第 4 讲 认识动能和势能
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课程标准 课标解读
1.物体能够对物体做功，我们就说这个物体具有能量或
1.了解什么叫能量； 者能；
2.知道什么叫动能、重力势能和弹性势能； 2.（1）动能：物体由于运动而具有的能；
3.理解动能、重力势能和弹性势能的影响 （2）重力势能：被举高的物体而具有的能量；
因素； （3）弹性势能：物体由于发生形变而具有的能量。
4.理解机械能之间的相互转化解释生活中 3.（1）动能的影响因素:质量和速度；
的一些现象。 （2）重力势能影响因素：质量和高度；
（3）弹性势能影响因素：物体的形变程度。
知识精讲
知识点 01 什么是能
1.能量的定义：物体能够对物体做功，我们就说这个物体具有能量或者能。
2.能量的单位就是功的单位，国际单位用焦耳来表达符号J。
3.能量属于一个广泛的词语，生活中能的形式多种多样例如，动能、重力势能、弹性势能、光能、热能、电
能、风能、核能、水能、化学能等等，通常这些能都用符号 W 来表达。
【即学即练 1】下列关于能量的说法，正确的是（ ）
A．在物体的弹性形变范围内，形变越大，它具有的弹性势能越小
B．滚摆在下降时，它的重力势能越来越小，动能也越来越小
C．水量大的地方水能一定大
D．自然界的流水是具有大量机械能的天然资源
【答案】D
【解析】A．弹性势能与弹性形变程度有关，在物体的弹性形变范围内，形变越大，它具有的弹性势能越大，
故 A 错误；
B．滚摆在下降时，高度减小，它的重力势能越来越小，速度增大，动能也越来越大，故 B 错误；
C．水能属于机械能，还与速度、高度有关，水量大的地方水能不一定大，故 C 错误；
D．水能属于机械能，自然界的流水是具有大量机械能的天然资源，故 D 正确。
故选 D。
知识点 02 动能的大小跟哪些因素有关
图示为探究“物体动能的大小跟哪些因素有关”的实验。实验步骤如下：
Ⅰ.让同一钢球从斜面上不同的高度由静止滚下，观察木块被撞击后移动的距离。
Ⅱ.让不同质量的钢球从斜面上相同的高度由静止滚下，观察木块被撞击后移动的距离。
回答下列问题：
(1)步骤Ⅰ是为了研究动能大小与速度的关系。
( 2)步骤Ⅱ是为了研究动能大小与质量的关系。
(3)该实验中斜面的作用是为了控制钢球速度的大小，木块的作用是为了比较钢球动能的大小。[来源:学科
【即学即练 2】如图所示，在探究“物体动能的大小与什么因素有关”的实验中，将同一小钢球 A 从斜面上不
同高度由静止滚下，推动木块 B 向前移动一段距离。
（1）该实验中物体的动能是指物体_________（选填“A”或“B”）的动能，该动能是由________能转化而来
的；
（2）通过观察木块 B 移动距离的长短来判断小球动能的大小，利用的研究方法是________（选填“控制变
量法”或“转换法”）；
（3）将小球 A 放在同一斜面_________（选填“相同”或“不同”）高度由静止释放，目的是使小球在撞击木
块 B 时速度不同。根据实验现象，可以得出的结论是：质量相同的物体，________，动能越大；
（4）钢球碰到木块并一起运动的过程中，由于木块受到___________的作用，钢球和木块运动一段距离后
停下来，说明力可以改变物体的___________。
【答案】 A 重力势 转换法 不同 速度越大 摩擦力 运动状态
【解析】（1）[1][2]该实验研究的主体是物体 A，研究的是物体 A 动能的大小与速度和质量的关系；物体 A
从斜面上滚下时，物体 A 的重力势能减小，动能增大，所以由物体的重力势能转化为动能。
（2）[3]实验中通过观察木块 B 移动的距离长短，来判断小球动能的大小，这里用到的物理学研究问题的方
法是转换法。
（3）[4][5]将同一小球从同一斜面的不同高度由静止滑下，小球到达斜面底部时的速度不同，撞击木块后木
块移动的距离不同，通过实验现象可以得出结论：质量相同的物体，速度越大，动能越大。
（4）[6] 由于接触面不光滑，钢球碰到木块并一起运动过程中，木块受到摩擦力的作用。由于木块受到摩
擦力的作用，最后停下来。
[7]力有两个作用效果：①力可以改变物体的形状；②力可以改变物体的运动状态。钢球和木块运动一段距
离后停下来，说明力可以改变物体的运动状态。
知识点 03 重力势能的大小与哪些因素有关
1.重力势能定义：被举高的物体具有的能叫做重力势能；
2.重力势能的影响因素：质量和高度。
3.重力势能的实验
（1）重力势能的实验方法：转换法和控制变量法；
（2）如何观察物体重力势能大小：通过观察物体下落后沙盘的凹陷程度或者通过观察物体下落后沙盘的形
变程度；
（3）结论：当物体高度相同时，质量越大，物体重力势能越大；当物体质量相同时，高度越大，物体重力
势能越大。
注意：在表达动能实验结论时，要运用本实验的实验方法控制变量法来表达。
【即学即练 3】已知重力势能的大小与物体的质量和高度有关。在“探究重力势能的大小与高度的关系”时，
所用的实验器材有：金属球、尖腿小桌、细沙和塑料盆。实验装置如图。
（1）本实验研究的对象是________（选填“金属球”、“小桌”或“细沙”）；
（2）释放金属球时，应使金属球由“静止”开始下落。其目的是：________；
