114机械能及其转化(考点解读)

11.4 机械能及其转化（考点解读）（解析版）
知识导航
知识点讲解
1、机械能的概念
2、动能和势能的转化与机械能守恒
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；
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；
是守恒的。

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。

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。

※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。

3、机械能和其他形式能的转化
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。

考点1 机械能的概念
【典例11】2022年11月21日世界杯正式开赛，世界优秀的足球运动员齐聚卡塔尔，他们顽强拼搏，展现出了足球运动独特的魅力。

如图所示为决赛中梅西的一脚劲射，踢出去的足球在空中飞行的过程中，会受到空气阻力的作用，则下列分析中正确的是（）
A．踢出去的足球在空中上升过程中，它的机械能保持不变
B．踢出去的足球在空中下降过程中，它的机械能逐渐增大
C．踢出去的足球在空中上升到最高点时，动能为0
D．踢出去的足球落到草地上滚动的过程中，机械能减小
【答案】D。

【解答】解：AB、踢出去的足球在空中上升和下降的过程中，由于要克服空气阻力做功，部分机械能转化为内能，所以足球的机械能持续减小，故AB都错误；
典例分析＋变式训练
C、踢出去的足球在空中上升到最高点时，竖直方向上速度为零，水平方向上速度不为零，
动能不为零，故C错误；
D、踢出去的足球落到草地上滚动的过程中，由于要克服草地阻力做功，机械能转化为内
能导致机械能减小，故D正确。

故选：D。

【典例12】如图，国产大飞机C919加速起飞时，以地面塔台为参照物，它是运动（选填“运动”或“静止”）的，此过程飞机受的是非平衡力（选填“平衡力”或“非平衡力”），飞机的机械能增大（选填“增大”、“不变”或“减小”）。

【答案】运动；非平衡力；增大。

【解答】解：（1）大飞机C919起飞时相对于地面上航站台的位置不断变化，所以大飞机相对于塔台是运动的；
（2）飞机加速起飞，飞机的运动速度发生了变化，因此飞机受非平衡力作用；
（3）飞机加速起飞时，质量不变，速度变大，动能增大；高度变大，重力势能增大，机械能增大。

故答案为：运动；非平衡力；增大。

【变式11】为了提高全校师生的身体素质，学校买回了乒乓球发球机，如图甲所示。

如果乒乓球发球机在同一高度以相同的初速度朝不同方向分别发出a、b、c三个球，如图乙。

若不计空气阻力，则下列说法正确的是（）
A．a球上升过程中，动能增大，重力势能减小
B．b球到达最高点时，重力势能最大，动能为0
C．a、b两球在最高点时机械能相等
D．a、b、c球到达乒乓球案的速度大小关系v b＞v c＞v a
【答案】C。

【解答】解：A、a球上升过程中，质量不变，速度变小，动能减小，高度增加，重力势能增大，故A错误；
B、b球到达最高点时，高度最大，重力势能最大，但b球在水平方向上的速度不为零，
因此动能不为零，故B错误；
CD、三个乒乓球开始时的速度和高度相同，因此三个乒乓球的动能和重力势能相等，机械能相等，由于不计空气阻力，整个过程中小球的机械能守恒，因此a、b两球在最高点时机械能相等，故C正确；
三个乒乓球到达乒乓球案时的高度相等，因此重力势能相等，由于三个乒乓球的机械能相等，因此三个乒乓球的动能相等，所以三个乒乓球的速度也相等，故D错误。

故选：C。

【变式12】2022年2月27日11时许，伴随着一阵山呼海啸般的巨响，长征八号遥二运载火箭搭载着22颗卫星，在我国文昌航天发射场一飞冲天，创造了我国“一箭多星”即单次发射卫星数量最多的纪录，由此开启了我国新的共享火箭“拼车”模式。

