高中物理能量守恒在解題中的應(yīng)用探究

宋晨光

(山東省鄒平市第一中學(xué) 256200)

高中物理中能量守恒的內(nèi)容雖然較為簡單，但要想深刻理解、靈活應(yīng)用并非易事.為使學(xué)生正確、靈活應(yīng)用能量守恒解答不同類型的物理習(xí)題，應(yīng)做好相關(guān)習(xí)題類型的匯總，使學(xué)生見到更多的物理習(xí)題，尤其通過示范具體的解題過程，使其掌握破解的思路與技巧.

1 用于分析板——塊相對運(yùn)動(dòng)問題

做功與能量的變化密切相關(guān)，是能量轉(zhuǎn)化的量度.運(yùn)用能量守恒分析板塊相對運(yùn)動(dòng)問題時(shí)應(yīng)注重從做功切入.一般情況下除重力或彈簧彈力之外的其他外力對物體做正功會使其機(jī)械能增加，反之會減小.解題時(shí)結(jié)合題干創(chuàng)設(shè)的情境，對板、塊的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有個(gè)整體的把握與判斷.同時(shí)通過對板、塊分別進(jìn)行受力分析，明確其所受的力、力的方向以及對應(yīng)力做功的正負(fù).思考力做功使哪些物體的能量發(fā)生了變化，把握物體能量的來源以及去向，如此也就不難分析出正確結(jié)果.

如圖1所示，在光滑的水平面上放一長木板A，某時(shí)刻物塊B以水平速度v0沖上A后，由于摩擦力作用最后停止在木板A上.則以下分析正確的是( ).

圖1

A.物塊B動(dòng)能的減少量等于系統(tǒng)損失的機(jī)械能

B.物塊B克服摩擦力做的功等于系統(tǒng)內(nèi)能的增加量

C.物塊B損失的機(jī)械能等于木板A獲得的動(dòng)能與系統(tǒng)損失的機(jī)械能之和

D.摩擦力對物體B做的功和對木板A做的功總和等于系統(tǒng)內(nèi)能的增加量

分析物塊B滑上木板后受到摩擦力的作用做勻減速運(yùn)動(dòng)，摩擦力對其做負(fù)功.木板A受到摩擦力的作用做勻加速運(yùn)動(dòng)，摩擦力對其做正功.兩者速度達(dá)到一致，不再發(fā)生相對滑動(dòng).需要注意的是木板A的速度未和物塊B的速度達(dá)到一致時(shí)，會因木板A和物塊B之間的相對滑動(dòng)而產(chǎn)生熱量.由能量守恒可知，木塊B因受到摩擦力動(dòng)能減小，減小的動(dòng)能一部分轉(zhuǎn)化為A的動(dòng)能，一部分因摩擦轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，因此，只有C項(xiàng)正確.

2 用于分析彈簧——斜面問題

運(yùn)用能量守恒分析彈簧-斜面問題時(shí)應(yīng)把握兩點(diǎn)：(1)彈簧受力發(fā)生形變，其他形式的能轉(zhuǎn)化為彈簧的彈性勢能，并在彈簧中儲存起來.當(dāng)彈簧恢復(fù)到原長的過程中也就是能量釋放的過程，當(dāng)彈簧達(dá)到原長時(shí)，儲存的能量完全釋放.(2)在斜面上運(yùn)動(dòng)的物體與彈簧發(fā)生作用時(shí)，其速度達(dá)到最大的點(diǎn)是物體受力平衡的點(diǎn)，此時(shí)彈簧處于壓縮狀態(tài).

如圖2所示，將質(zhì)量為1kg的滑塊放在傾角為30°的光滑斜面的a點(diǎn)，由靜止下滑，b點(diǎn)開始壓縮彈簧，c點(diǎn)時(shí)達(dá)到最大速度，d點(diǎn)(圖中未畫出)時(shí)開始彈回，剛好能夠再次回到a點(diǎn)，若bc=0.1m，彈簧彈性勢能的最大值為8J，g取10m/s2，則( ).

圖2

A.彈簧的勁度系數(shù)為50N/m

B.d→b點(diǎn)，滑塊克服重力做功8J

C.滑塊的動(dòng)能最大值為8J

D.d→c點(diǎn)，彈簧的彈力對滑塊做功8J

分析滑塊在c點(diǎn)速度達(dá)到最大，表明其受力平衡，由平衡條件以及胡克定律可得mgsin30°=kx，x=bc，解得x=50N/m；d→b點(diǎn)由機(jī)械能守恒可知，彈簧彈性勢能轉(zhuǎn)化為滑塊的重力勢能和動(dòng)能，克服重力做的功僅是重力勢能的增加量，因此，滑塊克服重力做功應(yīng)小于8J；彈簧彈性勢能的最大值為8J，該能量全部由滑塊從a→d點(diǎn)時(shí)減少的重力勢能轉(zhuǎn)化而來，滑塊只要離開d點(diǎn)均有部分能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，因此，滑塊的最大動(dòng)能不可能達(dá)到8J；彈簧只有在b點(diǎn)原長時(shí)，才會將所有的彈性勢能轉(zhuǎn)化為滑塊的機(jī)械能，因此，d→c點(diǎn)，彈簧的彈力對滑塊做功達(dá)不到8J.綜上只有A項(xiàng)正確.

