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专题11.4 机械能及其转化
知识点1：机械能
（1）定义：动能和势能统称为机械能。
（2）单位：J
（3）影响机械能大小的因素：①动能的大小；②重力势能的大小；③弹性势能的大小。
知识点2：动能和势能的转化
1.在一定的条件下，动能和势能可以互相转化。
2.物体只受到重力作用时，动能和重力势能在转化过程中，机械能的总和不变，即，机械能守恒。
1.机械能：动能与势能统称为机械能。动能是物体运动时具有的能量，势能是存储着的能量。
动能和势能可以互相转化。如果只有动能和势能相互转化，机械能的总和不变，也就是说机
械能是守恒的。
2.动能和重力势能间的转化规律
①质量一定的物体，如果加速下降，则动能增大，重力势能减小，重力势能转化为动能；
②质量一定的物体，如果减速上升，则动能减小，重力势能增大，动能转化为重力势能。
3.动能与弹性势能间的转化规律
①如果一个物体的动能减小，而另一个物体的弹性势能增大，则动能转化为弹性势能；
②如果一个物体的动能增大，而另一个物体的弹性势能减小，则弹性势能转化为动能。
知识点1：机械能
【例题1】如图 所示，甲、乙两个质量不同的小球从相同高度静止释放，甲球下落过程中经过 P、Q 两点.忽略空气阻力，下列说法正确的是（）
A.着地瞬间，两球的动能相等
B.甲球在P 点和 Q 点的机械能相等
C.释放瞬间，两球的重力势能相等
D.从释放到着地，两球所受重力做的功相等
【答案】B
【解析】忽略空气阻力，则此过程机械能守恒。在同一高度静止释放，说明刚开始动能均为零，又因为质
量不同，所以重力势能不等。着地瞬间，两球的重力势能全部转化为动能，又因为起始的重力势能不等，所以
动能不等，A 错误。因为过程机械能守恒，所以同一小球在自由掉落过程中，机械能始终相等，B 正确。释放
瞬间，两球高度相同但质量不同，因此重力势能不相等，C 错误。两球分别在重力的作用下掉落了相同的距
离，但两球的重力不同， 由W GH 可知， H 相同，但G 不同，因此两球所受重力做的功不相等。
知识点2：动能和势能的转化
【例题2】（2020海南）椰子从树上下落的过程中，动能越来越_____，重力势能越来越_____｡
【答案】 大 小
【解析】根据动能大小影响因素可知，椰子从树上下落的过程中，质量不变，速度变大，椰子的动能变大。
根据重力势能大小影响因素可知，椰子从树上下落的过程中，质量不变，距地面高度变小，椰子的重力势
能变小。
1.动能和势能之和称为_________。物体的动能和势能可以相互转化，如果存在阻力，转化过程中机械能不断减小，反之机械能总量不变，即机械能_______。
【答案】机械能.守恒,
【解析】动能和势能之和称为机械能。物体的动能和势能可以相互转化，如果存在阻力，转化过程中机械
能不断减小，反之机械能总量不变，即机械能守恒。
2.下列有关机械能及其转化的说法正确的是（ ）
A．弯弓射箭，箭的动能转化为弓的弹性势能
B．拦河大坝使上游的水位升高，提高了水的重力势能
C．蹦床运动员从高处落下，其动能转化为重力势能
D．人造卫星从近地点飞向远地点时势能减小，动能增大
【答案】B
【解析】A．弯弓射箭，弓的弹性势能转化为箭的动能，故A错误；
B．拦河大坝使上游的水位升高，水量增大，提高了水的重力势能，故B正确；
C．蹦床运动员从高处落下，其重力势能转化为动能，故C错误；
D.人造卫星从近地点飞向远地点时，速度减小，相对高度增加，则动能减小，势能增大，故D错误。
