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能量是一种看不见摸不着却一直能感觉得到的神奇东西.人们把能量分成机械能、电能、光能、化学能等.各种形式的能量可以互相转化:机械能是最常见的一种能量.本文主要介绍一些生活中的机械能的转化.
机械能是动能与势能的总和,这里的势能分为重力势能和弹性势能.决定动能的是质量与速度;决定重力势能的是高度和质量;决定弹性势能的是劲度系数与形变量.动能与势能可相互转化.
一个物体可以既有动能,又有势能,例如,飞行中的飞机因为它在运动而具有动能,又因为它在高处而具有重力势能,把这两种能量加在一起,就得到它的总机械能.
动能和重力势能之间的相互转化
动能和重力势能之间的相互转化一般发生在物体只受重力作用下的运动过程中.例如下图用细线悬挂一个小球,把小球拉到某一高度松开,让小球自由摆动,观察小球在摆动过程中的情况,会发现:小球从最低点向上运动的过程中,速度逐渐变慢,高度逐渐增加,即动能逐渐减小,重力势能逐渐增加,动能转化为重力势能;达到最高点时,速度为零,动能为零,重力势能最大.
小球从最高点向下运动的过程中,高度逐渐减小,速度逐渐增加,即重力势能逐渐减小,动能逐渐增加,重力势能转化为动能;小球经过最低点时,速度最大,重力势能最小.
动能和弹性势能之间的相互转化
动能和弹性势能的相互转化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,皮球在恢复原状的过程中,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.
如图所示,某运动员做蹦床运动,我们来分析她从下落接触“蹦蹦床”到被弹起后上升的过程中能量的变化情况.该过程分三个阶段:(1)接触并压缩阶段.该运动员下落接触到蹦床之后,动能和重力势能都在减小,蹦床的弹性势能逐渐增大.蹦床被压缩到最大限度时,运动员的动能为零,弹性势能达到最大;(2)舒张并脱离阶段.蹦床的弹性势能减小,运动员的重力势能和动能增大;(3)上升阶段.运动员的动能减小,重力势能逐渐增大.所以,运动员下落接触到蹦床过程中,动能转化为弹性势能;蹦床舒张把运动员反弹起的过程中,弹性势能转化为运动员的动能;在上升过程中,运动员的动能转化为她的重力势能.
有人可能要问,运动员最后一定会停下来的,机械能肯定减少了,哪去了呢?同学们可以自己思考这个问题.
机械能和其他形式的能之间的转化
我们生活中的机械能转化不会是这么简单,不会只是动能与重力势能之间的相互转化,也不会只是动能和弹性势能之间的转化,应该是动能、重力势能、弹性势能和其他形式的能之间的转化,如上文提到的摆动中小球的动能转化为重力势能,重力势能再转化为动能,循环往复,如果没有阻力,小球会一直运动下去,即机械能的总量保持不变.但这只能是一种理想情况.事实上小球摆动高度会越来越小,最终停止,这是因为小球在运动过程中要克服空气阻力做功,一部分机械能转化为内能.所以,总的机械能不断减小,最终小球停止摆动.
如图所示是一种叫蹦极的游戏,游戏者将一根有弹性的绳子系在身上,另一端固定在高处,从高处跳下来.游戏者离开跳台至最低点的过程中机械能转化是怎样的呢?到最后停下来能量又是怎样转化的呢?
分析:在质量不变的情况下,动能的变化取决于速度的变化,从最高点到最低点,速度从慢到快,再到慢,所以游戏者的动能先变大后变小,到最低点时,动能为零;重力势能的变化取决于高度的变化,高度越来越低,故游戏者的重力势能一直在减小;弹性势能的变化取决于弹性形变的大小变化,从最高点到弹性绳自然下垂时绳下端的位置,绳子自然下垂,未发生弹性形变,故没有弹性势能.从弹性绳自然下垂时绳下端的位置到人所到达的最低点的位置,绳子发生了弹性形变,具有弹性势能,在最低点,绳子的形变最大,故绳子的弹性势能最大.
所以,游戏者离开跳台到最低点的过程中,重力势能一直在减小,动能先增大,后减小,到最低点,重力势能最小,动能为零,绳子的弹性势能最大.但最终停在某点,整个过程中都受到空气阻力,克服阻力做功,机械能减少了,转化为了内能.
有一种玩具小丑底部有弹簧,被压缩在盒子中,玩具盒未打开时,小丑底部的弹簧被压缩,具有弹性势能;当盒盖打开时,弹簧的弹性势能转化为小丑跳动的动能和重力势能.由于惯性,小丑跳动的高度超过弹簧的平衡位置,弹簧被拉长,小丑的动能和重力势能转化为弹簧的弹性势能,此弹性势能使小丑向下运动,弹簧又被压缩,如果没有阻力,小丑会一直上下跳动,机械能的总量保持不变.但由于小丑跳动过程中受到空气阻力,必然有一部分机械能转化为内能.因此,总的机械能会逐渐减小,最终小丑会停止跳动.