3 用于計(jì)算物塊——斜面問題

運(yùn)用能量守恒計(jì)算物塊-斜面問題時(shí)應(yīng)明確不同形式能量的計(jì)算表達(dá)式，注重思考表達(dá)式中一些參數(shù)與其他知識點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)，如動(dòng)能計(jì)算式中含有速度“v”，能和平拋運(yùn)動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng)以及動(dòng)量定理、動(dòng)量守恒定律相關(guān)聯(lián).同時(shí)，運(yùn)用其他知識計(jì)算速度“v”時(shí)應(yīng)注重相關(guān)定理、定理成立的條件，避免張冠李戴，生搬硬套.如在某一方向上系統(tǒng)不受力或所受的合外力為零時(shí)可運(yùn)用動(dòng)量守恒定律求解速度“v”.

4 用于解答物塊——圓弧問題

高中物理綜合性問題涉及的物體運(yùn)動(dòng)過程較為復(fù)雜，對學(xué)生綜合分析問題的能力要求較高.運(yùn)用動(dòng)量守恒解答該類問題應(yīng)注重把握兩點(diǎn)：其一，思考分析物體參加了哪些形式的運(yùn)動(dòng)，是圓周運(yùn)動(dòng)還是平拋運(yùn)動(dòng)以及這些運(yùn)動(dòng)遵循哪些規(guī)律.其二，通過認(rèn)真審題，把握物體運(yùn)動(dòng)的全過程，掌握能量的來源與去向，既可從整體角度構(gòu)建能量守恒方程，也可對物體的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行拆分，構(gòu)建對應(yīng)運(yùn)動(dòng)過程的能量守恒方程，具體應(yīng)根據(jù)題目設(shè)計(jì)的問題來定.

5 用于解答碰撞問題

教學(xué)實(shí)踐中為提高學(xué)習(xí)者解答該類問題的能力，一方面，為學(xué)習(xí)者透徹地講解相關(guān)理論知識，尤其結(jié)合具體案例與其一起推導(dǎo)物理方法，使其深入理解，牢固掌握.另一方面，為使其掌握相關(guān)解題思路，應(yīng)注重結(jié)合多媒體技術(shù)為其展示物體碰撞的具體情境，把握碰撞前后物體運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，以更好地找到解題切入點(diǎn)，增強(qiáng)其解題自信心.同時(shí)，要求學(xué)習(xí)者做好解題反思，及時(shí)發(fā)現(xiàn)與堵住知識漏洞.

圖3

6 用于解答電磁感應(yīng)問題

教學(xué)實(shí)踐中一方面與學(xué)習(xí)者一起分析電磁感應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化方向以及轉(zhuǎn)化路徑，幫助學(xué)習(xí)者構(gòu)建清晰、系統(tǒng)的知識體系，為運(yùn)用能量守恒解決問題做好鋪墊.另一方面，為防止學(xué)習(xí)者在解題的過程中走彎路，課堂上應(yīng)圍繞具體問題與學(xué)習(xí)者積極交流，幫助其更好的找到解題的切入點(diǎn).同時(shí)，注重給學(xué)習(xí)者預(yù)留空白時(shí)間，要求其嘗試著寫出解答過程，進(jìn)一步加深其印象.

如圖4所示，將MN與PQ兩根電阻不計(jì)的導(dǎo)軌相距為L，平行固定在水平面上.其中彎曲部分不計(jì)阻力，水平部分有阻力.右端和一阻值為R的定值電阻相連.磁感應(yīng)大小為B的勻強(qiáng)磁場，方向垂直導(dǎo)軌水平部分豎直向上.由靜止將一電阻為R，質(zhì)量為m的金屬棒由圖中釋放，在水平導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)的距離為d時(shí)剛好停止.金屬棒和導(dǎo)軌水平部分的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ，重力加速度為g.求金屬棒產(chǎn)生的焦耳熱以及金屬棒在磁場中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間t.

圖4

能量守恒定律是自然科學(xué)中最基本的定律之一，在分析物理問題中有著廣泛的應(yīng)用.高中物理教學(xué)中為提高學(xué)生運(yùn)用能量守恒解答相關(guān)習(xí)題的能力，應(yīng)在深入講解能量守恒理論知識的基礎(chǔ)上為學(xué)生展示能量守恒在不同問題情境中的應(yīng)用，使學(xué)生更好的把握能量守恒本質(zhì)，掌握相關(guān)的應(yīng)用思路與技巧.