（3）将金属球分别从三个不同高度由静止释放，发现金属球释放时的位置越高，撞击小桌后，小桌的桌腿
陷入细沙中越深。由此可见：质量相同时，位置越高，物体能够做的功越________，在高处时具有的重力
势能越________；
（4）若将金属球分别从三个不同高度由静止释放，撞击小桌后，发现每次小桌的桌腿都全部陷入细沙中。
在不更换器材的条件下，应采取的改进措施是________。
【答案】 金属球 使小球的初始动能为零 多 大 适当降低三次释放金属球的高度
【解析】（1）[1]该实验可通过判断桌腿陷入细沙的深度来判断金属球重力势能的大小，故本实验研究的对
象是金属球。
（2）[2]释放金属球时，应使金属球由“静止”开始下落。静止时，金属球的速度为零，而金属球的动能与质
量、速度有关，质量不变，速度为零，动能为零，故其目的是使小球的初始动能为零。
（3）[3][4]将金属球分别从三个不同高度由静止释放，发现金属球释放时的位置越高，高度越高，金属球的
重力势能就越大，撞击小桌后，小桌的桌腿陷入细沙中越深；反之，高度越低，金属球的重力势能就越小，
撞击小桌后，小桌的桌腿陷入细沙中就越浅。由此可见：质量相同时，位置越高，物体能够做的功越多，
在高处时具有的重力势能越大。
（4）[5]若将金属球分别从三个不同高度由静止释放，撞击小桌后，发现每次小桌的桌腿都全部陷入细沙中，
由此可见，高度相对小的金属球在高处具有的重力势能也很大，因此，可以把释放金属球的高度降低一点，
以达到更好的实验效果。故在不更换器材的条件下，应采取的改进措施是，适当降低三次释放金属球的高
度。
知识点 04 机械能的转化
1．物体具有的动能与势能是可以相互转化的。有摩擦等阻力时，在动能与势能的相互转化中，机械能会减
小。
2．如图所示，荡秋千时，秋千从最低点荡到最高点时，动能转化为重力势能；从最高点荡到最低点时，重
力势能转化为动能。
3．高空抛物现象被称为“悬在城市上空的痛”。据报道：一个 30g 的鸡蛋从 18 楼抛下来就可以砸破行人的头
骨，从 25 楼抛下可使人当场死亡。由此可知，鸡蛋的重力势能与高度有关，下落过程是将重力势能转化为
动能。
4．如图所示，人在推开弹簧门的过程中，弹簧由于发生弹性形变而具有弹性势能，当松手后弹簧门自动关
闭的过程中，它的弹性势能转化为门的动能。
5．简要回答有关水电站的下列问题：
(1)从能量转化的角度说明水电站的工作原理；
(2)如图所示，建设水电站选址时，从能量利用角度来看，你将选择图甲的地址还是图乙的地址？并说明理
由。
答：(1)水的机械能转化为电能；(2)选择乙图中的地址，能量转化较多，发电量大。
【即学即练 4】跳台滑雪是北京冬奥会的重要项目之一、如图所示，跳台滑雪赛道由助滑道 AB、着陆坡
BC、停止区 CD 三部分组成。比赛中，运动员从 A 点由静止开始下滑，运动到 B 点后水平飞出，落在着陆
坡末端的 C 点，滑入停止区后，在与 C 点等高的 D 点速度减为零。若不计空气阻力，则运动员（ ）
A．位于 C 点和 D 点时的动能相等
B．从 B 点到 C 点的过程中，机械能不守恒
C．从 B 点到 C 点的过程中，重力势能转化为动能
D．从 A 点到 B 点的过程中，动能转化为重力势能
【答案】C
【解析】A．到达 C 点时有速度，而 D 点时速度为 0，位于 C 点时有动能，D 点时动能为 0，所以 C、D 点
时的动能不相等，故 A 不符合题意；
B、不计空气阻力，只有重力做功，所以运动员从 B 点滑到 C 点的过程中，机械能守恒，故 B 不符合题意；
C．从 B 点到 C 点的过程中，质量不变，高度变小，速度变大，则其重力势能减少，动能增大，重力势能
转化为动能，故 C 符合题意；
D．从 A 点到 B 点的过程中，质量不变，高度变小，速度变大，则其重力势能减少，动能增大，重力势能
转化为动能，故 D 不符合题意。
故选 C。
能力拓展
考法 01 机械能之间的相互转化
【典例 1】北京时间 2022 年 4 月 16 日 0 时 44 分，神舟十三号载人飞船与空间站成功分离，航天员翟志刚、
王亚平、叶光富在空间站组合体工作生活了 183 天，刷新了中国航天员单次飞行任务太空驻留时间的纪录。
飞船返回时进入大气层，在距地面约 10 千米的高空开伞，最终成功着陆。在飞船高空开伞匀速下落过程中
下列说法不正确的是（ ）
A．飞船的机械能守恒
B．飞船的动能不变
C．飞船受平衡力的作用
D．飞船的重力势能减小
【答案】A
【解析】A．在飞船高空开伞匀速下落过程中，动能不变，重力势能减小，机械能不守恒，故 A 不正确，
符合题意；
B．在飞船高空开伞匀速下落过程中，因为匀速，速度大小不变，质量不变，因此动能不变，故 B 正确，不
符合题意；
C．因为是匀速下落，所以飞船受到的是平衡力的作用，故 C 正确，不符合题意；
D．因为与地面的高度减小，质量不变，因此飞船的重力势能减小，故 D 正确，不符合题意。
故选 A。
考法 02 探究重力势能的大小与哪些因素有关
【典例 2】如图所示，在探究物体的动能跟哪些因素有关的实验中：
（1）将钢球 A 分别从斜面不同高度处由静止释放，撞击水平面上的木块 B。这是为了探究物体的动能大小
与_________（选填“速度”或“质量”）的关系；
