能量的转化和转移遵循怎样的规律？
◇学生提问
跳水运动是奥运会的正式比赛项目，我国运动员在该项目上一直处于国际领先地位。比赛中，跳水运动员从腾空跳起向上运动后再向下落入水中，若不计空气阻力，在整个空中运动过程中，运动员的（ ）
A．动能先减小后增大，重力势能先增大后减小，机械能不变
B．动能先增大后减小，重力势能减小先后增大，机械能不变
C．动能先减小后增大，重力势能先增大后减小，机械能增大
D．动能先增大后减小，重力势能先减小后增大，机械能减小
老师，在整个空中运动过程中，运动员能量的转化遵循怎样的规律呢？这道习题应该怎样解答？
◇问题探究
只有动能与势能的相互转化中，机械能的总量保持不变（重要性：★★★）
老师：别急，我们先来分析一下机械能内部的动能与势能能否相互转化，如果能相互转化，遵循什么规律？
你来观察单摆实验现象：如图所示，将摆球从A点由静止释放，小球经过最低点B又运动到右边的最高点C。在这一次摆动过程中，你认为小球的动能与重力势能有什么变化？
学生：我觉得，在这一次摆动过程中，小球的运动可以分为两个阶段：从A点向B点运动的过程，小球的高度不断降低，其重力势能减小了；小球从最初的速度为0开始加速运动，到B点时运动速度最快，所以小球的动能增大了。
老师：为什么小球的动能增大了？这部分动能是怎样获得的？
学生：哦，明白了：小球的这部分动能是小球减小的那部分重力势能转化而来的。这说明重力势能可以转化为动能。
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老师：很好，那你再说一下小球的第二个运动阶段吧？
学生：第二个运动阶段是指小球从B点又运动到C点，小球的位置又变高了，其重力势能增大；同时小球的运动速度越来越小，到C点时它向右上运动的速度为0，动能减小到消失！
那应该是小球在B点时这部分动能最后都转化为小球的重力势能了。这说明动能也可以转化为重力势能！
老师，我还发现，在这一次摆动过程中，小球摆到C点时的高度与小球最初在A点时的高度基本相等。我认为这是小球的动能与重力势能相互转化时，减小的那部分能都转化成了增大的那部分能量了！也就是说动能与重力势能相互转化时，机械能的总量保持不变！
老师：你归纳得很有道理！正是因为动能与重力势能相互转化时，机械能的总量保持不变，如图所示，所以我们才向太空发射了既没有远离地球而去，又没有落回地面的人造卫星，为我们的全球通信服务！你能说出分析卫星能量转化的方法吗？
学生：我试试吧：人造卫星沿椭圆轨道绕地球运行。当卫星从远地点向近地点运动时，它的高度变低，重力势能减小；运动速度增大，动能增大；所以重力势能转化为动能。当卫星从近地点向远地点运动时，它的高度变高，重力势能增大；运动速度减小，动能减小；所以动能转化为重力势能。
因此动能转化为重力势能的过程物体的运动特征是：减速上升！
而重力势能转化为动能的过程物体的运动特征正好相反：加速下落！
老师：分析得真精彩，学生就是不一般呀！
我们家中使用的用发条驱动的机械座钟，每隔一段时间就要给钟表“上弦”，即拧紧发条；然后钟表的指针才能持续转动相当长的时间。你能说出其中的道理吗？
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学生：拧紧发条时，要消耗我们的动能，发条的形变程度增大，弹性势能增加。我认为这时既有能量的转化，还能能量的转移！人的动能转移给发条，因为发条在拧紧的过程中一直运动；同时发条的这种运动使它自身形变量增加，动能又转化为弹性势能。
发条储存了这些动能转移和转化的弹性势能，不断地驱动指针转动，慢慢地将弹性势能又转化为动能了。
所以动能与弹性势能也可以相互转化，在转化过程中机械能也是守恒的！
老师，我玩的一些有发条的玩具也运用了这一规律!我还想到了射箭运动员用弓将箭射出去等例子也都运用了这一规律呢!
