第11章工作和機(jī)械能量
本章包括功、功率、動(dòng)能與勢(shì)能、機(jī)械能及其轉(zhuǎn)化四部分內(nèi)容，本章從能量的角度解決力學(xué)問題，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)功，在認(rèn)識(shí)功的基礎(chǔ)上，理解功與能量的關(guān)系，認(rèn)識(shí)能量的概念，理解動(dòng)能、勢(shì)能和機(jī)械能。
課程要求：
1.通過實(shí)驗(yàn)知道動(dòng)能，勢(shì)能和機(jī)械能，了解動(dòng)能和勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)換。
2.了解機(jī)械功和功率。用生活中的例子解釋機(jī)械功和功率的含義。
知識(shí)結(jié)構(gòu)：
要點(diǎn)和學(xué)習(xí)建議：
1.本章新增概念較多，一定要分清，記牢。
1.工作的兩個(gè)必要因素：
①作用在物體上的力。
②物體沿該力的方向移動(dòng)的距離s。
這里我們需要理解“物體在這個(gè)力的作用方向上移動(dòng)的距離”。如果物體上力的方向垂直于運(yùn)動(dòng)方向（即移動(dòng)距離的方向），就說(shuō)明物體在這個(gè)力的作用方向上沒有移動(dòng)，那么這個(gè)力就是錯(cuò)的。物體所作的功稱為“垂直反作用功”。如圖1所示，滑板受到垂直向上的力，但是它在水平方向上移動(dòng)了一段距離，所以拉力對(duì)滑板不做功。如果物體上力的方向與移動(dòng)距離的方向相同，力既不垂直也不在一條直線上，那么這個(gè)力對(duì)物體是有功的。但是，在使用公式W=Fs計(jì)算功的大小時(shí)，必須求出正確的“s”。這里的“s”指的是物體在力的作用方向上移動(dòng)的距離。距離的那部分，初中物理要求這里學(xué)生不多，只要知道這個(gè)情況，能解簡(jiǎn)單的題就行了。
There is when the of the force on the is to the of the .初中的時(shí)候叫“克服這里的力做功”（高中的“做功”分為“正功”和“負(fù)功”）。例如：重3N的物體沿如圖2所示的斜面的頂部由如下開始，物體受到的摩擦力為0.6N初中物理動(dòng)能和勢(shì)能，斜面長(zhǎng)2m，高1m，在從物體上方和向下移動(dòng)物體的過程中，分析各個(gè)力對(duì)物體所做的功。 First, the on the on the plane, which are , force and . The of the force is to the of the 's and does not do work. W支撐=0J；物體在豎直方向上下降的距離是h，重力做功，W重=Fs=Gh=3N×1m=3J；摩擦力方向與移動(dòng)距離方向正好相反，克服摩擦力做功W摩擦=Fs= fs=0.6N×2m=1.2J。
學(xué)生應(yīng)該熟悉不做功的三種情況：不做功（有力，但沿力的方向行進(jìn)的距離為零）；不做功（行進(jìn)的距離有，但沒有沿距離方向作用的力）；垂直無(wú)貢獻(xiàn)（有力且有距離，但力的方向和距離互相垂直）。
2. Power is a that how fast work is done. Here we pay to the "fast" and "how much". “快”有一定時(shí)間的意思。 More work per unit time (or a time) means work. Less work means work, so high power means work, low power means work.功率的定義為P=W/t。這個(gè)公式是初中唯一要求的，但你需要了解另一個(gè)推導(dǎo)公式 P=W/t =Fs/t=Fv，P=Fv 這個(gè)公式在初中階段的計(jì)算題中不能直接使用，跑步推導(dǎo)過程再使用初中物理動(dòng)能和勢(shì)能，其中v 是沿力F 方向的運(yùn)動(dòng)速度，單位使用“m/s”，功率單位為“W”。
3.使用公式時(shí)要注意單位的統(tǒng)一。
工作公式的摘要：w = fs = pt;
電源公式總結(jié)如下：
4. 動(dòng)能與勢(shì)能的劃分，分析機(jī)械能的轉(zhuǎn)換及機(jī)械能守恒