（2）实验中通过比较_________来比较钢球动能大小；
（3）将钢球 A 和一个乒乓球（质量小于钢球）分别从斜面同一高度处由静止释放，撞击水平面上的木块
B。实验发现：钢球撞击木块时，木块移动了一段距离；乒乓球撞击木块时，木块仍保持静止。该实验_________
（选填“能”或“不能”）初步说明物体的动能跟物体的质量有关；
（4）下表是几组实验数据，分析数据初步得到：在质量和速度两种因素中，_________对动能影响更大。
实验次 钢球质量 钢球释放高度 钢球撞击木块时的速度 木块移动的距离
数 /g /cm /m·s-1 /cm
1 100 10 1.32 15.2
2 100 20 1.85 30.1
3 200 10 1.31 30.0
【答案】 速度 木块 B 移动的距离 能 速度
【解析】（1）[1]将钢球 A 分别从斜面不同高度处由静止释放，撞击水平面上的木块 B。从不同高度释放，
物体下滑到水平面时速度大小不同，所以这是为了探究物体的动能大小与速度的关系。
（2）[2]用钢球 A 撞击水平面上的木块 B，观察到的实验结果是木块 B 移动的距离，所以实验中通过比较
木块 B 移动的距离来比较钢球动能大小。
（3）[3]将钢球 A 和一个乒乓球（质量小于钢球）分别从斜面同一高度处由静止释放，撞击水平面上的木块
B。实验发现：钢球撞击木块时，木块移动了一段距离；乒乓球撞击木块时，木块仍静止。该实验中变量为
物体的质量，能初步说明物体的动能跟物体的质量有关。
1.85m / s
（4）[4]由实验 1、2 可知，当物质质量一致，释放高度实验 2 是实验 1 的 2 倍时，速度相差 1.4
1.32m / s
倍，实验 2 木块移动的距离为 30.1cm。由实验 1、3 可知，当释放高度一致（即速度基本一致），物体质量
实验 3 是实验 1 的 2 倍时，实验 3 木块移动的距离为 30.0cm。分析数据初步得到：在质量和速度两种因素
中，速度对动能影响更大。
分层提分
题组 A 基础过关练
1.如图所示是小扬玩排球的一个场景，不考虑空气的阻力，排球离开手在空中飞行的过程中，下列说法正确
的是（ ）
A．不再受任何力的作用 B．受到重力和推力的作用
C．动能逐渐减小 D．机械能不变
【答案】D
【解析】A．排球离开手后，受到重力的作用会向下落，故 A 错误；
B．排球在空气中运动时，与手脱离，手对排球没有推力作用，不考虑空气的阻力，排球只受重力，故 B 错
误；
C．排球在空中先上升后下落，在上升过程中，重力势能增大，动能减少，在下落过程中，重力势能减少，
动能增大，故 C 错误；
D．不考虑空气的阻力，排球离开手在空中飞行的过程中，只存在动能和势能相互转化，机械能不变，故 D
正确。
故选 D。
2.2021 年 7 月 30 日，中国蹦床运动员朱雪莹和刘灵玲包揽了东京奥运会女子蹦床金银牌，为国争了光。比
赛中朱雪莹先被蹦床弹起上升到最高点，之后从最高点下落直至将蹦床压缩到最低点。在此过程中，有关
朱雪莹机械能变化的说法正确的是（ ）
A．在空中上升过程中，她的动能转化为重力势能
B．在最高点她的动能最大
C．下落到将与床面接触时，她的动能为零
D．蹦床被压缩到最低点时，她的重力势能最大
【答案】A
【解析】A．在空中上升过程中，运动员的质量不变，速度变小，高度升高，动能减少，重力势能增大，是
动能转化为重力势能，故 A 正确；
B．在最高点，运动员的速度为 0，动能为 0，故 B 错误；
C．在空中下落时，重力势能转化为动能，所以与床面接触时，动能不为 0，故 C 错误；
D．运动员上升到最高点时，高度最高，重力势能最大，蹦床被压缩到最低点时，弹性形变最大，床具有的
弹性势能最大，故 D 错误。
故选 A。
3.如图所示，轻质弹簧一端固定，另一端连接一小木块，O 点为弹簧在原长时物块的位置。木块由 A 点静止
释放沿粗糙程度相同的水平面向右运动，最远到达 B 点。在从 A 到 B 的过程中，弹簧的弹性势能________，
弹簧和木块的机械能________（填变化情况）。
【答案】 先减小后增大 减小
【解析】[1]木块由 A 点静止释放沿粗糙程度相同的水平面被弹簧推着向右运动，到达 O 点时，弹簧的弹性
势能转化成木块的动能，弹簧的弹性势能减小，O 点是弹簧原长时木块的位置，此时弹簧的弹性势能为 0；
木块到达 O 点后由于惯性继续向右运动，所以弹簧逐渐被拉伸，弹性势能逐渐变大，所以弹簧的弹性势能
先减小后增大。
[2]木块在从 A 到 B 的过程中，物块克服摩擦做功，一部分机械能转化为内能，所以弹簧和木块的机械能减
小。
题组 B 能力提升练
1.北京冬奥会的赛场上，中国选手谷爱凌在自由式滑雪 U 型场地比赛中获得 95.25 分，刷新了 U 型场地技
巧比赛的历史最高纪录。如图所示，若把运动员和滑板当做一个整体，用“小方块”表示。当运动员沿着 U
形赛道斜面向上滑时，在图中作出“小方块”所受的支持力和摩擦力的示意图___________。运动员从 U 形赛
道的最低端向上滑的过程中，动能 ___________，重力势能 ___________，机械能 ___________。（以上三
空均选填：“变大”“变小”“不变”）
【答案】 变小 变大 变小
