2.3.3 动能、势能和机械能-【走好高中第1步】2020初高中物理教材衔接

第3节　动能、势能和机械能 (衔接要求 1．知道动能和重力势能的表达式。 2．了解弹性势能。 3．知道机械能是动能和势能的总和。 (回顾初中 在初中，我们定性了解了动能、重力势能、弹性势能和机械能，掌握了这些概念，能够用这些概念解释一些简单的实际问题。 【例1】　避险车道是公路主干道相连的一段距离很短的分岔专用车道，供失控车辆安全减速。一般设置在长陡坡的拐弯处，保证驾驶员能看到。这种车道很特别，一般长度在50～100米，有一定的坡度，路面上铺着疏松的石子、砂土层，两侧及顶部用废旧轮胎或防撞桶围起来。避险车道很大程度上解决了汽车刹车失灵时的安全隐患。请你从能量转化的角度谈谈避险车道设置所包含的科学知识。 【解析】　①避险车道设在下坡拐弯右边，是利用光的直线传播，便于司机可以看到，有充足的反应时间，能做出合理的判断。 ②有一定的坡度，是利用动能转化为势能，使车减速。 ③铺上疏松的碎石、沙土，是为了增大摩擦，使车减速。 ④废旧轮胎和防撞桶起到缓冲的作用，车的动能转化为内能，使车减速。 【答案】　见解析。 (展望高中 在高中，我们将在初中的基础上，深入研究与动能、重力势能、弹性势能有关的因素，掌握它们的定义式，并能用定义式计算有关能量的大小。 【例2】　在离地面80 m处无初速度地释放一小球，小球质量为m＝200 g，不计空气阻力，g取10 m/s2，取释放点所在水平面为参考平面。求： (1)在第2 s末小球的重力势能； (2)在第3 s内重力所做的功和重力势能的变化。 【解析】　(1)以释放点所在水平面为参考平面，在第2 s末小球所处的高度为 h＝－×10×22 m＝－20 m gt2＝－ 重力势能Ep＝mgh＝200×10－3×10×(－20) J＝－40 J。 (2)在第3 s末小球所处的高度为 h′＝－×10×32 m＝－45 m gt′2＝－ 第3 s内重力做的功为W＝mg(h－h′)＝200×10－3×10×(－20＋45) J＝50 J 由重力做功与重力势能变化的关系可知，小球的重力势能减少了50 J。 【答案】　(1)－40 J　(2)50 J　小球的重力势能减少了50 J 李白的著名诗句“飞流直下三千尺，疑是银河落九天”，描写的是庐山瀑布，历代诸多文人骚客在此赋诗题词，赞颂其壮观雄伟，给庐山瀑布带来了极高的声誉，被誉为中国最秀丽的十大瀑布之一。最著名的应数三叠泉，被称为庐山第一奇观，瀑布从山顶倾泻而下，但见全长近百米的白练由北崖口悬挂于大盘石之上，白练悬挂于空中，三叠分明，它气势雄伟，景色壮观，凌空飞垂，珠飞玉溅，云雾蒸腾，山谷轰鸣。衬以两旁参天古树，嶙峋怪石，壮丽之外又添几分肃穆之美。为什么越高的山峰流下的瀑布，水的流量越大，气势越大呢？ 接点一　动能 我们知道，奔驰的汽车、滚动的足球、飞行的导弹等运动的物体都能做功，功是能量转化的量度，因此它们都具有能，物体由于运动而具有的能叫作动能。 大家知道，物体运动的速度越大、质量越大，做功的本领越强，动能越大，因此，动能与物体的质量、速度大小这两个因素有关。 动能的表达式：Ek＝mv2，式中v是瞬时速度。 动能的单位与功的单位相同，国际单位都是焦耳，符号为J。 需要指出的是，动能具有相对性，对于不同的参考系，速度大小不同，故动能大小也不同，但我们平时都是以地面为参考系；动能是标量，只有大小，没有方向，且动能只有正值；动能是状态量．在某一时刻，物体具有一定的速度，也就具有一定的动能。 【思考与讨论1】 物体的速度发生改变则动能一定改变吗？ 接点二　重力势能 物体被举高后，也具有做功的本领，我们知道，被举高的物体具有重力势能，物体由于被举高而具有的能叫重力势能。重力势能的大小与物体的质量和被举高的高度有关，实验证明，物体的质量越大，被举高的高度越大，物体具有的重力势能越大。 重力势能的大小等于物体所受重力与所处高度的乘积，表达式为Ep＝mgh。 重力势能的国际单位是焦耳，符号为J。 需要指出，重力势能是标量，具有相对性，总是相对选定的参考平面(该平面常称为零势面)而言的，其数值可正可负可为零，物体在参考平面上方，重力势能为正，物体在参考平面下方，重力势能为负；重力势能具有系统性，是地球与物体所组成的系统共有的。 【思考与讨论2】 仔细观察下列图片，并回答问题。 根据图片给出的数据完成下列填空(g取10 m/s2)。 参考平面 三楼天 花板 三楼 地板 楼外 地面 词典在桌面 上时的Ep 词典在三楼教室 地板上时的Ep 词典从桌面掉到地 板上重力做的功WG 词典从桌面掉到地板 上重力势能的改变量 接点三　弹性势能 发生弹性形变的物体，由于弹力的作用，在恢复原状时能够对外做功，因而具有能量。发生弹性形变的物体的