初中對(duì)能量概念的理解，需要從函數(shù)關(guān)系的角度去分析。能對(duì)外做功的物體就有能量。這里要明確，能對(duì)外做功是指物體有做功的能力但不一定在做功。比如山頂上靜止的一塊大石頭，它是沒有能量的。它在做功，但它有做功的能力，它就有能量。學(xué)生還應(yīng)該知道，物體能對(duì)外做的功越多，它的能量就越大。能對(duì)外做的功的多少就是衡量物體能量大小的尺度。同時(shí)對(duì)做功的過程也有了初步的認(rèn)識(shí)。它是不同形式能量相互轉(zhuǎn)化的過程。
通過分析質(zhì)量、速度、高度、彈性變形的變化，可以分析出動(dòng)能、重力勢(shì)能、彈性勢(shì)能的變化。機(jī)械能是動(dòng)能、重力勢(shì)能、彈性勢(shì)能的總稱，在分析能量轉(zhuǎn)換時(shí)，要注意一種形式的能量減少，另一種形式的能量增加，減少的能量就轉(zhuǎn)化為增加的能量。教材上關(guān)于機(jī)械能守恒定律給出的內(nèi)容是“如果只有動(dòng)能與勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化，但總的機(jī)械能不變”，但如何判斷機(jī)械能是否守恒呢？由于初中學(xué)習(xí)內(nèi)容的限制，常見的例子中，如果動(dòng)能與勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化（一個(gè)減少，一個(gè)增加），那么就看有沒有阻力（或者阻力是否做功）。這里的阻力指的是摩擦阻力或空氣阻力。受阻力克服阻力做功則機(jī)械能總量減少（部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，九年級(jí)講內(nèi)能時(shí)進(jìn)一步分析），不受阻力則機(jī)械能總量保持不變。
在復(fù)習(xí)題目的時(shí)候，要注意一些隱含的分析：
（1）判斷變化的速度大小，如從“勻速”→v不變、“加速（越來(lái)越快）”→v變大和“計(jì)量（剎）”→v減小；
（2）判斷高度的變化從“上升”→h變大、“下降（上升）”→h變小、“近地點(diǎn)”→h變小、“遠(yuǎn)地點(diǎn)”→h變大等；
（3）確定質(zhì)量的變化，如“發(fā)射救災(zāi)物資的飛機(jī)”、“灑水車”→m減少；
（4）確定能量的變化，如“平穩(wěn)”→沒有摩擦，“粗糙”→克服摩擦做功。
舉個(gè)例子，我們來(lái)分析一下圖中小球在擺動(dòng)過程中動(dòng)能與勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化。小球在擺動(dòng)過程中質(zhì)量不變，當(dāng)它從最高點(diǎn)A向最低點(diǎn)B運(yùn)動(dòng)時(shí)貝語(yǔ)網(wǎng)校，高度減小，速度增大，重力勢(shì)能減小，動(dòng)能增大，重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能。從B點(diǎn)向C點(diǎn)運(yùn)動(dòng)過程中，高度增大，速度減小，重力勢(shì)能增大，動(dòng)能減小，動(dòng)能轉(zhuǎn)換成重力勢(shì)能。忽略阻力（理想情況），機(jī)械能總量不變，C點(diǎn)高度與A點(diǎn)高度相同。但現(xiàn)實(shí)中C點(diǎn)高度比A點(diǎn)低，說(shuō)明機(jī)械能總量減少了，這是因?yàn)榭朔枇ψ隽斯?，將一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)換成了其他形式的能量（內(nèi)能）。
例如，當(dāng)孩子滑下滑梯時(shí)，高度降低，重力勢(shì)能減小，速度增大，動(dòng)能增大，重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。但由于孩子受到滑梯的摩擦阻力，必須克服阻力做功，因此機(jī)械能總量減少。這意味著減少的重力勢(shì)能一部分轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，另一部分轉(zhuǎn)化為其他形式的能力了（九年級(jí)會(huì)講轉(zhuǎn)化為人體滑梯的內(nèi)能）。
