機(jī)械能守恒定律教學(xué)中重難點(diǎn)的突破

◇ 甘肅 許 誥

(作者單位：甘肅省靖遠(yuǎn)縣第三中學(xué))

?

機(jī)械能守恒定律教學(xué)中重難點(diǎn)的突破

◇ 甘肅 許 誥

高中物理重點(diǎn)研究物體(物體系)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)及其遵循的規(guī)律,而機(jī)械能守恒是物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)遵循能量守恒規(guī)律的具體體現(xiàn)．對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)研究一方面是理解運(yùn)動(dòng)和力,另一方面是從能量觀點(diǎn)分析解決問題．掌握機(jī)械能守恒定律部分知識(shí)對(duì)學(xué)生深層次理解物理知識(shí)和物理學(xué)分析方法尤為重要,同時(shí)這也是考試中重點(diǎn)考查學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)和分析解決問題能力的重要知識(shí)點(diǎn)．

1 重力勢(shì)能的理解——物體與地球構(gòu)成的系統(tǒng)所共有

物體的重力勢(shì)能如何理解呢?通過學(xué)習(xí)萬有引力定律我們知道,地球周圍有引力場,物體置在此場中,就會(huì)在萬有引力作用下而產(chǎn)生重力,將一物體在近地表面舉高,必須要克服重力做功．這一過程由功能關(guān)系可知會(huì)涉及能量變化——重力勢(shì)能增加．這一切源自重力的存在,而重力存在與地球有關(guān)．由此可見,重力勢(shì)能必為物體與地球所共有．

2 從2種機(jī)械能表述中看問題

表述1 2003年人教版物理教科書這樣表述機(jī)械能守恒定律:“在只有重力、彈力做功的情形下,物體的動(dòng)能和勢(shì)能發(fā)生相互轉(zhuǎn)化,但機(jī)械能的總量保持不變．”

表述2 2006年人教版物理教科書這樣表述機(jī)械能守恒定律:“在只有重力、彈力做功的物體系中,動(dòng)能和勢(shì)能發(fā)生相互轉(zhuǎn)化,機(jī)械能的總量保持不變．”

可見,新舊教材都是從自由落體運(yùn)動(dòng)模型、2種功能(重力做功的功能關(guān)系和動(dòng)能定理)關(guān)系推導(dǎo)出機(jī)械能守恒定律的．旨在讓學(xué)生從做功角度理解機(jī)械能守恒的本質(zhì)．

在筆者的教學(xué)和與學(xué)生交流中,學(xué)生在學(xué)習(xí)此部分知識(shí)時(shí)存在諸多問題: 1)分不清研究對(duì)象; 2)分不清守恒中提到的功與能; 3)在哪種情形下彈力做功遵循機(jī)械能守恒定律．事實(shí)上，無論是何種表述,都涉及研究對(duì)象的問題.表述1中說的“物體”和表述2中說的“物體系”都是指該定律適合的對(duì)象.機(jī)械能包括動(dòng)能和勢(shì)能,而“勢(shì)能”與物體的“所共有”對(duì)象有關(guān),因此,談到勢(shì)能一定要明確是系統(tǒng)的,而我們通常所說的“物體的勢(shì)能”只是一種習(xí)慣性說法．

實(shí)際教學(xué)中，在只有重力做功的機(jī)械能守恒的模型學(xué)生易理解,但對(duì)于彈力做功的機(jī)械能守恒模型卻很迷茫．如大家熟知的阿德伍德機(jī)原理中,無論取那一面物體與地球構(gòu)成系統(tǒng),由于輕繩的彈力是外力則機(jī)械能不守恒,但如果將兩面物體與地球組成系統(tǒng),由于重力和彈力是系統(tǒng)內(nèi)力則機(jī)械能守恒,可見彈力并不是指彈簧彈力,也包含輕繩、輕彈簧、輕桿的彈力,另外對(duì)于物體間碰撞也有可能涉及機(jī)械能守恒,不過一定為彈性碰撞．綜上所述,彈力做功情況下機(jī)械能是否守恒,關(guān)鍵在于所說的彈力是否為系統(tǒng)內(nèi)力．因此機(jī)械能守恒定律適合的對(duì)象是物體系(系統(tǒng)),所以在分析問題中要做到“兩巧”,即巧選系統(tǒng)和巧選過程．

3 雙管齊下抓本質(zhì)

機(jī)械能守恒提到做功,存在能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移,重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的是“變”而“不變”,能量形式變了,但總能量不變,而這一過程是通過做功來反映的．在列守恒方程時(shí)，一是抓“不變”,即在研究的過程中機(jī)械能時(shí)刻守恒,最初的機(jī)械能大小總與守恒過程任何時(shí)刻相等，即Ek1+Ep1=Ek2+Ep2, 在此特別強(qiáng)調(diào)列此式需選擇零勢(shì)能面;二是用“變化”表示“不變”.動(dòng)能和勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化,一種能量減少多少必然有另一種能量增加多少．因此機(jī)械能守恒存在另一種表達(dá)式，即ΔEk=ΔEp，需要特別強(qiáng)調(diào)的是此式不需選零勢(shì)能面,以上都是研究對(duì)象針對(duì)單一物體與地球組成的系統(tǒng)．另外系統(tǒng)關(guān)于A、B2物體的機(jī)械能守恒問題,A物體機(jī)械能減少多少則B物體機(jī)械能就增加多少．在實(shí)際的教學(xué)中,有學(xué)生也問:從做功角度判斷守恒還是從能量角度判斷守恒？筆者認(rèn)為做功是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的途徑,而能量轉(zhuǎn)化強(qiáng)調(diào)的是本質(zhì)結(jié)果,在教學(xué)中2條路線均可進(jìn)行,并不矛盾,是相輔相成的．

(作者單位：甘肅省靖遠(yuǎn)縣第三中學(xué))