火箭在上升的过程中的机械能增大。

（选填“增大”“减小”或“不变”）。

【答案】增大。

【解答】解：火箭在上升的过程中，质量不变，速度变大，动能变大。

高度不断增大，重力势能增大，故它的机械能增大。

故答案为：增大。

考点2 动能和势能的转化与机械能守恒
【典例21】图中（a）、（b）、（c）依次对应跳高项目中运动员加速助跑、起跳离地、跃过横杆三个状态，不计空气阻力。

根据图示信息，关于跳高过程的描述中，下列说法正确的是（）
A．在助跑过程，运动员的动能保持不变
B．跃过横杆时，运动员处于平衡状态
C．从（b）到（c）的过程，运动员的动能转化为重力势能
D．从（a）到（c）的过程，运动员的机械能一直在减少
【答案】C。

【解答】解：
A、在助跑过程，运动员的质量不变，速度变大，动能变大，故A错误；
B、跃过横杆时，运动员的运动状态发生了变化，处于非平衡状态，故B错误；
C、从（b）到（c）的过程，运动员的质量不变，高度变大，重力势能变大，速度变小，
动能变小，是动能转化为重力势能，故C正确；
D、从（a）到（c）的过程，不考虑空气阻力，运动员的机械能是守恒的，保持不变，故
D错误。

故选：C。

【典例22】如甲图AOB是光滑轨道，A点的高度为H，B点的高度为h，h小于H，A、B 两点水平距离为s，让一个小球由A点静止开始自由滑下，沿轨道AOB到达B点后离开轨道，不计空气阻力。

则小球从A点运动到B点时，它经O点的动能是由重力势能转化而来。

小球离开B点后的运动轨迹a、b、c、d，最符合题意的是轨迹c（选填“a”或“b”或“c”或“d”）。

如图乙所示，若右侧的光滑轨道也足够高，则小球能（选填“能”或“不能”）达到与A等高的A′位置。

如图丙所示，在竖直平面内用轻质细线悬挂一个小球，将小球拉至A点，使细线处于拉直状态，由静止开始释放小球，不计摩擦，小球可在A、B两点间来回摆动。

当小球摆到B点时，细线恰好断开，则小球将沿BE（选填“BE”“BD”或“BC”）方向运动。

【答案】重力势；c；能；BE。

【解答】解：由题知，轨道AOB是光滑轨道，不计空气阻力，小球运动过程中机械能守恒，只有小球的动能和重力势能之间的转化，所以它经O点的动能是由重力势能转化而来的；
小球从A点由静止滑下，所以小球的机械能等于A点时的重力势能，整个过程中，机械能守恒，a虚线的最高点超过了A点的高度，这是不可能的；
b虚线的最高点与A点的高度相同，而在最高点时，小球仍具有向右运动的速度，所以b 虚线所示的机械能大于A点的机械能，也是不可能的；
c虚线的最高点低于A点，由于在最高点时小球仍运动，其总机械能可能与开始时的机械能相等，符合实际；
d虚线小球离开轨道时，由于惯性，应具有沿轨道方向向上运动的速度，d虚线不可能；
故选c；
若右侧的光滑轨道也足够高，根据机械能守恒可知，小球能达到与A等高的A'位置，此时小球的速度为0；
（3）由于小球被静止释放，不计摩擦，它可在A、B两点间来回摆动。

当小球摆到B点时，小球速度恰好为零，此时若细线恰好断开，则小球只受重力作用而竖直下落。

所以，将沿BE方向运动。

故答案为：重力势；c；能；BE。

【变式21】足球是同学们喜爱的运动。

如图1所示是卡塔尔世界杯赛中，某球员传球后足球在空中飞行的一段运动轨迹，图2是该足球落地后弹跳的过程。

关于以上两过程下列说法正确的是（）
A．图1中足球从A点移动至B点的过程中，球员对球做了功
B．图1中足球在A点的重力势能小于B点的重力势能
C．图2中A、B两点为同一高度，该足球在这两点机械能相等
D．图2中足球在从最高点D点移动至最低点C点过程中，足球的动能转化为重力势能【答案】B。

