高中物理中的能量轉(zhuǎn)化題

張嬌月

高中物理分為幾大塊，包括力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、原子物理。其中我最喜歡的是能量這個(gè)物理量，在物理學(xué)中，“能量”為一個(gè)間接觀察到的物理量，其往往被視為某一個(gè)物理系統(tǒng)對(duì)其他它物理系統(tǒng)做功的能力。對(duì)應(yīng)于不同形式的運(yùn)動(dòng)，“能量”分為機(jī)械能、分子內(nèi)能、電能、化學(xué)能、原子能等，又簡稱為“能”。高中部分主要研究的有機(jī)械能、電勢能，這兩種能存在于必修部分里，核能存在于選修部分中，所占分值略低。我從事高中教學(xué)以來，一直喜歡用動(dòng)能定理或機(jī)械能守恒定律來解題。這樣的解題方法少了很多中間過程，解題步驟簡單而又快捷，易于掌握。

一、動(dòng)能定理

動(dòng)能定理的內(nèi)容是：“合外力做功等于物體動(dòng)能的變化量?！睂?duì)于這個(gè)定理應(yīng)該這樣理解，合外力做功可以理解為外力做功之和或者是先求出合外力再求合外力做的功。動(dòng)能變化量指的是初末狀態(tài)動(dòng)能的差值。關(guān)于做功這里要強(qiáng)調(diào)一下，定義指的是力與力的方向上的位移的乘積。但是在高中部分我們可以總結(jié)如下：（1）重力、彈力做功僅與初末位置差有關(guān)。以重力做功為例，將一個(gè)小球從高處釋放，它與地面多次碰撞，最后停在地面上，求小球的重力做功，只要知道小球的初末位置的高度差就可以，重力做功轉(zhuǎn)化為重力勢能。對(duì)于彈力做功高中部分要求較低，雖然我在講課的過程中也講了彈力做功的公式，但是近幾年在高考題中沒有出現(xiàn)求彈力做功的題。因?yàn)榭季V中不要求掌握這個(gè)公式，只要掌握彈力做功的特點(diǎn)及彈力做功與彈性勢能之間的關(guān)系就行。在電學(xué)中電場力做功與電勢差有關(guān)，與實(shí)際經(jīng)過的路徑無關(guān)，如果一個(gè)電荷在等勢面上移動(dòng)，那么電場力對(duì)這個(gè)電荷不做功，只要知道電勢差的大小就知道了電場力做功的大小，電場力做功轉(zhuǎn)化為電勢能。洛倫茲力始終與電荷的運(yùn)動(dòng)方向相垂直，所以洛倫茲力不做功。以上的這幾個(gè)力有著明顯的特點(diǎn)，掌握了這些特點(diǎn)求做功會(huì)簡單得多。（2）摩擦力做功：摩擦力做功與路徑有關(guān)，滑動(dòng)摩擦力的方向與物體之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相反，所以滑動(dòng)摩擦力可以做正功也可以做負(fù)功，例如：將A物體輕輕地放在運(yùn)動(dòng)的B物體上，當(dāng)兩個(gè)物體達(dá)到共同速度之前，摩擦力對(duì)A物體做正功，B受到的摩擦力做負(fù)功。靜摩擦力與相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相反，但是這不代表靜摩擦力不做功，不但如此靜摩擦力可以做正功：如A物體放在B物體上，兩個(gè)物體相對(duì)靜止一起加速前進(jìn)，這時(shí)A物體受到的靜摩擦力對(duì)A做正功。當(dāng)然靜摩擦力也可以做負(fù)功或不做功。比如：汽車在轉(zhuǎn)彎的時(shí)候靜摩擦力提供向心力，此時(shí)靜摩擦力與相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向垂直所以不做功。如果是靜摩擦力做功只涉及能量的轉(zhuǎn)移不涉及機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化，如果是滑動(dòng)摩擦力做功，轉(zhuǎn)化成的內(nèi)能等于滑動(dòng)摩擦力和兩物體相對(duì)位移的乘積。

例1：如圖1所示，傾角為θ的斜面上，有一質(zhì)量為m的滑塊距擋板P為S處以初速度v沿斜面上滑，滑塊與斜面間動(dòng)摩擦因數(shù)為μ，μ＜tanθ，若滑塊每次與擋板碰撞時(shí)沒有機(jī)械能損失，求滑塊在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中通過的總路程。圖1