3.如图所示，物体从斜面顶端匀速滑到斜面底端，在此过程中，下列说法正确的是（ ）
A．物体动能增大，机械能不变
B．物体动能不变，机械能减小
C．物体重力势能不变，机械能不变
D．物体重力势能减小，机械能增大
【答案】B
【解析】物体从斜面顶端匀速滑到斜面底端，在此过程中，物体的质量不变，速度不变，高度降低，故动
能不变，重力势能减小；因为动能和势能统称为机械能，所以机械能减小；故ACD错误，B正确。
4.从桌面掉到地上的乒乓球会自动弹起，球在上升过程中 能转化为 能，由于球与空气有摩擦，
上升过程中球的机械能 ．
【答案】动；重力势；减小
【解析】（1）动能大小的影响因素：质量、速度．质量越大，速度越大，动能越大．
（2）重力势能大小的影响因素：质量、被举得高度．质量越大，高度越高，重力势能越大．
（3）机械能等于动能和势能之和；克服摩擦做功，机械能转化为内能；不计阻力，机械能守恒．乒乓球在上升的过程中，质量不变，速度减小，动能减小；高度增高，重力势能增大，是动能转化为重力
势能如果不能忽略空气阻力，乒乓球上升的过程中克服空气阻力做功，机械能转化为内能，机械能减小．
一、选择题
1.（2020福建）疫情期间，某快递公司用无人机进行无接触配送包裏。无人机携带包裏匀速上升时，包裏
的（ ）
A. 动能减少，重力势能增加 B. 动能不变，重力势能增加
C. 动能不变，重力势能不变 D. 动能增加，重力势能减少
【答案】B
【解析】无人机携带包裏匀速上升时，包裏的质量不变，速度不变，动能不变，高度增加，重力势能增加。
2.（2020湖北黄冈）避险车道是在长且陡的下坡路段､行车道外侧增设的､供刹车失灵车辆驶离正线并安全
减速的专用车道｡如图所示是上坡险车道型避险车道，避险车道上铺有很多小石子，车道尽头有废旧轮胎
或防撞墙｡下列分析错误的是（ ）
A. 小石子可以増大失控车辆与避险车道之间的摩擦力
B. 失控车辆在避险车道向上运动速度减小时，动能减少
C. 失控车辆撞击废旧轮胎时，将动能转化成重力势能
D. 在避险车道上停下来的失控车辆仍具有惯性
【答案】C
【解析】A．小石子增大了地面的粗糙程度，可以増大失控车辆与避险车道之间的摩擦力，故A正确，不符
合题意；
B．动能的大小和速度有关，物体质量不变时其速度减小，动能会随之减小，故B正确，不符合题意；
C．失控车辆撞击废旧轮胎时，将动能转化成废旧轮胎的弹性势能，故C错误，符合题意；
D．一切物体都有惯性，故D正确，不符合题意。
3．（2019山东泰安）如图所示，粗糙程度相同的斜面与水平面在 a点相连，弹簧左端固定在竖直墙壁上，
弹簧处于自由状态时右端在b点，小物块从斜面的c点由静止自由滑下，与弹簧碰撞后又返回到斜面上，
最高到达d点。下列说法正确的是（ ）A．弹簧被压缩到最短时，弹性势能最小
B．小物块从c向a运动的过程中，重力势能减小
C．小物块从b向a运动的过程中，动能增加
D．小物块在整个运动过程中，机械能守恒
【答案】B
【解析】A．弹簧被压缩到最短时，其形变程度最大，所以弹簧的弹性势能最大，故A错误；
B．小物块从c向a运动的过程中，质量不变，高度减小，重力势能减小，故B正确；
C．小物块从b向a运动的过程中，物块不再受到弹力，由于受到摩擦力的作用，其速度会逐渐减小，所以
其动能会减小，故C错误；
D．小物块在整个运动过程中，由于摩擦力的作用，其机械能总量会减少，即机械能不守恒，故D错误。
4.（2019山东临沂）如图所示，在“探究动能的大小跟哪些因素有关”的实验中，下列说法正确的是（