其次，該實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)是該實(shí)驗(yàn)在往年的高中入學(xué)考試中經(jīng)常出現(xiàn)。
實(shí)驗(yàn)推測(cè)：物體的動(dòng)能可能與物體的質(zhì)量、速度有關(guān)。
實(shí)驗(yàn)器材：不同質(zhì)量的鋼球，木塊，斜面，刻度尺。
鋼球是研究對(duì)象，我們用不同質(zhì)量的鋼球來(lái)探究動(dòng)能和質(zhì)量的關(guān)系，這里需要控制速度相同，此時(shí)我們利用第八章“阻力對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的影響”中的方法，讓不同質(zhì)量的鋼球以相同的速度運(yùn)動(dòng)。鋼球從靜止?fàn)顟B(tài)從同一坡度同一高度滾下，滾到水平面時(shí)的初速度相同，我們要研究的就是鋼球此時(shí)的動(dòng)能，鋼球動(dòng)能的大小如何表示呢？目前沒有工具可以直接測(cè)量能量，所以我們利用能量的概念（函數(shù)關(guān)系），鋼球能做的功越多，它原來(lái)的動(dòng)能就越大。用鋼球撞擊放在水平面上的木塊，鋼球的推力對(duì)木塊做功，木塊移動(dòng)的距離越長(zhǎng)，鋼球做的功就越多，也就是說(shuō)鋼球在撞擊木塊之前就具有了更多的動(dòng)能。所以木塊移動(dòng)的距離表示鋼球動(dòng)能的大小，這里用的是換算方法。多次實(shí)驗(yàn)使用同一塊木塊很重要，每次實(shí)驗(yàn)前木塊應(yīng)擺放在同一位置，水平面應(yīng)保持不變，并有一定的粗糙度（不同于“阻力對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的影響”實(shí)驗(yàn)）。如果是平滑的水平木塊運(yùn)動(dòng)，就無(wú)法進(jìn)行比較和得出結(jié)論。
在研究運(yùn)動(dòng)能力與速度的關(guān)系時(shí)，利用同一個(gè)鋼球控制質(zhì)量可靠性，每次讓鋼球從不同高度由靜止?jié)L下，改變鋼球運(yùn)動(dòng)到水平面時(shí)的速度。
記錄數(shù)據(jù)的形式可以設(shè)計(jì)為如下形式：
這里還需要提醒一下，設(shè)計(jì)表中要記錄原始數(shù)據(jù)，所以表中有鋼球下落高度一欄，但在總結(jié)結(jié)論中，應(yīng)該直接表述自變量（或稱恒定控制量）—速度。從一定高度下落，將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。本實(shí)驗(yàn)研究的是水平面上鋼球的動(dòng)能，所以結(jié)論必須直接表述為速度。結(jié)論：同樣質(zhì)量的物體，運(yùn)動(dòng)速度越大，運(yùn)動(dòng)速度越快，其動(dòng)能就越大；同樣速度的物體，質(zhì)量越大，動(dòng)??能就越大。
在中學(xué)的入學(xué)考試中，與重力勢(shì)能能量有關(guān)的實(shí)驗(yàn)問題是相同的。
例如：（2022）熱愛勞動(dòng)的津津在家學(xué)做天津特色菜“鐵缽缽魚”，不小心一個(gè)飲料瓶掉在松軟的玉米面團(tuán)上，在面團(tuán)上留下了深深的痕跡。他靈機(jī)一動(dòng)，用玉米面團(tuán)和盛有水的飲料瓶做了如圖所示的實(shí)驗(yàn)，以探究以下兩個(gè)問題。
問題1：壓力的影響與哪些因素有關(guān)
問題2：重力勢(shì)能的大小與哪些因素有關(guān)
（1）做實(shí)驗(yàn)①②③是探究問題一（選擇“問題1”或“問題2”）；
（2）利用實(shí)驗(yàn)④⑤探究重力勢(shì)能是否與質(zhì)量有關(guān)；
（3）《民法典》規(guī)定“禁止從建筑物上拋擲物品”，我們?cè)谌粘Ｉ钪?，必須杜絕“高處拋擲物品”，這種行為嚴(yán)重威脅公共安全?？梢苑治觥案咛帓仈S物品”危害性如此大的原因。對(duì)實(shí)驗(yàn)⑤⑥得出的結(jié)論進(jìn)行解釋，請(qǐng)寫出結(jié)論：物體的質(zhì)量越大，位置越高，重力勢(shì)能越大。
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