【解析】[1]运动员沿着 U 形赛道斜面向上滑时，摩擦力方向沿斜面向下，支持力方向垂直于斜面向上，两
个力都等效作用在物体重心上。
[2]运动员从 U 形赛道的最低端向上滑的过程中，速度减小，则动能减小。
[3]运动员从 U 形赛道的最低端向上滑的过程中，高度变大，则重力势能增加。
[4]运动员在滑动过程中会受到摩擦阻力的作用，一部分机械能转化为内能，则机械能减小。
2.抽水蓄能电站的工作原理是：用电低谷时，电站利用电网多余的电能把水抽到高处蓄水库（上水库）中：
用电高峰时，再利用蓄水库中的水发电。某地拟建一座抽水蓄能电站，如图是该项工程所在地的等高线地
形图。
（1）专家们经过研究，决定将蓄水库建在图甲中左边的高地上，原因是 _____；
（2）施工中应选择线路 _____（选填“AB”或“CD”）作为输送建筑材料的线路。理由：_____。
【答案】 答案见解析 CD 答案见解析
【解析】[1]专家们经过研究，决定将蓄水库建在图甲中左边的高地上，左边高地地势相对较高，蓄水库注
水后，水储存的重力势能更多，流下时转化更多的动能，从而转化更多的电能。
[2][3]根据该项工程所在地的等高线地形图可知，两条线路竖直高度相同，施工中应选择线路 CD 作为输送
建筑材料的线路。理由： CD 的距离大于 AB 的距离，因为斜面越长（坡度越小）、越省力，所以选择 CD
线路上山会更省力。
3.小萌同学利用甲图探究“物体的弹性势能的大小与弹性形变程度的关系”。将弹簧和金属球（球上有一直小
孔）套在铁架台的金属杆 AB（足够长）上面，每次将小球压缩弹簧后松手。
实验次数 弹簧压缩量 x（cm） 上升的高度 h（cm）
1 1.00 1.50
2 2.00 6.00
3 3.00 13.50
4 4.00 24.00
5 5.00
（1）压缩的弹簧可以将小球向上弹起，说明发生 _____的物体具有弹性势能；
（2）实验时每次将弹簧压缩 _____（填“相同”或“不同”）的长度，分析比较 ___（“小球第一次弹起的高
度”、“小球最终静止时的高度”或“任意某一次的弹起高度”），从而比较弹簧的弹性势能大小；
（3）当压缩的弹簧 x=5.00cm 时，小球离开弹簧后继续向上运动，达到最高点 H 时，弹性势能全部转化为
_____能。小萌记录小球的高度随时间变化的情况如图乙所示。在整个过程中，小球在“t1”、“t2”、“t3”时刻
的动能最大的是 _____时刻；
（4）上表中的数据是小萌同学的实验记录。分析数据后发现弹簧的弹性势能 E 与压缩量 x _____正比（选
填“成”或“不成”），表格中第 5 次实验小球上升的高度应为 _____cm。
【答案】 形变 不同 小球第一次弹起的高度 重力势 t1 不成 37.50
【解析】（1）[1]压缩的弹簧可以将小球向上弹起，则压缩的弹簧可对小球做功，说明弹性形变的物体具有
弹性势能。
（2）[2]本实验探究“物体的弹性势能的大小与弹性形变程度的关系”，根据控制变量法，故实验时每次将弹
簧压缩不同的长度。
[3]本实验中，通过小球上升高度反映弹簧弹性势能的大小；小球离开弹簧后可以继续向上运动，但是小球
每一次反弹的高度逐渐变小，因此实验时分析比较小球第一次弹起的高度，从而比较弹性势能的大小。
（3）[4]当压缩的弹簧 x=5.00cm 时，小球离开弹簧后继续向上运动，达到最高点 H 时，速度为 0，动能为
0，因高度最大，小球的重力势能最大，弹性势能全部转化为重力势能。
[5]小萌记录小球的高度随时间变化的情况如图乙所示。小球离开弹簧后可以继续向上运动，但是小球每一
次反弹的高度逐渐变小，因为有空气阻力，在此过程中小球的机械能转化为内能；在整个过程中小球的动
能不断减小，所以动能最大时是在 t1时刻。
（4）[6]由表中数据知：当压缩量由 1.00cm 变为 2.00cm 时，压缩量是原来的 2 倍，而反映弹簧弹性势能大
小的小球的高度从 1.50cm 变成了 6.00cm，是原来的 4 倍，所以弹簧的弹性势能 E 与压缩量 x 不成正比。
[7]当压缩量由 1.00cm 变为 3.00cm 时，压缩量是原来的 3 倍，而反映弹簧弹性势能大小的小球的高度从
13.50cm
1.50cm 变成了 13.50cm 2，是原来的 = 9 = 3 倍；当压缩量由 1.00cm 变为 4.00cm 时，压缩量是原来
1.50cm
24.00cm 2
的 4 倍，而反映弹簧弹性势能大小的小球的高度从 1.50cm 变成了 24.00cm，是原来的 =16 = 4
1.50cm
倍，……，故弹簧的弹性势能 E 应该与压缩量 x 的平方成正比，表格中第 5 次实验中压缩量由 1.00cm 变为
5.00cm，压缩量变为 5 倍，所以反映弹簧弹性势能大小的小球的高度应是原来的 52倍，所以小球上升的高
度应为
h=1.50cm×25=37.50cm
题组 C 培优拔尖练
1.小羽同学做单摆实验，如图所示。摆球由最高点向最低点摆动时，机械能转化的情况是_________，同时
小羽发现在摆动的过程中，摆的高度会逐渐变低，因为机械能_________（选填“增大”“减小”或“不变”）。当
摆球摆到最低点时，如果细绳断开且所有力消失，则小球将_________（填写小球的运动状态）。
【答案】 重力势能转化为动能 减小 匀速直线运动