除了上述几种机械能之间的转化以及机械能和内能之间的转化外,生活中机械能转化的例子还有很多,比如机械能和电能之间的转化等,同学们可以自己仔细观察,认真研究一下.
机械能是动能与势能的总和,这里的势能分为重力势能和弹性势能.决定动能的是质量与速度;决定重力势能的是高度和质量;决定弹性势能的是劲度系数与形变量.动能与势能可相互转化.
一个物体可以既有动能,又有势能,例如,飞行中的飞机因为它在运动而具有动能,又因为它在高处而具有重力势能,把这两种能量加在一起,就得到它的总机械能.
动能和重力势能之间的相互转化
动能和重力势能之间的相互转化一般发生在物体只受重力作用下的运动过程中.例如下图用细线悬挂一个小球,把小球拉到某一高度松开,让小球自由摆动,观察小球在摆动过程中的情况,会发现:小球从最低点向上运动的过程中,速度逐渐变慢,高度逐渐增加,即动能逐渐减小,重力势能逐渐增加,动能转化为重力势能;达到最高点时,速度为零,动能为零,重力势能最大.
小球从最高点向下运动的过程中,高度逐渐减小,速度逐渐增加,即重力势能逐渐减小,动能逐渐增加,重力势能转化为动能;小球经过最低点时,速度最大,重力势能最小.
动能和弹性势能之间的相互转化
动能和弹性势能的相互转化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,皮球在恢复原状的过程中,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.
如图所示,某运动员做蹦床运动,我们来分析她从下落接触“蹦蹦床”到被弹起后上升的过程中能量的变化情况.该过程分三个阶段:(1)接触并压缩阶段.该运动员下落接触到蹦床之后,动能和重力势能都在减小,蹦床的弹性势能逐渐增大.蹦床被压缩到最大限度时,运动员的动能为零,弹性势能达到最大;(2)舒张并脱离阶段.蹦床的弹性势能减小,运动员的重力势能和动能增大;(3)上升阶段.运动员的动能减小,重力势能逐渐增大.所以,运动员下落接触到蹦床过程中,动能转化为弹性势能;蹦床舒张把运动员反弹起的过程中,弹性势能转化为运动员的动能;在上升过程中,运动员的动能转化为她的重力势能.
有人可能要问,运动员最后一定会停下来的,机械能肯定减少了,哪去了呢?同学们可以自己思考这个问题.
机械能和其他形式的能之间的转化
我们生活中的机械能转化不会是这么简单,不会只是动能与重力势能之间的相互转化,也不会只是动能和弹性势能之间的转化,应该是动能、重力势能、弹性势能和其他形式的能之间的转化,如上文提到的摆动中小球的动能转化为重力势能,重力势能再转化为动能,循环往复,如果没有阻力,小球会一直运动下去,即机械能的总量保持不变.但这只能是一种理想情况.事实上小球摆动高度会越来越小,最终停止,这是因为小球在运动过程中要克服空气阻力做功,一部分机械能转化为内能.所以,总的机械能不断减小,最终小球停止摆动.
如图所示是一种叫蹦极的游戏,游戏者将一根有弹性的绳子系在身上,另一端固定在高处,从高处跳下来.游戏者离开跳台至最低点的过程中机械能转化是怎样的呢?到最后停下来能量又是怎样转化的呢?
分析:在质量不变的情况下,动能的变化取决于速度的变化,从最高点到最低点,速度从慢到快,再到慢,所以游戏者的动能先变大后变小,到最低点时,动能为零;重力势能的变化取决于高度的变化,高度越来越低,故游戏者的重力势能一直在减小;弹性势能的变化取决于弹性形变的大小变化,从最高点到弹性绳自然下垂时绳下端的位置,绳子自然下垂,未发生弹性形变,故没有弹性势能.从弹性绳自然下垂时绳下端的位置到人所到达的最低点的位置,绳子发生了弹性形变,具有弹性势能,在最低点,绳子的形变最大,故绳子的弹性势能最大.
所以,游戏者离开跳台到最低点的过程中,重力势能一直在减小,动能先增大,后减小,到最低点,重力势能最小,动能为零,绳子的弹性势能最大.但最终停在某点,整个过程中都受到空气阻力,克服阻力做功,机械能减少了,转化为了内能.
有一种玩具小丑底部有弹簧,被压缩在盒子中,玩具盒未打开时,小丑底部的弹簧被压缩,具有弹性势能;当盒盖打开时,弹簧的弹性势能转化为小丑跳动的动能和重力势能.由于惯性,小丑跳动的高度超过弹簧的平衡位置,弹簧被拉长,小丑的动能和重力势能转化为弹簧的弹性势能,此弹性势能使小丑向下运动,弹簧又被压缩,如果没有阻力,小丑会一直上下跳动,机械能的总量保持不变.但由于小丑跳动过程中受到空气阻力,必然有一部分机械能转化为内能.因此,总的机械能会逐渐减小,最终小丑会停止跳动.
除了上述几种机械能之间的转化以及机械能和内能之间的转化外,生活中机械能转化的例子还有很多,比如机械能和电能之间的转化等,同学们可以自己仔细观察,认真研究一下.