【解答】解：A、图1中足球从A点移动至B点的过程中，球员没有对球施加力，所以对球不做功，故A错误；
B、图1中足球在A点的高度小于B点的高度，足球的质量不变，所以图1中足球在A
点的重力势能小于B点的重力势能，故B正确；
C、由图可知，足球跳起的高度逐渐变小，这说明足球的机械能是逐渐变小的，该足球在
这AB两点的机械能不相等，故C错误；
D、图2中足球在从D点移动至C点过程中，足球的质量不变，高度变小，重力势能变
小，速度变大，动能变大，是足球的重力势能转化为动能，故D错误。

故选：B。

【变式22】小亮在某科技频道播出的节目中看到一个实验——无限跳台。

实验过程是让一个铁球从图中的A点由静止释放，球经过轨道右侧的最高点C点在空中沿着弧线飞跃到平台上的D点，然后又滚动到A点，如此循环往复，整个过程不借助任何外力，且D点高于A点。

你觉得该实验是不科学（选填“科学”或“不科学”）的，请从机械能的角度进行解释：铁球在D点时的机械能大于在A点时的机械能，违背了机械能守恒定律。

【答案】不科学；铁球在D点时的机械能大于在A点时的机械能，违背了机械能守恒定律。

【解答】解：铁球从图中的A点由静止释放时，铁球具有重力势能，动能为零，当铁球经过轨道右侧的最高点C点在空中沿着弧线飞跃到平台上的D点时，还有速度，铁球具有重力势能，动能不为零，且D点高于A点，说明在D点时的机械能大于在A点时的机械能，违背了机械能守恒定律，是不科学的。

故答案为：不科学；铁球在D点时的机械能大于在A点时的机械能，违背了机械能守恒定律。

考点3 机械能和其他形式能的转化
【典例31】如图展示的过程中，内能转化为机械能的是（）
A．B．
C．D．
【答案】B。

【解答】解：A、图中所示是汽油机的压缩冲程，能量转化为机械能转化为内能，故A 错误；
B、图中是水蒸气把塞子冲起，能量转化为内能转化为机械能，故B正确；
C、图中是克服摩擦做功，能量转化为机械能转化为内能，故C错误；
D、图中是电热水壶，它在工作时是电能转化为内能，故D错误。

故选：B。

【典例32】如图为游乐园过山车的轨道，过山车从高处滑下的过程中，轨道对车的支持力不（选填“不”或“要”）做功；过山车轨道斜坡的高度依次减小（选填“减小”
“相同”或“增大”），这是因为车轮与轨道之间有摩擦，导致过山车的机械能不断减小，减小的机械能转化为内能。

【答案】不；减少；内。

【解答】解：过山车从高处加速滑下的过程中，轨道对车有支持力作用，但支持力方向与物体运动方向垂直，即车没有在支持力的方向上移动距离，所以轨道对车的支持力不做功；
过山车与轨道之间存在摩擦，克服摩擦做功，消耗机械能，所以过山车轨道斜坡的高度
依次减小，减小的机械能转化为内能。

故答案为：不；减少；内。

【变式31】2022年4月16日，神舟十三号返回舱在东风着陆场预定区域成功着陆，如图所示。

关于返回舱，下列说法中正确的是（）
A．返回舱进入大气层后形成一个“火球”，在这个过程中将内能转化为机械能
B．为避免返回舱与大气剧烈摩擦而被烧坏，在表面涂有烧蚀材料，利用材料的熔化、汽化等方式散热
C．返回舱降落伞打开后，降落伞对返回舱的拉力大于返回舱对降落伞的拉力
D．返回舱着陆后，返回舱对地面的压力和地面对返回舱的支持力是一对平衡力
【答案】B。

【解答】解：A．返回舱进入大气层后形成一个“火球”，在这个过程中将机械能转化为内能，故A错误；
B．火箭头部的特殊材料在熔化、汽化时吸收热量，从而达到保护火箭的目的，这是利用了熔化、汽化要吸热的原理，故B正确；
C．降落伞打开后，降落伞对返回舱的拉力和返回舱对降落伞的拉力相互作用力，两个力的大小相等，故C错误；
D．着陆后，返回舱对地面的压力和地面对返回舱的支持力，作用在两个物体上，不是一对平衡力，故D错误。