【解析】[1]摆球由最高点向最低点摆动时，高度变小，故重力势能变小，速度变大，故动能变大，故重力
势能转化为动能。
[2]小羽发现在摆动的过程中，摆的高度会逐渐变低，因为需要克服阻力做功，故机械能减小。
[3]摆球摆到最低点时，摆球具有水平方向的速度，如果细绳断开且所有力消失，小球将由于惯性继续向前
运动，一直做匀速直线运动。
2.如图所示：在 A 点，将同一小球分别沿竖直和水平方向抛出，每次抛出时的速度大小相等，它的机械能数
据如下表所示。（忽略空气作用力）
重力势能/J 动能/J
A 点 0.8 0.4
（1）第 1 次实验：小球竖直向上运动的过程中，_____能转化为_____能，小球在最高处的机械能为_____J；
（2）第 1 次实验：小球第一次经过 B 点的速度为 v1，第 2 次实验：小球经过 C 点（与 B 点等高）的速度为
v2，则：v1_____v2（选填“＜”“＝”“＞”）。
【答案】 动 重力势 1.2 =
【解析】（1）[1][2][3]小球竖直向上运动的过程中，小球的质量不变，速度变小，动能变小；高度变大，重
力势能变大，小球的动能转化为重力势能；不计空气阻力，小球的机械能守恒，保持不变，所以小球在最
高处的机械能等于在 A 处的机械能，为
E = 0.8J + 0.4J＝1.2J
（2）[4]C 与 B 点同高，小球的质量不变，由于整个过程中小球的机械能是守恒的，小球在 B、C 点的重力
势能相同，所以动能相同，速度也相同。
3．在学习了弹性势能的物理知识之后小丽想自己设计实验探究弹簧的弹性势能可能与哪些因素有关，实验
前她先提出了以下猜想：
猜想一：弹性势能的大小与弹簧被压缩的程度有关；
猜想二：弹性势能的大小与弹簧的粗细有关。
为实验探究小丽准备了多根弹簧，还有小球、木块和长刻度尺。请你帮助小丽一起完成下面的实验。
（1）在验证猜想一时，小丽用同一根弹簧设计了如图甲、乙所示的实验。实验中弹性势能的大小可以间接
比较 ___________来实现，这里用到了研究方法叫 ___________。
（2）为验证猜想二，需选用粗细 ___________的两根弹簧，将两根弹簧压缩 ___________（均填“相同”或“不
同”）的长度，再让小球碰到同一位置的相同木块比较木块运动的距离来得出结论。
（3）如图丙所示，为更好地研究弹性势能与动能的之间的转化，小丽将弹簧的左端固定，右端连接小球，
把它们套在光滑的水平杆上，a 点是压缩弹簧后小球静止释放的位置，b 点是弹簧原长的位置，c 点是小球
到达最右端的位置。则小球由 a 点运动到 c 点的过程中小球速度最大的位置是 ___________（选填“a”“b”或
“c”）。由 a 点运动到 b 点的过程中能量转化的过程是 ___________。
【答案】 木块被推动的距离 转换法 不同 相同 b 弹性势能转化为动能
【解析】（1）[1][2]由于弹性势能的大小不便用仪器测量，该实验中把弹性势能的大小转换为观察木块被推
动的距离，这种研究方法叫转换法。
（2）[3][4]探究弹性势能的大小与弹簧的粗细有关时，同一根弹簧的形变是相同，粗细不同，故应选用粗细
不同的两根弹簧，将两根弹簧压缩相同的长度。
（3）[5]由于接触面是光滑的，所以不存在摩擦，此时弹性势能与小球的动能的和保持不变，当动能最大时，
弹性势能是最小的，当弹簧位于 b 点时处于原长状态，此时弹性势能最小，故此时的动能是最大的。第 4 讲 认识动能和势能
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课程标准 课标解读
1.物体能够对物体做功，我们就说这个物体具有能量或
1.了解什么叫能量； 者能；
2.知道什么叫动能、重力势能和弹性势能； 2.（1）动能：物体由于运动而具有的能；
3.理解动能、重力势能和弹性势能的影响 （2）重力势能：被举高的物体而具有的能量；
因素； （3）弹性势能：物体由于发生形变而具有的能量。
4.理解机械能之间的相互转化解释生活中 3.（1）动能的影响因素:质量和速度；
的一些现象。 （2）重力势能影响因素：质量和高度；
（3）弹性势能影响因素：物体的形变程度。
知识精讲
知识点 01 什么是能
1.能量的定义：物体能够对物体做功，我们就说这个物体具有能量或者能。
2.能量的单位就是功的单位，国际单位用焦耳来表达符号J。
3.能量属于一个广泛的词语，生活中能的形式多种多样例如，动能、重力势能、弹性势能、光能、热能、电
能、风能、核能、水能、化学能等等，通常这些能都用符号 W 来表达。
【即学即练 1】下列关于能量的说法，正确的是（ ）
A．在物体的弹性形变范围内，形变越大，它具有的弹性势能越小
B．滚摆在下降时，它的重力势能越来越小，动能也越来越小
C．水量大的地方水能一定大
D．自然界的流水是具有大量机械能的天然资源
【答案】D
【解析】A．弹性势能与弹性形变程度有关，在物体的弹性形变范围内，形变越大，它具有的弹性势能越大，
故 A 错误；
B．滚摆在下降时，高度减小，它的重力势能越来越小，速度增大，动能也越来越大，故 B 错误；
C．水能属于机械能，还与速度、高度有关，水量大的地方水能不一定大，故 C 错误；
D．水能属于机械能，自然界的流水是具有大量机械能的天然资源，故 D 正确。