机械能与其他形式能的相互转化中，能量是守恒的（重要性：★★★★）
学生：老师，在单摆实验中，我还发现小球在不断摆动的过程中，小球的高度越来越低，最后停在最低点的现象。我认为是在动能与势能的转化中机械能不守恒，机械能最后消失了！这是怎么回事呀？
老师：呵呵，这其中自有道理。你想想，当你从滑梯上滑下来时有什么感觉？
学生：我感觉屁股发热。
老师：这是什么原因呢？
学生：嗯，应该是我的屁股处的衣服与滑梯摩擦，内能增大温度升高了！这部分内能是哪里来的呢？
哦，我明白了：是因为存在摩擦力时，运动的物体间由于摩擦做功，会有一部分机械能转化为内能的缘故吧？
老师：对！就象冬天在户外我们常常通过两手互相摩擦取暖一样，由于摩擦的缘故，机械能可以转化为内能。能量并没有损失，只是从一种形式转化成了另一种形式，但总量保持不变。
学生：谢谢老师，我会做上面的题目了：运
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动员的整个运动过程可以划分为两个阶段，一是减速上升阶段，这一阶段动能转化为重力势能；二是加速下落阶段，这一阶段重力势能转化为动能。由于不计空气阻力，所以机械能没有损失。
因此答案选A
◇学生笔记
能量的转化和转移规律：能量既不会创生，也不会消灭，只会从一种形式转化为另一种形式，或从一个物体转移到另一个物体；但在转化和转移的过程中，能的总量保持不变，也就是能量是守恒的。
◇要点训练
1.如图所示，运动员射箭时用力将弓拉开，在放开箭的瞬间，弓的＿＿＿＿能转化为箭的＿＿＿能，箭在空中向上飞行的过程中，箭的＿＿＿能增大。
答案：弹性势； 动； 重力势。
解析：放开箭的瞬间，弓要恢复原状，其弹性势能减小；箭则由静止开始加速运动，动能不断增大，所以是弹性势能转化为动能。箭在空中向上飞行的过程中，高度不断增大，所以箭的重力势能增大。
2.如图所示，下面的四幅图中属于动能转化为重力势能的是（ ）
答案：C
解析：动能转化为重力势能的运动过程具有的特征是物体在“减速上升”。以此判断即可。其中蕴含的规律就是能量的转化是守恒的，轻轨车爬上高度平台，重力势能增加，所以要消耗车原有的动能，车辆动能消耗尽了，也就自然地停止运动，不用通过车轮与闸片及车轮与地面摩擦再使机械能变小，从而达到延长车辆使用寿命和节约能源的双重目的。
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3.一位司机驾驶大货车在某路段由于超速行驶被警察拦住，警察对司机说：“先生，刚才你的车速为70km／h，超速了。”这司机不满地说：“为什么小车的限速为80km／h，而大车的限速却为60km／h，不合理!”从以上对话可知，这司机显然没有理解动能跟下列哪组物理量有关)（ ）
A．跟速度和时间有关 B．跟速度和路程有关
C．跟速度和质量有关 D．跟质量和时间有关
答案：C
解析：速度和质量都影响动能的大小；由于大货车比小车的质量大，为了使大车动能不致太大，大车的速度应小于小车的速度。否则因为车的动能太大，万一路上出现紧急情况，因为能量是守恒的，这些机械能不能短时间能都转化为内能，车会继续前进，从而出现车辆相撞的交通事故。
4. 2008年5月12日，四川汶川发生了强烈地震。在道路完全中断的情况下，空军派出直升机进行救援，空降兵在匀速下落中相对于降落伞是_______的，机械能是_______（填“增大”、“减小”或“不变”）的。
答案：静止； 减小
解析：空降兵在匀速下落中相对于降落伞的位置没有改变，所以相对静止；空降兵的质量和速度都不变，因此动能不变；但高度在不断降低，所以重力势能减小，从而得出机械能减小。机械能减小的原因并不是能量真正消失了，而是因为在与空气摩擦的过程中，这些减小的机械能转化成了内能。
5.如图所示，先用绳子把一个铁锁悬挂起来，然后把铁锁拿近到自己的鼻子，松手后，铁锁向前摆动又摆回来。有关铁锁在摆动过程中的能量转化，下列说法正确的是( )
A
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．铁锁回摆后能碰到鼻子，因为铁锁的机械能始终不变
B．铁锁下降过程中，重力势能转化为动能
C．铁锁上升到最高点，重力势能最小
D．铁锁下降到最低点，动能最小
答案：B
解析：铁锁在下降过程中，高度降低，重力势能减小；速度加快，动能增大；所以重力势能转化为动能。在上升过程中，高度增大，重力势能增大；速度减小，动能减小；所以动能转化为重力势能。在最高点时铁锁的位置最高，速度为0，所以重力势能最大、动能最小为0；在最低点时，铁锁的高度最低，速度最大，所以重力势能最小、动能最大。由于铁锁与空气摩擦做功，它的机械能不断转化为内能，因此机械能不断减小，铁锁回摆后的高度会变低，不会碰到鼻子。
6.汶川地震发生后，解放军飞机向灾区空投了大批救灾物资。系着降落伞的食品箱在加速下落一段距离后变为匀速下落，食品箱和降落伞在匀速直线下落的过程中( )
A．动能越来越大 B．机械能保持不变
C．运动状态一直在改变 D．所受的重力和空气阻力是一对平衡力
答案：D
解析：食品箱和降落伞在匀速直线下落的过程中，由于质量和速度不变，动能不变；由于高度不断降低，重力势能变小，因此机械能减小。原因是与空气摩擦做功，机械能不断转化为内能。食品箱和降落伞的运动状态保持不变，所以所受的重力和空气阻力是一对平衡力。
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