）
A. 实验所用斜面和水平面都必须是光滑的
B. 木块向前滑行的过程中机械能保持不变
C. 小球质量越大，到达斜面底端的速度越大
D. 木块被撞击后滑行的越远，说明小球的动能越大
【答案】D
【解析】A.由于影响动能大小的因素是速度和质量；所以所用斜面和水平面是相同的即可，不一定必须是
光滑，故A错误；
B．木块向前滑行的过程中，速度减小，由于木块在水平面上，质量不变，则机械能减小，故B错误；
C．小球到达斜面底端的速度取决于小球在斜面上的高度，滚下的高度越高小球到达斜面底端的速度越大，
故C错误；
D．根据转换法，将木块推得越远，说明小球撞击木块前的动能很大，故D正确。
5．（2019湖北宜昌）如图所示，过山车是一项惊险刺激的游戏项目，下列关于过山车的机械能说法正确
的是（ ）A．刚开始过山车匀速被拉升时，机械能不变
B．过山车向下俯冲时，重力势能转化为动能
C．通过环形轨道最高点时，重力势能最大，动能为0
D．过山车在运行过程中机械能守恒
【答案】B
【解析】（1）重力势能的大小和物体的质量以及所处位置的高度有关，判断重力势能是否改变，看它的
质量和高度是否变化就可以了；动能的大小和物体的质量以及运动的速度快慢有关，判断动能的大小看它
的质量和运动快慢是否变化就可以了。
（2）判断是哪种能量转化成了另一种能量的标准是：减小的转化为增多的。
（3）不计空气阻力时，机械能没有转化为内能，机械能守恒。
A．刚开始过山车匀速被拉升时，质量不变，速度不变，高度增加，故动能不变，重力势能变大，而机械
能等于动能与重力势能之和，所以机械能变大，故A错误；
B．过山车向下俯冲时，质量不变，高度降低、速度变大，所以重力势能变小，动能变大，重力势能转化
为动能，故B正确；
C．通过环形轨道最高点时，高度最大，重力势能最大，但此时其在水平方向上速度不为零，此时动能不
为零，故C错误；
D．过山车在运行过程中需要克服空气阻力和摩擦阻力做功，会有一部分机械能转化为内能，所以机械能
变小，即机械能不守恒，故D错误。
6．（2019湖北荆州）如图，粗糙水平面AB与光滑斜面BC平滑连接，弹簧左端固定。小木块P被压缩的弹
簧弹出并冲上斜面BC的过程中（空气阻力忽略不计），下列说法正确的是（ ）
A．在弹簧恢复原状的过程中，弹簧的弹性势能全部转化为小木块P的动能
B．小木块P离开弹簧后在粗糙水平面AB上滑行时机械能守恒
C．小木块P在斜面上向上运动时，动能减小，重力势能增加
D．小木块P运动到最高点时处于平衡状态【答案】C
【解析】A．在弹簧恢复原状的过程中，弹簧的形变程度变小，弹性势能变小。木块的速度变大，动能变
大，同时因为水平面AB粗糙，木块需要克服摩擦力做功，内能变大，故弹簧的弹性势能一部分转化为小木
块P的动能，一部分转化为木块的内能。故A错误；
B．小木块P离开弹簧后在粗糙水平面AB上滑行时，需要克服摩擦力做功，一部分机械能转化为内能，所
以机械能减小。故B错误；
C．小木块P在斜面上向上运动时，高度增加，重力势能变大，因为斜面BC光滑，且空气阻力忽略不计，
所以机械能守恒，故动能减小，故C正确；
D．因为斜面BC光滑，故木块不受摩擦力作用，若空气阻力忽略不计，小木块P运动到最高点时受到垂直
于斜面向上的支持力和竖直向下的重力作用，这两个力不在一条直线上，不属于平衡力，所以木块处于非
平衡状态，故D错误。
7.（2019江苏苏州）将皮球从离地某一高度O点处水平抛出，球落地后又弹起。它的部分运动轨迹如图所
示。下列说法正确的是（ ）
A.皮球经过同一高度的A、B两点时动能相等