故选 D。
知识点 02 动能的大小跟哪些因素有关
图示为探究“物体动能的大小跟哪些因素有关”的实验。实验步骤如下：
Ⅰ.让同一钢球从斜面上不同的高度由静止滚下，观察木块被撞击后移动的距离。
Ⅱ.让不同质量的钢球从斜面上相同的高度由静止滚下，观察木块被撞击后移动的距离。
回答下列问题：
(1)步骤Ⅰ是为了研究动能大小与速度的关系。
( 2)步骤Ⅱ是为了研究动能大小与质量的关系。
(3)该实验中斜面的作用是为了控制钢球速度的大小，木块的作用是为了比较钢球动能的大小。[来源:学科
【即学即练 2】如图所示，在探究“物体动能的大小与什么因素有关”的实验中，将同一小钢球 A 从斜面上不
同高度由静止滚下，推动木块 B 向前移动一段距离。
（1）该实验中物体的动能是指物体_________（选填“A”或“B”）的动能，该动能是由________能转化而来
的；
（2）通过观察木块 B 移动距离的长短来判断小球动能的大小，利用的研究方法是________（选填“控制变
量法”或“转换法”）；
（3）将小球 A 放在同一斜面_________（选填“相同”或“不同”）高度由静止释放，目的是使小球在撞击木
块 B 时速度不同。根据实验现象，可以得出的结论是：质量相同的物体，________，动能越大；
（4）钢球碰到木块并一起运动的过程中，由于木块受到___________的作用，钢球和木块运动一段距离后
停下来，说明力可以改变物体的___________。
【答案】 A 重力势 转换法 不同 速度越大 摩擦力 运动状态
【解析】（1）[1][2]该实验研究的主体是物体 A，研究的是物体 A 动能的大小与速度和质量的关系；物体 A
从斜面上滚下时，物体 A 的重力势能减小，动能增大，所以由物体的重力势能转化为动能。
（2）[3]实验中通过观察木块 B 移动的距离长短，来判断小球动能的大小，这里用到的物理学研究问题的方
法是转换法。
（3）[4][5]将同一小球从同一斜面的不同高度由静止滑下，小球到达斜面底部时的速度不同，撞击木块后木
块移动的距离不同，通过实验现象可以得出结论：质量相同的物体，速度越大，动能越大。
（4）[6] 由于接触面不光滑，钢球碰到木块并一起运动过程中，木块受到摩擦力的作用。由于木块受到摩
擦力的作用，最后停下来。
[7]力有两个作用效果：①力可以改变物体的形状；②力可以改变物体的运动状态。钢球和木块运动一段距
离后停下来，说明力可以改变物体的运动状态。
知识点 03 重力势能的大小与哪些因素有关
1.重力势能定义：被举高的物体具有的能叫做重力势能；
2.重力势能的影响因素：质量和高度。
3.重力势能的实验
（1）重力势能的实验方法：转换法和控制变量法；
（2）如何观察物体重力势能大小：通过观察物体下落后沙盘的凹陷程度或者通过观察物体下落后沙盘的形
变程度；
（3）结论：当物体高度相同时，质量越大，物体重力势能越大；当物体质量相同时，高度越大，物体重力
势能越大。
注意：在表达动能实验结论时，要运用本实验的实验方法控制变量法来表达。
【即学即练 3】已知重力势能的大小与物体的质量和高度有关。在“探究重力势能的大小与高度的关系”时，
所用的实验器材有：金属球、尖腿小桌、细沙和塑料盆。实验装置如图。
（1）本实验研究的对象是________（选填“金属球”、“小桌”或“细沙”）；
（2）释放金属球时，应使金属球由“静止”开始下落。其目的是：________；
（3）将金属球分别从三个不同高度由静止释放，发现金属球释放时的位置越高，撞击小桌后，小桌的桌腿
陷入细沙中越深。由此可见：质量相同时，位置越高，物体能够做的功越________，在高处时具有的重力
势能越________；
（4）若将金属球分别从三个不同高度由静止释放，撞击小桌后，发现每次小桌的桌腿都全部陷入细沙中。
在不更换器材的条件下，应采取的改进措施是________。
【答案】 金属球 使小球的初始动能为零 多 大 适当降低三次释放金属球的高度
【解析】（1）[1]该实验可通过判断桌腿陷入细沙的深度来判断金属球重力势能的大小，故本实验研究的对
象是金属球。
（2）[2]释放金属球时，应使金属球由“静止”开始下落。静止时，金属球的速度为零，而金属球的动能与质
量、速度有关，质量不变，速度为零，动能为零，故其目的是使小球的初始动能为零。
（3）[3][4]将金属球分别从三个不同高度由静止释放，发现金属球释放时的位置越高，高度越高，金属球的
重力势能就越大，撞击小桌后，小桌的桌腿陷入细沙中越深；反之，高度越低，金属球的重力势能就越小，
撞击小桌后，小桌的桌腿陷入细沙中就越浅。由此可见：质量相同时，位置越高，物体能够做的功越多，
在高处时具有的重力势能越大。
（4）[5]若将金属球分别从三个不同高度由静止释放，撞击小桌后，发现每次小桌的桌腿都全部陷入细沙中，
由此可见，高度相对小的金属球在高处具有的重力势能也很大，因此，可以把释放金属球的高度降低一点，
以达到更好的实验效果。故在不更换器材的条件下，应采取的改进措施是，适当降低三次释放金属球的高
度。
知识点 04 机械能的转化
1．物体具有的动能与势能是可以相互转化的。有摩擦等阻力时，在动能与势能的相互转化中，机械能会减
小。
2．如图所示，荡秋千时，秋千从最低点荡到最高点时，动能转化为重力势能；从最高点荡到最低点时，重
