大
D．海豚在海面下加速上浮的过程中，机械能不变
6．图是“体彩杯”2024年安康市青少年（中学生）篮球锦标赛上的开赛情景，篮球被投
出后的上升过程中，篮球的（ ）
A．重力势能减小 B．动能减小，重力势能增大
C．机械能不变 D．机械能增大
7．如图所示，运动员从高处下落时 能转化为动能；与蹦床接触后，床面发生弹性形
变，运动员的动能转化为蹦床的 势能。
8．乒乓球自空中释放后竖直下落，多次与地面碰撞反弹，最终停在地面上。在上升过程中，
乒乓球的动能 （选填“逐渐增大”“逐渐减小”或“保持不变”）；从释放到
停止，乒乓球的机械能 （选填“守恒”或“不守恒”）。
9．如图，大藤峡船闸是国内目前规模最大、水头最高的单级船闸，由上下游两条引航道、
上下两个闸首、一个闸室组成，其上、下游通航水位落差可达到40.25m。大藤峡船闸
工作时利用了 原理；某船过船闸时，在闸室内的水位匀速上升到40.25m高
的过程中，该船的机械能 ，排开水的质量 。（后两空均选填
“变大”、“变小”或“不变”）10．小颖同学喜欢玩飞镖，在某次投掷飞镖时，小颖调整好出手的高度，将飞镖水平掷出，
飞镖正好击中靶心。若飞镖在空中前进过程中，重力突然消失，则飞镖击中标靶时的
速度 （选填“大于”“等于”或“小于”）重力消失时的速度，试从能量
角度解释其原因 。（忽略空气阻力）
【能力培优】
11．巡航导弹是导弹的一种，具有突防能力强，难以拦截的有点。图示为某巡航导弹的飞
行路线图，发射升空段，发动机点火，导弹以极快的速度穿出大气层升至高空；俯冲加
速段，发动机处于关闭状态，导弹向下俯冲，会被加速到极高的速度；巡航阶段，主发
动机的推力与阻力平衡，弹翼的力与重力平衡，可以实现远距离“巡航状态”，最后精
确打击目标。下列关于巡航导弹的说法正确的是（ ）
A．O点到E点的过程中，机械能不变
B．E点到F点的过程中，机械能不变
C．G点到H点的过程中，机械能不变
D．I点到J点的过程中， 不消耗导弹携带的燃料
12．如图所示，老师在课堂上给同学们做了一个“过山车”的小实验。小钢球从A点处由
静止状态开始下滑，依次经过B点、C点，最后到达轨道的最低点D。若不计空气阻力
和摩擦，下列说法正确的是（ ）
A．小球在A点时，具有的机械能是0J
B．小球由A点到B点的过程中，重力势能转化为动能
C．小球由B点到C点的过程中，动能一直增大
D．小球由A点到D点的过程中，机械能减小
13．如图所示，欢欢同学把一只苹果丢入水中，发现苹果下沉一段距离后，又向上运动，
最终漂浮在水面上，下列分析正确的是（ ）A．在下沉的过程中，苹果的运动状态不改变
B．在下沉的过程中，苹果的重力势能增大
C．苹果的密度大于水的密度
D．在水面漂浮时，苹果受到的浮力等于它受到的重力
14．小明用力向右上方斜抛出一个小球，运动轨迹如图甲所示，它在运动过程中，先后经
过M、N和S三点，其中M、S两点的能量如图乙所示。则M点的机械能
（选填“>”“<”或“=”）S点的机械能，N点的机械能大小在 J之间。
15．如图所示，当翼装飞行运动员从高处一跃而下后，运动员的重力势能逐渐 ；打
开降落伞后运动员匀速下降，在整个下降过程中，运动员的动能 。（均选填
“增大”“减小”或“不变”）
16．如图所示，某同学将篮球掷向地面，篮球经过甲位置后碰到地面，接着向上反弹经过
乙位置。篮球经过甲、乙两位置时的机械能和重力势能如下表所示。则篮球与地面碰
撞过程损失的机械能为 J，在乙位置时的动能为 J。（忽略空气的作用
力）
位 机械 重力势置 能/J 能/J
甲 13 6
乙 12 10
【航天专题】中国航天取得了举世瞩目的成就，请根据所学知识完成下面小题。
17．2024年3月20日，搭载探月工程四期“鹊桥二号中继星”的长征八号遥三运载火箭在
中国文昌航天发射场点火升空。假设火箭在加速升空过程中质量不变，则其惯性
，重力势能 ，机械能 ；（三空均选填“增大”“不变”或“减小”）
18．为保障发射任务顺利，远望7号海洋测量船对火箭飞行、卫星入轨等提供海上测控支
持，已知远望7号排水量为25000吨，满载时它受到的浮力为 N。满载的测量船
从太平洋驶往海水密度稍小的印度洋，受到的浮力 （选填“增大”“不变”或
“减小”），船身会 （填“上浮”或“下沉”）一些；（g取10N/kg）
19．王亚平在“天宫课堂”时为同学们演示了太空抛物实验，她将冰墩墩正对着叶光富的
手抛出后，在太空微重力环境下，几乎可认为不受到任何外力的作用，冰墩墩将由于
自身具有的 ，保持 状态，展示了 定律所描述的现象；
20．2024年4月30日，神舟十七号载人飞船返回舱在东风着陆场成功着陆。返回舱距离地
面约1m时，反推火箭发动机向下喷出高速气流，返回舱开始减速着陆。根据力的作
用是 的，高速气流对返回舱产生方向 （选填“向上”或“向下”）的作
用力。着陆后，返回舱在地表留下了明显的压痕，说明力可以改变物体的 。