B. 皮球第一次反弹后到达最高点P点时速度为零
C. 皮球在D点时的机械能小于在C点时的机械能
D. 若将皮球表面涂黑，则会在地面M、N两点留下两个大小相等的黑色圆
【答案】C
【解析】A．由图可知，每次小球反弹后到的最高点都比上一次的最高点要低，说明小球受到空气阻力，
机械能逐渐变小，A点的机械能大于B点的机械能；机械能是物体动能与势能的总和，AB两点高度相同则
重力势能相同，所以A点的动能大于B点的动能；故A错误。
B．从轨迹来看，小球既有水平方向的速度又有水平方向的速度。小球在最高点时，竖直方向速度为零，
但是仍然能往右运动，说明小球还具有水平方向速度；故B错误。
C．每次小球反弹后到的最高点都比上一次的最高点要低，说明小球受到空气阻力，机械能逐渐变小。C点
在D点之前，故D点的机械能小于C点的机械能；故C正确。
D．弹性势能大小与弹性形变程度有关，黑色圆斑的大小能反应小球弹性形变程度，圆斑越大，形变越大。
M点与N点小球的动能与重力势能都为零，又因为小球在M点机械能大于N点机械能，故小球在M点的弹性势能大于N点的弹性势能，故在M点的圆斑要大于在N点的圆斑。故D错误。
8. （2019湖南怀化）如图所示，小球从A点摆动到C点的过程中(不计空气阻力)，下列说法正确的是
A.从A到B的过程中，动能增大，重力势能减小
B.从A到B的过程中，动能减小，重力势能增大
C.从B到C的过程中，动能增大，至力势能增大
D.从B到C的过程中，动能减小，重力势能减小
【答案】A
【解析】AB、从A到B的过程中，小球的质量不变、速度增大，动能增大；小球的质量不变、高度减小，重
力势能减小，故A正确、B错；CD、从B到C的过程中，小球的质量不变、速度减小，动能减小；小球的质量
不变、高度增大，重力势能增大，故CD错。
9.（2019安徽省）如图，在光滑的水平台面上，一轻弹簧左端固定。右端连接一金属小球，O点是弹簧保
持原长时小球的位置。压缩弹簧使小球至A位置，然后释放小球，小球就在AB间做往复运动（已知AO＝
OB）。小球从A位置运动到B位置的过程中，下列判断正确的是（ ）
A. 小球的动能不断增加
B. 弹簧的弹性势能不断减少
C. 小球运动到O点时的动能与此时弹簧的弹性势能相等
D. 在任一位置弹簧的弹性势能和小球的动能之和保持不变
【答案】 D
【解析】由题知，O点是弹簧保持原长时小球的位置，则AO段弹簧处于压缩状态，OB段弹簧处于拉伸状态；
小球从A运动到O的过程中，弹簧逐渐恢复原状，形变程度变小，弹性势能变小，小球所受弹力方向向右、
速度不断增大，动能变大，此过程中弹性势能转化为动能；到达O点时，弹簧恢复原长，弹性势能为零，
小球所受弹力为零，此时速度最大，动能最大；小球从 O运动到B的过程中，弹簧被拉长，形变程度变大，
弹性势能变大，此时小球所受弹力方向向左、速度不断减小，动能变小，此过程中动能转化为弹性势能；则小球从A位置运动到B位置的过程中：
A．小球的动能先增加后减少，A不符合题意；
B．弹簧的弹性势能先减少后增大，B不符合题意；
C．小球运动到O点时的动能（最大）与此时弹簧的弹性势能（为零）不相等，C不符合题意；
D．水平台面光滑，且AO＝OB，说明没有机械能转化为内能，小球和弹簧组成的整体机械能守恒，所以在
任一位置弹簧的弹性势能和小球的动能之和保持不变，D符合题意。
10.人造地球卫星在大气层外环绕地球运行（不受空气阻力），当它从远地点向近地点运动时（ ）
A．动能减小，势能增大，机械能不变
B．动能减小，势能减小，机械能减小