解：由于滑動(dòng)摩擦力

f=μmgcosθ＜mgsinθ

所以物體最終必定停在P點(diǎn)處，由功能關(guān)系有

-（μmgcosθ）S=0-（mgSsinθ+mv）

S=

阻力做功也是與路徑有關(guān)，但它不同于摩擦力，它只能做負(fù)功，轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，動(dòng)能定理中對(duì)于動(dòng)能的變化應(yīng)記住一點(diǎn)就是，初末狀態(tài)應(yīng)該選擇同一個(gè)參考系。

二、機(jī)械能

機(jī)械能是動(dòng)能與部分勢能的總和，這里的勢能分為重力勢能和彈性勢能。決定動(dòng)能的是質(zhì)量與速度；決定重力勢能的是高度和質(zhì)量；決定彈性勢能的是勁度系數(shù)與形變量。動(dòng)能與勢能可相互轉(zhuǎn)化。機(jī)械能只是動(dòng)能與勢能的和。機(jī)械能是表示物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與高度的物理量。守恒指一個(gè)過程中某個(gè)量一直保持不變，而并非只是初、末兩狀態(tài)相同。機(jī)械能守恒定律的內(nèi)容：在只有重力和彈簧的彈力做功的情況下，物體的動(dòng)能和勢能才發(fā)生相互轉(zhuǎn)化，但機(jī)械能的總量保持不變。對(duì)守恒條件的理解：（1）僅有重力或彈力做功。物體不受其他外力的作用。（2）除重力和彈力外物體受其他力，其他力不做功。（3）除重力和彈力外，物體受的其他力做功的代數(shù)和為零。

對(duì)機(jī)械能守恒定律的理解：

（1）系統(tǒng)在初狀態(tài)的總機(jī)械能等于末狀態(tài)的總機(jī)械能。

即E=E或1/2mv+mgh=1/2mv+mgh

（2）物體（或系統(tǒng)）減少的勢能等于物體（或系統(tǒng)）增加的動(dòng)能，反之亦然。

即-ΔE=ΔE

（3）若系統(tǒng)內(nèi)只有A、B兩個(gè)物體，則A減少的機(jī)械能E等于B增加的機(jī)械能ΔE，即：-ΔE=ΔE

重力、彈力以外的力做正功，機(jī)械能增加；重力、彈力以外的力做負(fù)功，機(jī)械能減少。通常在不涉及時(shí)間和加速度的情況下，應(yīng)用機(jī)械能守恒定律解題較為簡便。要注意：機(jī)械能守恒定律是針對(duì)系統(tǒng)而言的，即便我們平時(shí)說某個(gè)物體具有重力勢能，實(shí)際上也是指由該物體和地球組成的系統(tǒng)所具有的重力勢能。

例2：長為L的均勻鏈條，放在光滑的水平桌面上，且使其長度的1/4垂在桌邊，如圖2所示，松手后鏈條從靜止開始沿桌邊下滑，則鏈條滑至剛剛離開桌邊時(shí)的速度大小為多大？圖2

解析：鏈條下滑時(shí)，因桌面光滑，沒有摩擦力做功。整根鏈條總的機(jī)械能守恒，可用機(jī)械能守恒定律求解。設(shè)整根鏈條質(zhì)量為m，則單位長度質(zhì)量（質(zhì)量線密度）為：m/L

設(shè)桌面重力勢能為零，由機(jī)械能守恒定律得.

-?g?=mv-mg

v=

電荷只有電場力做功時(shí)，電場能和動(dòng)能守恒。

例3：圖3中虛線所示為靜電場的等勢面1、2、3、4，相鄰的等勢面之間的電勢差相等，其中等勢面3的電勢為0.一帶正電的點(diǎn)電荷在靜電力的作用下運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過a、b點(diǎn)的動(dòng)能分別為26eV和5eV.當(dāng)這一點(diǎn)電荷運(yùn)動(dòng)到某一位置，其電勢能變?yōu)椋?eV時(shí)，它的動(dòng)能應(yīng)為（）

A.8eVB.13eVC.20eVD.34eV

答案為C［先求出等勢面3上的動(dòng)能，即可得出電荷的總能量］。

能量是物理學(xué)中描寫一個(gè)系統(tǒng)或一個(gè)過程的一個(gè)量。一個(gè)系統(tǒng)的能量可以被定義為從一個(gè)被定義的零能量的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為該系統(tǒng)現(xiàn)狀的功的總和。一個(gè)系統(tǒng)到底有多少能量在物理中并不是一個(gè)確定的值，它隨著對(duì)這個(gè)系統(tǒng)的描寫而變換，在高中部分重點(diǎn)研究的是能量的轉(zhuǎn)化，一旦掌握了這一個(gè)知識(shí)，物理題做起來就會(huì)簡單得多。