摆来摆去析能量转化

2021-07-19 13:39张虎岗
初中生学习指导·提升版 2021年6期
关键词:重力势能势能机械能

张虎岗

[典例精析]

例 如图1所示,小红用绳子把一个小球悬挂起来,用手将其拉到自己鼻子处的A点。松手后,小球沿一条弧線从A点经B点,摆动到C点,已知B是最低点。则下面说法中正确的是( )。

A. 从A点到C点的过程中,小球的动能越来越大

B. 小红保持不动,小球返回后不会砸到鼻子

C. 在B点时,小球位置最低,重力势能为0

D. 当小球停止摆动后,机械能总量与摆动前相同

解析:小球由A点摆到B点时,速度越来越大,位置却越来越低,因此动能变大,重力势能变小。在这个过程中,重力势能转化为动能。然后小球接着由B点向C点摆动,在这个过程中,小球速度越来越小,位置越来越高,因此动能变小,重力势能变大,动能转化为重力势能。所以小球由A点到C点过程中,小球的动能是先变大后变小,故A错误。小球摆动过程中需要克服阻力做功,消耗一部分机械能,因此返回后的最高点A'一定低于A点,不会砸到鼻子,故B正确;在B点时,小球与地面仍有一定的高度,因此重力势能不为0,故C错误;当小球停止摆动后,会静止在B点处,此时与摆动前小球位于A点相比,位置变低了,所以机械能变小了,这是因为在摆动过程中,小球克服阻力做功,消耗了一部分机械能,故D错误。

答案:B

点拨:在分析机械能的转化时,单摆和滚摆是很好的载体。分析机械能的转化时,要注意分析速度与所处高度的变化。

[变式探究]

变式1:如图1所示,若不考虑阻力,在理想情况下,小球在A点被释放后会经过B点(最低点)摆到C点。下面各图中能正确表示这一过程中能量转化的是(假设小球位于B点时其重力势能恰好等于动能)( )。

解析:在理想情况下,小球在任何时候的机械能总量相同。由例题的分析可知,小球由A点摆到C点时,动能先变大后变小,而重力势能先变小后变大,且在相同的时间内动能增加(或减小)的量和重力势能减小(或增加)的量是相同的,A正确;B图表示在相同的时间内,动能的变化量大于重力势能的变化量,B错误;在C图中,C点的重力势能大于A点,C错误;在D图中,从B到C的这一段表示小球的动能与重力势能都不变,D错误。

答案:A

点拨:用图象表示物理规律是近年来中考中常见的题型,具有直观、形象的特点。在分析此类问题时,首先要看清纵轴与横轴各表示什么物理量,然后分析纵轴的物理量如何随横轴物理量的变化而变化,进而总结规律,比较其与实际情况是否相符。

变式2:将一小球系在一根橡皮筋上,首先使它位于图2所示的位置,然后松开手,发现小球会来回摆动。若不计阻力,则小球在左右摆动的过程中能量是如何转化的?请简述你的依据。

解析:在解答本题时,要注意橡皮筋长度的可伸缩性,因此小球的摆动过程是动能、重力势能和弹性势能之间的转化,这三者的变化都要加以考虑。

答案:在小球由最高处摆到最低处的过程中,小球的位置越来越低,速度越来越大,同时橡皮筋的长度越来越长,小球的重力势能转化为动能和橡皮筋的弹性势能;反之,在小球由最低处摆到最高处的过程中,小球的位置越来越高,速度越来越小,同时橡皮筋的长度越来越短,小球的动能和橡皮筋的弹性势能转化为小球的重力势能。

点拨:当物体发生弹性形变时,就要考虑弹性势能的变化,切不可只考虑动能和重力势能的转化而导致错解。

[能力提升]

图3是小强同学在“原地掷实心球”体育项目测试中的示意图。图中速度v的方向是球出手时的飞行方向。从球出手到落地的过程中,下面关于机械能的一些说法正确的是(空气阻力忽略不计)( )。

A. 球出手时动能最大

B. 球出手时势能最大

C. 球落地时机械能最大

D. 球的机械能保持不变

答案:D

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