C．动能增大，势能减小，机械能不变
D．动能增大，势能减小，机械能减小
【答案】C
【解析】（1）在太空中，卫星绕地球运动时，没有阻力作用，没有克服摩擦做功，机械能守恒。
（2）势能大小的影响因素：质量、被举的高度。质量越大，高度越高，势能越大。
（3）动能大小的影响因素：质量、速度。质量越大，速度越大，动能越大。
卫星在大气层外运动，不受空气阻力作用，只有动能和势能的转化，因此机械能守恒。卫星在远地点时势
能最大，当它从远地点向近地点运动时，势能转化为动能，所以势能减小、动能增大，速度增大。
二、填空题
11.（2020·江苏连云港）在水平地面上铺一张纸将两个弹性相同。质量分别为m 和m 的皮球A和B表面
A B
涂黑，让它们从相同高度由静止下落，在纸上留下黑色圆斑如图所示，分析图中两个圆斑大小，可推断
m ______m （选填“大于”、“小于”或“等于”）。皮球落地后反弹高度比原来下落时高度低，由此判
A B
断，皮球的机械能总量______（选填“不变”、“减少”或“增大”）。
【答案】 小于 减少
【解析】从图中A、B的印迹看出，B球的形变大，说明它原有的重力势能大，由于高度相同，所以质量
为m 的皮球的质量较大，即m ＜m
B A B
皮球落地后反弹高度比原来下落时高度低，皮球的一部分机械能转化为了内能，所以在整个运动过程中的
机械能减少。
12．（2019湖北随州）很多同学喜爱排球运动，一个漂亮的扣杀会赢得无数掌声。一次扣球往往包含着“助跑、起跳、空中击球、落地”一连串流畅的动作。试分析这一过程中包含的物理知识。
示例：在运动员起跳上升过程中，运动员的动能向重力势能转化。（此例不可再用）请考生另列两条：
（1） ；（2） 。
【答案】①起跳时，人给地面一个向下的力，由于物体间力的作用是相互的，地面给人一个向上的力。
②空中击球时人给球一个力，这个力改变了球的运动状态。
【解析】从惯性知识、力的作用是相互的以及重力的方向是竖直向下的入手，要求学生利用所学知识对整
个过程，每个步骤认真分析。“助跑、起跳、空中击球、落地”一连串流畅的动作包含的物理知识：
①起跳时，人给地面一个向下的力，由于物体间力的作用是相互的，地面给人一个向上的力。
②空中击球时人给球一个力，这个力改变了球的运动状态。
③运动员落地时，运动员的重力势能转化为动能。
13.（2019广东省）如图所示，用细线系住小球悬挂在O点，将小球拉至A点释放，从A点经过B点运动到
C点的过程中，小球的重力势能先变小后______，动能先_____后______。（选填“变大”、“变小”或
“不变”）
【答案】 变大；变大；变小
【解析】细线系住小球悬挂在O点，将小球拉至A点释放，从A点经过B点运动到C点的过程中，小球的
质量不变，高度先减小后变大，因此它的重力势能先变小后变大；因为机械能=动能+重力势能，所以小球
的动能先变大后变小。
14.货运飞船“天舟一号”与空间站“天空二号”成功对接后，以“天宫二号”为参照物，“天舟一号”
处
于 状态．由于外太空存在少量空气，“天空二号”运行时受到阻力，机械能 （选填“变大”、
“变小”或“不变”）．
【答案】静止；变小．【解析】判断物体是运动的还是静止的，要看它和参照物之间的位置关系，如果位置变化了，说明该物体
是运动的，否则是静止的；影响动能的因素是质量和速度，影响重力势能的因素是质量和高度，动能和重
力势能合称机械能．
（1）“货运飞船“天舟一号”与空间站“天空二号”成功对接后，它们之间的位置保持不变，因此以
“天宫二号”为参照物，“天舟一号”处于静止状态；
