机械能及其转化

机械能包括动能和势能。我们来看一下机械能及其转化：

　　突破建议：

　　教材通过实例总结性地给出动能和势能可以相互转化。教学中，可以分别研究动能和重力势能的相互转化、动能和弹性势能的相互转化。

　　动能和重力势能的相互转化

　　滚摆和单摆两个实验是表现物体动能和重力势能之间相互转化的典型实例，可以组织学生分组实验，让学生关注物体的运动速度和高度的变化。因为这两个量的变化比较直观，例如摆球向下运动时，可以观察到速度增大，高度降低，由此学生就可以判断，物体的动能增加，重力势能减小。增加的动能是由减小的重力势能转化来的。

　　滚摆实验的优点在于能量转化的过程比较缓慢，摆轮高度变化明显、直观，摆轮转动快慢变化也能直接现察。实验中应充分发挥上述优点，为此要注意以下几点.

　　(1)摆轮的轴应相对细些，以减缓摆轮的升降速度。固定摆绳时，应穿过轴的横孔，不宜用缠绕的方法固定，以防打滑。

　　(2)要在摆轮的侧面某处涂上鲜明的颜色标志，便于观察摆轮速度的变化。

　　(3)摆轮应当边缘厚重，以增大转动惯量。

　　引导学生复述并分析实验中观察到的现象。开始释放摆轮时，摆轮在最高点静止，此时摆轮只有重力势能，没有动能。摆轮下降时其高度降低，重力势能减少。摆轮旋转着下降，而且越转越快，其动能越来越大。摆轮到最低点时，转动最快，动能最大。其高度最低，重力势能最小。在摆轮下降的过程中，其重力势能逐渐转化为动能。仿照摆轮下降过程的分析，得出摆轮上升过程中，摆轮的动能逐渐转化为重力势能。

　　对于单摆实验，由于实验过程中物体运动速度和高度的变化不易判断，实验时要注意要采取一些措施。比如实验摆绳宜长些，摆球宜重些。最好能挂在天花板上，使单摆在黑板前，平行于黑板振动，以便在黑板上记录摆球运动路线中左、右最高点和最低点的位置。分析单摆实验时，摆球高度的变化比较直观，而判断摆球速度大小的变化比较困难，可以从摆球在最高点前后运动方向不同，分析摆球运动到最高点时的速度为零，作为这一难点的突破口。顺便指出像单摆这种往复的运动，在物理学中叫做振动。

　　动能和弹性势能的相互转化

　　可以演示下图动能和弹性势能的转化实验。实验可分两步做。首先手持着木球将弹簧片推弯，而后突然释放木球，木球在弹簧片的作用下在水平槽内运动。让学生分析在此过程中，弹性势能转化为动能。第二步实验，让木球从斜槽上端滚下，让学生观察木球碰击弹簧片的过程。然后，依据下图，甲→乙图和乙→丙图分析动能转化为弹性势能和弹性势能转化为动能的过程。得出：动能和弹性势能也是可以相互转化的。

　　指出动能和弹性势能之间的相互转化，它可以发生在同一物体上，也可以发生在不同物体之间，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。

　　机械能守恒

　　通过对动能和势能相互转化的研究，可以发现动能或势能减小时不是凭空消失，而是转化成了另一种形式。引导学生分析滚摆上下运动的过程可知，滚摆上升高度减小是因为受到摩擦力的作用。如果没有摩擦，滚摆机械能的总量不会变化。通过一系列的研究可以知道，在动能和势能相互转化的过程中，如果没有机械能和其它形式的能量之间的相互转化，则机械能的总量保持不变，这就是机械能守恒定律。

　　水能和风能利用

　　能量的利用对人类生活有着巨大影响，能源的开发和利用是非常重要的社会问题，而机械能的利用有着悠久的历史，同时也是现代社会倡导的可再生的清洁能源。因此，在机械能的转化和守恒之后介绍了水能和风能的利用。另外“科学世界”栏目中的“人造地球卫星的机械能转化”是关于机械能守恒的好素材，可以拓展学生的视野。

　　自然界的流水和风都是具有大量机械能的天然资源，可以用来为人类服务。

　　修筑拦河坝可以提高坝前上游的水位，水位越高，水的重力势能就越大。这样水从坝上落下时转化成的动能就越大，水推动坝下方的水轮机转动，水轮机又带动发电机发电，水能最终转化为电能。

　　利用风能做功主要是靠风车，也可以用风车的转动带动发电机发电。利用风能不会有环境污染，但风能不稳定，不像拦河坝那样能把“风能”储存起来。