擺來擺去析能量轉(zhuǎn)化

張虎崗

[典例精析]

例 如圖1所示，小紅用繩子把一個(gè)小球懸掛起來，用手將其拉到自己鼻子處的A點(diǎn)。松手后，小球沿一條弧線從A點(diǎn)經(jīng)B點(diǎn)，擺動(dòng)到C點(diǎn)，已知B是最低點(diǎn)。則下面說法中正確的是（ ）。

A. 從A點(diǎn)到C點(diǎn)的過程中，小球的動(dòng)能越來越大

B. 小紅保持不動(dòng)，小球返回后不會(huì)砸到鼻子

C. 在B點(diǎn)時(shí)，小球位置最低，重力勢能為0

D. 當(dāng)小球停止擺動(dòng)后，機(jī)械能總量與擺動(dòng)前相同

解析：小球由A點(diǎn)擺到B點(diǎn)時(shí)，速度越來越大，位置卻越來越低，因此動(dòng)能變大，重力勢能變小。在這個(gè)過程中，重力勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。然后小球接著由B點(diǎn)向C點(diǎn)擺動(dòng)，在這個(gè)過程中，小球速度越來越小，位置越來越高，因此動(dòng)能變小，重力勢能變大，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢能。所以小球由A點(diǎn)到C點(diǎn)過程中，小球的動(dòng)能是先變大后變小，故A錯(cuò)誤。小球擺動(dòng)過程中需要克服阻力做功，消耗一部分機(jī)械能，因此返回后的最高點(diǎn)A'一定低于A點(diǎn)，不會(huì)砸到鼻子，故B正確;在B點(diǎn)時(shí)，小球與地面仍有一定的高度，因此重力勢能不為0，故C錯(cuò)誤;當(dāng)小球停止擺動(dòng)后，會(huì)靜止在B點(diǎn)處，此時(shí)與擺動(dòng)前小球位于A點(diǎn)相比，位置變低了，所以機(jī)械能變小了，這是因?yàn)樵跀[動(dòng)過程中，小球克服阻力做功，消耗了一部分機(jī)械能，故D錯(cuò)誤。

答案：B

點(diǎn)撥：在分析機(jī)械能的轉(zhuǎn)化時(shí)，單擺和滾擺是很好的載體。分析機(jī)械能的轉(zhuǎn)化時(shí)，要注意分析速度與所處高度的變化。

[變式探究]

變式1：如圖1所示，若不考慮阻力，在理想情況下，小球在A點(diǎn)被釋放后會(huì)經(jīng)過B點(diǎn)（最低點(diǎn)）擺到C點(diǎn)。下面各圖中能正確表示這一過程中能量轉(zhuǎn)化的是（假設(shè)小球位于B點(diǎn)時(shí)其重力勢能恰好等于動(dòng)能）（ ）。

解析：在理想情況下，小球在任何時(shí)候的機(jī)械能總量相同。由例題的分析可知，小球由A點(diǎn)擺到C點(diǎn)時(shí)，動(dòng)能先變大后變小，而重力勢能先變小后變大，且在相同的時(shí)間內(nèi)動(dòng)能增加（或減小）的量和重力勢能減小（或增加）的量是相同的，A正確;B圖表示在相同的時(shí)間內(nèi)，動(dòng)能的變化量大于重力勢能的變化量，B錯(cuò)誤;在C圖中，C點(diǎn)的重力勢能大于A點(diǎn)，C錯(cuò)誤;在D圖中，從B到C的這一段表示小球的動(dòng)能與重力勢能都不變，D錯(cuò)誤。

答案：A

點(diǎn)撥：用圖象表示物理規(guī)律是近年來中考中常見的題型，具有直觀、形象的特點(diǎn)。在分析此類問題時(shí)，首先要看清縱軸與橫軸各表示什么物理量，然后分析縱軸的物理量如何隨橫軸物理量的變化而變化，進(jìn)而總結(jié)規(guī)律，比較其與實(shí)際情況是否相符。

變式2：將一小球系在一根橡皮筋上，首先使它位于圖2所示的位置，然后松開手，發(fā)現(xiàn)小球會(huì)來回?cái)[動(dòng)。若不計(jì)阻力，則小球在左右擺動(dòng)的過程中能量是如何轉(zhuǎn)化的？請(qǐng)簡述你的依據(jù)。

解析：在解答本題時(shí)，要注意橡皮筋長度的可伸縮性，因此小球的擺動(dòng)過程是動(dòng)能、重力勢能和彈性勢能之間的轉(zhuǎn)化，這三者的變化都要加以考慮。

答案：在小球由最高處擺到最低處的過程中，小球的位置越來越低，速度越來越大，同時(shí)橡皮筋的長度越來越長，小球的重力勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能和橡皮筋的彈性勢能;反之，在小球由最低處擺到最高處的過程中，小球的位置越來越高，速度越來越小，同時(shí)橡皮筋的長度越來越短，小球的動(dòng)能和橡皮筋的彈性勢能轉(zhuǎn)化為小球的重力勢能。

點(diǎn)撥：當(dāng)物體發(fā)生彈性形變時(shí)，就要考慮彈性勢能的變化，切不可只考慮動(dòng)能和重力勢能的轉(zhuǎn)化而導(dǎo)致錯(cuò)解。

[能力提升]

圖3是小強(qiáng)同學(xué)在“原地?cái)S實(shí)心球”體育項(xiàng)目測試中的示意圖。圖中速度v的方向是球出手時(shí)的飛行方向。從球出手到落地的過程中，下面關(guān)于機(jī)械能的一些說法正確的是（空氣阻力忽略不計(jì)）（ ）。

A. 球出手時(shí)動(dòng)能最大

B. 球出手時(shí)勢能最大

C. 球落地時(shí)機(jī)械能最大

D. 球的機(jī)械能保持不變

答案：D