（2）由于“天空二号”运行时受到阻力，要克服摩擦做功，有一部分机械能转化为内能，所以机械能变
小．
15.浙江最大抽水蓄能电站工作原理如图所示，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，水被抽到上水库中，电能转化为水的 ；
（2）发电时，若该电站上水库可用于发电的库容量为 7.86×106米3，上下水库平均水位差637米．上水
库中可用于发电的水流到下水库，水的重力做功为 焦．
【答案】（1）重力势能；（2）5.00628×1013。
【解析】电动机抽水时，将电能转化为重力势能；根据 m=ρV，得出水的质量，再根据G=mg求出水的重力，
最后根据W=Gh，可求出做功多少．
（1）蓄能时，水被抽到上水库中，电能转化为水的重力势能；[来源:学,科,网Z,X,X,K]
（2）水的质量为：m=ρV=1.0×103kg/m3×7.86×106m3=7.86×109kg
水的重力为：G=mg=7.86×109kg×10N/kg=7.86×1010N
水的重力做功为：W=Gh=7.86×1010N×637m=5.00628×1013J
三、综合应用题
16.用细线悬挂的小球从图中所示位置静止释放，若忽略空气阻力，那么小球在最高点的势能为什么等于
下降至最低点的动能？请用机械能守恒定律解释；实际上，小球在摆动过程中，会与空气摩擦产生热，摆
幅逐渐减小，最终停下来，那么在摆动过程中由于摩擦而转化的内能等于小球在最高点所具有的势能，请
用能量守恒定律解释。【答案】（1）用细线悬挂的小球在最高点时静止，动能为0，重力势能最大设为a，
则机械能E=0+a=a
1
小球在最低点时高度为0，重力势能为0，速度最大，动能最大设为b，
则机械能E=0+b=b
2
若忽略空气阻力,小球在摆动过程中，只有动能和势能的相互转化，只有重力载做功，所以小球在各个时
刻或者各个状态时的机械能守恒．即 E=E ，从而a=b.也就是小球在最高点的势能等于下降至最低点的动
1 2
能。
（2）小球在摆动过程中，除重力做功外，还有空气阻力做功，所以机械能不守恒，有一部分机械能转化
为内能，但是仍旧遵从能量守恒定律，所以在摆动过程中由于摩擦而转化的内能等于小球在最高点所具有
的势能．
【解析】（1）机械能守恒的条件：只有动能和势能的相互转化或者只有重力做功，机械能才守恒．（2）
能量既不会创生，也不会消灭，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，
在转化或转移的过程中，能量的总量不变，这就是能量守恒定律．
17.如图所示，是承承在乒乓球比赛中，高抛发球时的情景，不计空气阻力，请你回答下列问题：
（1）在乒乓球上升的过程中，乒乓球的能量是如何转化的？其机械能如何变化？
（2）乒乓球运动到最高点时，是否处于平衡状态？请说明理由．
【答案】（1）在乒乓球上升的过程中，乒乓球的质量不变，速度变小，动能减小，同时高度升高，重力
势能变大，动能转化为重力势能；机械能为动能和势能之和，所以不计空气阻力，机械能大小不变；
（2）乒乓球运动到最高点时，不处于平衡状态；因乒乓球运动到最高点时，只受重力作用，合外力不为
零．【解析】影响动能的影响因素是物体的质量和物体运动的速度，影响重力势能的因素是物体的质量和物体
的高度，其中动能和势能统称为机械能．在分析各个能量的变化时，根据各自的影响因素进行分析．处于
平衡状态的物体一定受到非平衡力的作用，对乒乓球运动到最高点时进行受力分析即可解答．
