摆来摆去析能量转化

张虎岗

[典例精析]

例 如图1所示，小红用绳子把一个小球悬挂起来，用手将其拉到自己鼻子处的A点。松手后，小球沿一条弧線从A点经B点，摆动到C点，已知B是最低点。则下面说法中正确的是（ ）。

A. 从A点到C点的过程中，小球的动能越来越大

B. 小红保持不动，小球返回后不会砸到鼻子

C. 在B点时，小球位置最低，重力势能为0

D. 当小球停止摆动后，机械能总量与摆动前相同

解析：小球由A点摆到B点时，速度越来越大，位置却越来越低，因此动能变大，重力势能变小。在这个过程中，重力势能转化为动能。然后小球接着由B点向C点摆动，在这个过程中，小球速度越来越小，位置越来越高，因此动能变小，重力势能变大，动能转化为重力势能。所以小球由A点到C点过程中，小球的动能是先变大后变小，故A错误。小球摆动过程中需要克服阻力做功，消耗一部分机械能，因此返回后的最高点A'一定低于A点，不会砸到鼻子，故B正确;在B点时，小球与地面仍有一定的高度，因此重力势能不为0，故C错误;当小球停止摆动后，会静止在B点处，此时与摆动前小球位于A点相比，位置变低了，所以机械能变小了，这是因为在摆动过程中，小球克服阻力做功，消耗了一部分机械能，故D错误。

答案：B

点拨：在分析机械能的转化时，单摆和滚摆是很好的载体。分析机械能的转化时，要注意分析速度与所处高度的变化。

[变式探究]

变式1：如图1所示，若不考虑阻力，在理想情况下，小球在A点被释放后会经过B点（最低点）摆到C点。下面各图中能正确表示这一过程中能量转化的是（假设小球位于B点时其重力势能恰好等于动能）（ ）。

解析：在理想情况下，小球在任何时候的机械能总量相同。由例题的分析可知，小球由A点摆到C点时，动能先变大后变小，而重力势能先变小后变大，且在相同的时间内动能增加（或减小）的量和重力势能减小（或增加）的量是相同的，A正确;B图表示在相同的时间内，动能的变化量大于重力势能的变化量，B错误;在C图中，C点的重力势能大于A点，C错误;在D图中，从B到C的这一段表示小球的动能与重力势能都不变，D错误。

答案：A

点拨：用图象表示物理规律是近年来中考中常见的题型，具有直观、形象的特点。在分析此类问题时，首先要看清纵轴与横轴各表示什么物理量，然后分析纵轴的物理量如何随横轴物理量的变化而变化，进而总结规律，比较其与实际情况是否相符。

变式2：将一小球系在一根橡皮筋上，首先使它位于图2所示的位置，然后松开手，发现小球会来回摆动。若不计阻力，则小球在左右摆动的过程中能量是如何转化的？请简述你的依据。

解析：在解答本题时，要注意橡皮筋长度的可伸缩性，因此小球的摆动过程是动能、重力势能和弹性势能之间的转化，这三者的变化都要加以考虑。

答案：在小球由最高处摆到最低处的过程中，小球的位置越来越低，速度越来越大，同时橡皮筋的长度越来越长，小球的重力势能转化为动能和橡皮筋的弹性势能;反之，在小球由最低处摆到最高处的过程中，小球的位置越来越高，速度越来越小，同时橡皮筋的长度越来越短，小球的动能和橡皮筋的弹性势能转化为小球的重力势能。

点拨：当物体发生弹性形变时，就要考虑弹性势能的变化，切不可只考虑动能和重力势能的转化而导致错解。

[能力提升]

图3是小强同学在“原地掷实心球”体育项目测试中的示意图。图中速度v的方向是球出手时的飞行方向。从球出手到落地的过程中，下面关于机械能的一些说法正确的是（空气阻力忽略不计）（ ）。

A. 球出手时动能最大

B. 球出手时势能最大

C. 球落地时机械能最大

D. 球的机械能保持不变

答案：D