力势能转化为动能。
3．高空抛物现象被称为“悬在城市上空的痛”。据报道：一个 30g 的鸡蛋从 18 楼抛下来就可以砸破行人的头
骨，从 25 楼抛下可使人当场死亡。由此可知，鸡蛋的重力势能与高度有关，下落过程是将重力势能转化为
动能。
4．如图所示，人在推开弹簧门的过程中，弹簧由于发生弹性形变而具有弹性势能，当松手后弹簧门自动关
闭的过程中，它的弹性势能转化为门的动能。
5．简要回答有关水电站的下列问题：
(1)从能量转化的角度说明水电站的工作原理；
(2)如图所示，建设水电站选址时，从能量利用角度来看，你将选择图甲的地址还是图乙的地址？并说明理
由。
答：(1)水的机械能转化为电能；(2)选择乙图中的地址，能量转化较多，发电量大。
【即学即练 4】跳台滑雪是北京冬奥会的重要项目之一、如图所示，跳台滑雪赛道由助滑道 AB、着陆坡
BC、停止区 CD 三部分组成。比赛中，运动员从 A 点由静止开始下滑，运动到 B 点后水平飞出，落在着陆
坡末端的 C 点，滑入停止区后，在与 C 点等高的 D 点速度减为零。若不计空气阻力，则运动员（ ）
A．位于 C 点和 D 点时的动能相等
B．从 B 点到 C 点的过程中，机械能不守恒
C．从 B 点到 C 点的过程中，重力势能转化为动能
D．从 A 点到 B 点的过程中，动能转化为重力势能
【答案】C
【解析】A．到达 C 点时有速度，而 D 点时速度为 0，位于 C 点时有动能，D 点时动能为 0，所以 C、D 点
时的动能不相等，故 A 不符合题意；
B、不计空气阻力，只有重力做功，所以运动员从 B 点滑到 C 点的过程中，机械能守恒，故 B 不符合题意；
C．从 B 点到 C 点的过程中，质量不变，高度变小，速度变大，则其重力势能减少，动能增大，重力势能
转化为动能，故 C 符合题意；
D．从 A 点到 B 点的过程中，质量不变，高度变小，速度变大，则其重力势能减少，动能增大，重力势能
转化为动能，故 D 不符合题意。
故选 C。
能力拓展
考法 01 机械能之间的相互转化
【典例 1】北京时间 2022 年 4 月 16 日 0 时 44 分，神舟十三号载人飞船与空间站成功分离，航天员翟志刚、
王亚平、叶光富在空间站组合体工作生活了 183 天，刷新了中国航天员单次飞行任务太空驻留时间的纪录。
飞船返回时进入大气层，在距地面约 10 千米的高空开伞，最终成功着陆。在飞船高空开伞匀速下落过程中
下列说法不正确的是（ ）
A．飞船的机械能守恒
B．飞船的动能不变
C．飞船受平衡力的作用
D．飞船的重力势能减小
【答案】A
【解析】A．在飞船高空开伞匀速下落过程中，动能不变，重力势能减小，机械能不守恒，故 A 不正确，
符合题意；
B．在飞船高空开伞匀速下落过程中，因为匀速，速度大小不变，质量不变，因此动能不变，故 B 正确，不
符合题意；
C．因为是匀速下落，所以飞船受到的是平衡力的作用，故 C 正确，不符合题意；
D．因为与地面的高度减小，质量不变，因此飞船的重力势能减小，故 D 正确，不符合题意。
故选 A。
考法 02 探究重力势能的大小与哪些因素有关
【典例 2】如图所示，在探究物体的动能跟哪些因素有关的实验中：
（1）将钢球 A 分别从斜面不同高度处由静止释放，撞击水平面上的木块 B。这是为了探究物体的动能大小
与_________（选填“速度”或“质量”）的关系；
（2）实验中通过比较_________来比较钢球动能大小；
（3）将钢球 A 和一个乒乓球（质量小于钢球）分别从斜面同一高度处由静止释放，撞击水平面上的木块
B。实验发现：钢球撞击木块时，木块移动了一段距离；乒乓球撞击木块时，木块仍保持静止。该实验_________
（选填“能”或“不能”）初步说明物体的动能跟物体的质量有关；
（4）下表是几组实验数据，分析数据初步得到：在质量和速度两种因素中，_________对动能影响更大。
实验次 钢球质量 钢球释放高度 钢球撞击木块时的速度 木块移动的距离
数 /g /cm /m·s-1 /cm
1 100 10 1.32 15.2
2 100 20 1.85 30.1
3 200 10 1.31 30.0
【答案】 速度 木块 B 移动的距离 能 速度
【解析】（1）[1]将钢球 A 分别从斜面不同高度处由静止释放，撞击水平面上的木块 B。从不同高度释放，
物体下滑到水平面时速度大小不同，所以这是为了探究物体的动能大小与速度的关系。
（2）[2]用钢球 A 撞击水平面上的木块 B，观察到的实验结果是木块 B 移动的距离，所以实验中通过比较
木块 B 移动的距离来比较钢球动能大小。
（3）[3]将钢球 A 和一个乒乓球（质量小于钢球）分别从斜面同一高度处由静止释放，撞击水平面上的木块
B。实验发现：钢球撞击木块时，木块移动了一段距离；乒乓球撞击木块时，木块仍静止。该实验中变量为
物体的质量，能初步说明物体的动能跟物体的质量有关。
1.85m / s
（4）[4]由实验 1、2 可知，当物质质量一致，释放高度实验 2 是实验 1 的 2 倍时，速度相差 1.4
1.32m / s
倍，实验 2 木块移动的距离为 30.1cm。由实验 1、3 可知，当释放高度一致（即速度基本一致），物体质量