故选：B。

【变式32】（多选）如图所示，小球从左侧斜面的P点由静止释放，在右侧斜面上能到达的最高位置是Q点，M、N是小球运动过程中先后通过的两个等高点，下列关于该过程的说法中正确的是（）
A．小球在左侧斜面向下运动的过程中，重力势能全部转化为动能
B．小球从P点向Q点运动的过程中，机械能减小
C．小球从P点向Q点运动的过程中，所受支持力不做功
D．小球通过M、N两点时的速度大小相等
【答案】BC。

【解答】解：A、由于最高点P和Q不等高，故机械能不守恒，存在摩擦力，故小球在左侧斜面向下运动的过程中，重力势能转化为动能和内能，故A错误；
B、小球从P点向Q点运动的过程中，存在阻力，机械能减小，故B正确；
C、小球从P点向Q点运动的过程中，支持力与运动的方向是垂直的，故所受支持力不
做功，故C正确；
D、M、N是小球运动过程中先后通过的两个等高点，小球在M、N两点重力势能相同，
由于机械能减小，小球在N的动能小于在M点的动能，故小球通过M、N两点时的速度大小不相等，故D错误。

故选：BC。

【变式33】2022年4月16日，神舟十三号飞船返回舱带着航天员和所搭载物品成功着陆安全返回地球，在进入大气层的时候，返回舱以数千米每秒的速度与大气层发生剧烈摩擦，燃起2000多度高温的火焰，变成燃烧的火球（如图）。

这是因为飞船返回舱的底部在进入大气层后会强烈压缩空气，返回舱的机械能转化为空气的内能，导致飞船周围的空气温度急剧上升，达到上千摄氏度。

为了避免飞船被烧毁，返回舱的外部会涂有烧蚀材料，虽然返回舱周围的温度非常高，但是飞船内却很舒适，宇航员不会受到影响，所以大家不需要担心。

【答案】机械能；内能。

【解答】解：依据题意可知，返回舱与大气层发生剧烈摩擦时，机械能减小，内能增大，实现了返回舱的机械能转化为空气的内能。

故答案为：机械能；内能。

巩固训练
一、选择题。

1．（2022秋•雁塔区校级期末）从流光溢彩的“冰立方”到晶莹剔透的“冰雪五环”，北京冬奥会开幕式把中国科技与文化自信展现得淋漓尽致。

“冰立方”和“冰雪五环”都由LED呈现，“冰雪五环”藏在“冰立方”内部，像从盒子里抽出纸巾一样，在43s内被拉高13m，如图所示。

下列分析正确的是（）
A．“冰雪五环”上升过程中平均速度为0.03m/s
B．“冰雪五环”上升过程中机械能不变
C．“冰雪五环”上升过程中只受重力作用
D．“冰雪五环”上升过程中相对“冰立方”是运动的
【答案】D。

【解答】解：A、“冰雪五环”上升过程中平均速度为：，故A错误；
B、“冰雪五环”上升过程中质量和速度不变，高度增加，机械能增大，故B错误；
C、“冰雪五环”上升过程中受重力和支持力作用，故C错误；
D、“冰雪五环”上升过程中相对“冰立方”的位置在不断变化“冰雪五环”是运动的，
故D正确。

故选D。

2．（2023•三江县校级一模）如图是一名运动员投掷飞镖时的场景，他将飞镖按图示虚线方向投出，整个过程不计空气阻力，则下列说法正确的是（）
A．飞镖在空中会一直沿虚线方向飞行，击中P点
B．飞镖在空中飞行过程中，运动员对飞镖做了功
C．飞镖在空中飞行过程中，机械能先增大后减小
D．飞镖在空中飞行过程中，机械能保持不变
【答案】D。