实验 3 是实验 1 的 2 倍时，实验 3 木块移动的距离为 30.0cm。分析数据初步得到：在质量和速度两种因素
中，速度对动能影响更大。
分层提分
题组 A 基础过关练
1.如图所示是小扬玩排球的一个场景，不考虑空气的阻力，排球离开手在空中飞行的过程中，下列说法正确
的是（ ）
A．不再受任何力的作用 B．受到重力和推力的作用
C．动能逐渐减小 D．机械能不变
2.2021 年 7 月 30 日，中国蹦床运动员朱雪莹和刘灵玲包揽了东京奥运会女子蹦床金银牌，为国争了光。比
赛中朱雪莹先被蹦床弹起上升到最高点，之后从最高点下落直至将蹦床压缩到最低点。在此过程中，有关
朱雪莹机械能变化的说法正确的是（ ）
A．在空中上升过程中，她的动能转化为重力势能
B．在最高点她的动能最大
C．下落到将与床面接触时，她的动能为零
D．蹦床被压缩到最低点时，她的重力势能最大
3.如图所示，轻质弹簧一端固定，另一端连接一小木块，O 点为弹簧在原长时物块的位置。木块由 A 点静止
释放沿粗糙程度相同的水平面向右运动，最远到达 B 点。在从 A 到 B 的过程中，弹簧的弹性势能________，
弹簧和木块的机械能________（填变化情况）。
题组 B 能力提升练
1.北京冬奥会的赛场上，中国选手谷爱凌在自由式滑雪 U 型场地比赛中获得 95.25 分，刷新了 U 型场地技
巧比赛的历史最高纪录。如图所示，若把运动员和滑板当做一个整体，用“小方块”表示。当运动员沿着 U
形赛道斜面向上滑时，在图中作出“小方块”所受的支持力和摩擦力的示意图___________。运动员从 U 形赛
道的最低端向上滑的过程中，动能 ___________，重力势能 ___________，机械能 ___________。（以上三
空均选填：“变大”“变小”“不变”）
2.抽水蓄能电站的工作原理是：用电低谷时，电站利用电网多余的电能把水抽到高处蓄水库（上水库）中：
用电高峰时，再利用蓄水库中的水发电。某地拟建一座抽水蓄能电站，如图是该项工程所在地的等高线地
形图。
（1）专家们经过研究，决定将蓄水库建在图甲中左边的高地上，原因是 _____；
（2）施工中应选择线路 _____（选填“AB”或“CD”）作为输送建筑材料的线路。理由：_____。
3.小萌同学利用甲图探究“物体的弹性势能的大小与弹性形变程度的关系”。将弹簧和金属球（球上有一直小
孔）套在铁架台的金属杆 AB（足够长）上面，每次将小球压缩弹簧后松手。
实验次数 弹簧压缩量 x（cm） 上升的高度 h（cm）
1 1.00 1.50
2 2.00 6.00
3 3.00 13.50
4 4.00 24.00
5 5.00
（1）压缩的弹簧可以将小球向上弹起，说明发生 _____的物体具有弹性势能；
（2）实验时每次将弹簧压缩 _____（填“相同”或“不同”）的长度，分析比较 ___（“小球第一次弹起的高
度”、“小球最终静止时的高度”或“任意某一次的弹起高度”），从而比较弹簧的弹性势能大小；
（3）当压缩的弹簧 x=5.00cm 时，小球离开弹簧后继续向上运动，达到最高点 H 时，弹性势能全部转化为
_____能。小萌记录小球的高度随时间变化的情况如图乙所示。在整个过程中，小球在“t1”、“t2”、“t3”时刻
的动能最大的是 _____时刻；
（4）上表中的数据是小萌同学的实验记录。分析数据后发现弹簧的弹性势能 E 与压缩量 x _____正比（选
填“成”或“不成”），表格中第 5 次实验小球上升的高度应为 _____cm。
题组 C 培优拔尖练
1.小羽同学做单摆实验，如图所示。摆球由最高点向最低点摆动时，机械能转化的情况是_________，同时
小羽发现在摆动的过程中，摆的高度会逐渐变低，因为机械能_________（选填“增大”“减小”或“不变”）。当
摆球摆到最低点时，如果细绳断开且所有力消失，则小球将_________（填写小球的运动状态）。
2.如图所示：在 A 点，将同一小球分别沿竖直和水平方向抛出，每次抛出时的速度大小相等，它的机械能数
据如下表所示。（忽略空气作用力）
重力势能/J 动能/J
A 点 0.8 0.4
（1）第 1 次实验：小球竖直向上运动的过程中，_____能转化为_____能，小球在最高处的机械能为_____J；
（2）第 1 次实验：小球第一次经过 B 点的速度为 v1，第 2 次实验：小球经过 C 点（与 B 点等高）的速度为
v2，则：v1_____v2（选填“＜”“＝”“＞”）。
3．在学习了弹性势能的物理知识之后小丽想自己设计实验探究弹簧的弹性势能可能与哪些因素有关，实验
前她先提出了以下猜想：
猜想一：弹性势能的大小与弹簧被压缩的程度有关；
猜想二：弹性势能的大小与弹簧的粗细有关。
为实验探究小丽准备了多根弹簧，还有小球、木块和长刻度尺。请你帮助小丽一起完成下面的实验。
（1）在验证猜想一时，小丽用同一根弹簧设计了如图甲、乙所示的实验。实验中弹性势能的大小可以间接
比较 ___________来实现，这里用到了研究方法叫 ___________。
（2）为验证猜想二，需选用粗细 ___________的两根弹簧，将两根弹簧压缩 ___________（均填“相同”或“不
同”）的长度，再让小球碰到同一位置的相同木块比较木块运动的距离来得出结论。