【解答】解：A、将飞镖按图示虚线方向投出，飞镖受重力作用，由于重力的方向竖直向下，飞镖不做直线运动，故不能击中靶上的P点，故A错误；
B、飞镖在空中飞行过程中，运动员对飞镖没有力的作用，所以运动员对飞镖没有做功，
故B错误；
CD、飞镖在空中飞行过程中只受重力作用，不计空气阻力，飞镖的机械能保持不变，重力势能转化为动能，故C错误，D正确。

故选：D。

3．（2022秋•建邺区期末）被竖直上抛的篮球，离开手至落地前，经历上升、下降两个过程。

其中在A、B两点位置时的动能和重力势能如下表所示。

下列判断正确的是（）篮球位置A点B点
动能/J48
重力势能/J72 A．球在A点的高度一定小于B点的
B．球在A点的速度一定大于B点的
C．球在A点时一定处于上升过程
D．球在B点时一定处于下落过程
【答案】D。

【解答】解：竖直上抛的篮球，篮球经历上升、下降两个过程，在A点的机械能＝动能+重力势能＝4J+7J＝11J，B点的机械能＝动能+重力势能＝8J+2J＝10J，故A点的机械能大于B点的机械能，可知A是上升阶段的某一点，B是下落过程的某一点，故C错误，D正确；
A点的动能小于B点的动能，故A点的速度小于B点的速度；故B错误；A点的重力势能大于B点的重力势能，故A的高度大于B点的高度，故A错误；
故选：D。

4．（2022秋•靖江市期末）如图所示，完全相同的两个小球A、B分别与轻质棉线和轻质弹簧连接，将两球拉高使棉线与弹簧在同一水平方向上，此时弹簧处于原长状态，且弹簧原长长度（O'B）小于棉线长度（OA），由静止释放后，两球运动到最低点时在同一水平面上（不计空气阻力），关于小球A、B在这一段运动过程能量变化的描述，下面说法正确的是（）
A．两个小球A、B的机械能保持不变，最低点时两球的动能相等
B．两个小球A、B的机械能保持不变，最低点时A球的动能大于B球的动能
C．两个小球A、B的机械能保持不变，最低点时A球的动能小于B球的动能
D．A球的机械能不变，B球的机械能减少，最低点时A球的动能大于B球的动能【答案】D。

【解答】解：两个小球质量相同，且开始时处于同一高度，因此它们具有的重力势能相等，也就是机械能相等。

由题意可知，两球下降的高度相等，则两球的重力势能减小量相等，即两球损失的重力势能相等。

不计空气阻力，运动过程中两个小球A的机械能保持不变，当A球摆动到最低点时，它的重力势能全部转化为动能，即动能等于原来的重力势能；B球在下降的过程中，重力势能转化为动能和弹簧的弹性势能，小球B的机械能减少，因此A球的动能大。

故D正确，ABC错误。

故选：D。

5．（2023•定远县校级一模）如图所示的滚摆，上下往复运动幅度越来越小，最终停在最低点。

则下列说法中错误的是（）
A．滚摆的动能与重力势能可以相互转化
B．滚摆下降时重力势能减小、动能增大
C．滚摆在最高点时，处于平衡状态
D．滚摆上下往复的过程中，其机械能不断减小
【答案】C。

【解答】解：A、滚摆向上运动的过程中，由于高度升高，则重力势能增加，同时速度减小，则动能减小，即动能转化为了重力势能；下降过程中，由于高度减小，则重力势能减小，同时速度增加，则动能增加，即重力势能转化为了动能，故A正确；
B、滚摆质量不变，下降时高度减小，速度增大，故重力势能减小，动能增大，故B正
确；
C、滚摆在上升到最高点时，只受到重力作用，不受平衡力，故没有处于平衡状态，故C
错误；
D、在滚摆运动过程中，滚摆需要克服阻力做功，有一部分机械能会转化为内能，机械能
在减小，故D正确。

故选：C。

6．（2022秋•广陵区期末）2022年卡塔尔世界杯足球赛已圆满落幕，如图是某次比赛中足球落地后又弹起的示意图，图中B为第一次弹起的最高点，不计空气阻力。

分析可知，足球（）
A．在B点时受力平衡
B．在B点时，若所受力全部消失，将静止不动
C．在A、C两点动能可能相等
D．在整个运动过程中，足球的机械能守恒
【答案】C。

【解答】解：A．不计空气阻力，足球在B点时只受重力，故足球受力不平衡，故A错误；
B．足球在B点时，足球有水平方向的速度，若所受力全部消失，根据牛顿第一定律可知，足球将做匀速直线运动，运动状态保持不变，故B错误；
C．由题图可知，足球落地弹起后的高度越来越低，说明足球的机械能逐渐减小，故足球在A点的机械能大于其在C点的机械能，而足球在A点的重力势能大于其在C点的重
力势能，故足球在A、C两点的动能可能相等，故C正确；
D．在运动过程中，足球的机械能不断减小，所以不仅存在动能和势能的相互转化，还存在机械能转化与内能的转化，足球的机械能不守恒，故D错误。

故选：C。

7．（2022秋•汕尾期末）如图所示，用手托着两个鸡蛋匀速升高1m。

下列说法正确的是（）
A．鸡蛋的重力势能不变B．鸡蛋的机械能守恒
C．鸡蛋处于非平衡状态D．手对鸡蛋做了功
【答案】D。

【解答】解：A、用手托着两个鸡蛋匀速升高1m，鸡蛋的质量不变，高度增加，重力势能变大，故A错误；
B、鸡蛋匀速升高时，质量不变、速度不变、动能不变；高度增加、重力势能增加，则机
械能增大，故B错误；
C、用手托着两个鸡蛋匀速升高时，做的是匀速直线运动，处于平衡状态，故C错误；
D、用手托着两个鸡蛋匀速升高1m，有力作用在鸡蛋上，鸡蛋在力的方向上通过了距离，
所以人对鸡蛋做了功，故D正确。

故选：D。

8．（2023•三江县校级一模）下列图形中，属于内能转化为机械能的是（）A．做功冲程B．弯折铁丝
C．滑下滑梯D．压缩点火
【答案】A。

【解答】解：A、在内燃机的做功冲程中，燃气膨胀对外做功，将内能转化为机械能，符
合题意；
B、弯折铁丝时，是通过做功将机械能转化为内能，不合题意；
C、滑下滑梯时，与滑梯发生摩擦做功，将机械能转化为内能，不合题意；
D、压缩点火，属压缩气体做功，将机械能转化为内能，不合题意。

故选：A。

9．（2022•东胜区一模）如图所示，质量一定的木块放在由同种材料制成的粗糙程度均匀的水平桌面上。

木块在水平拉力F作用下从A点由静止开始运动，运动得越来越快；当木块到达B点时，撤去拉力F，木块持续滑动，运动得越来越慢，最后停在C点。

下列说法正确的是（）
A．木块在AB段所受的摩擦力小于在BC段所受的摩擦力
B．木块在AB段运动得越来越快，说明力能维持物体运动
C．木块在AB段运动得越来越快，木块具有的惯性越来越大
D．木块在BC段运动得越来越慢，木块的机械能转化为内能
【答案】D。

【解答】解：A、因为压力和接触面的粗糙程度都没有变，故木块在AB段所受的摩擦力等于在BC段所受的摩擦力，故A错误。

B、木块在AB段运动得越来越快，说明力是改变物体运动状态的原因，不能说明力能维
持物体运动，故B错误。

C、木块具有的惯性与木块质量有关，故C错误。

D、木块在BC段运动得越来越慢，木块有部分机械能转化为内能，故D正确。

故选：D。

10．（2022春•房山区期中）（多选）如图所示，质量一定的木块放在由同种材料制成的粗糙程度均匀的水平桌面上，木块在水平拉力F作用下从A点由静止开始运动，运动得越来越快；当木块到达B点时，撤去拉力F，木块继续滑动，运动得越来越慢，最后停在。