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    高中物理中的功能關(guān)系

    2015-02-14 12:58:38孫長喜
    新課程(下) 2015年3期
    關(guān)鍵詞:電場力重力勢能勢能

    孫長喜

    (甘肅省酒泉市玉門油田一中)

    功能關(guān)系是貫穿高中部物理學(xué)的一條主線,能量也是每年高考的必考內(nèi)容。功能關(guān)系同樣也是高中物理中的難點(diǎn),其根本的原因在于能的多樣性和復(fù)雜性,梳理整合各種功能關(guān)系對于物理的教和學(xué)都有至關(guān)重要的意義。

    首先,要正確的理清功和能的概念。功是一個過程量,所描述的是力在物體沿力的方向發(fā)生位移的過程中的積累效應(yīng),也可以說是力的空間積累效應(yīng)。能是狀態(tài)量,可以以多種不同的形式存在。按照物質(zhì)的不同運(yùn)動形式分類,能量可分為機(jī)械能、化學(xué)能、熱能、電能、輻射能、核能。這些不同形式的能量之間可以通過物理過程或化學(xué)反應(yīng)而相互轉(zhuǎn)化。

    其次,明確做功的過程就是能量轉(zhuǎn)化的過程。做了多少功可以用轉(zhuǎn)化了多少能量來度量;反過來,某個過程轉(zhuǎn)化了多少能量,可以用該過程做了多少功來度量。二者既是兩個完全不同的概念,但又有著緊密聯(lián)系不可分割。下面具體分析各種功能關(guān)系。

    一、各種形式的能與功的對應(yīng)關(guān)系

    1.重力做功與重力勢能變化的關(guān)系

    WG=mg(h1-h2)=mgh1-mgh2=-(mgh2-mgh1)=-ΔEp

    重力做的功等于重力勢能的減量,重力做正功,重力勢能減??;重力做負(fù)功,重力勢能增加;增加或減少的量等于重力做功的多少。同樣在有關(guān)天體運(yùn)動中,萬有引力做的功等于引力勢能的減量。

    2.彈簧的彈力做功與彈性勢能變化的關(guān)系

    W彈=-ΔEp

    彈簧的彈力做的功等于彈性勢能的減量,彈簧彈力做正功彈性勢能減少;彈力做負(fù)功,彈性勢能增加;增減的多少等于彈力做功的數(shù)值。

    3.電場力做功與電勢能變化的關(guān)系

    W電=qUAB=q(φA-φB)=qφA-qφB=EpA-EpB=-(EpB-EpA)=-ΔEp

    電場力做的功等于彈性勢能的減量,電場力做正功,電勢能減?。浑妶隽ψ鲐?fù)功,電勢能增加;增加或減少的量等于電場力做功的多少。

    4.分子力做功與分子勢能的變化關(guān)系

    W分=-ΔEp

    分子力做的功等于分子勢能的減量,分子力做正功,分子勢能減??;分子力做負(fù)功,分子勢能增加;增加或減少的量等于分子力做功的多少。

    5.合力做功與動能變化的關(guān)系

    W合=

    合力所做的功等于動能的增量(變化量),合力做正功,動能增加;合力做負(fù)功,動能減?。辉黾踊驕p少的動能等于合力做功的多少。

    二、高中物理中的有關(guān)能量的守恒問題

    1.對單個物體,只有重力做功(除重力以外其他力所做總功等于零),物體的動能和重力勢能(與地球系統(tǒng))總和保持不變。

    2.對物體與彈簧組成的系統(tǒng),只有彈簧彈力做功(除彈力以外其他力所做總功為零),物體的動能與彈簧的彈性勢能之和保持不變。

    根據(jù)彈簧的彈力做功與彈性勢能變化的關(guān)系有W彈=Ep1-Ep2

    又W彈=W合=Ek2-Ek1

    即Ep1-Ep2=Ek2-Ek1

    3.對物體與彈簧組成的系統(tǒng),只有重力和彈簧的彈力做功(或除重力,彈簧彈力以外其他力所做的總功為零),物體的動能、重力勢能、彈簧的彈性勢能總和保持不變,系統(tǒng)機(jī)械能守恒。

    理論推導(dǎo)如下:

    W彈=Ep1-Ep2

    WG=mgh1-mgh2

    據(jù)動能定理

    W彈+WG=Ek2-Ek1

    即(Ep1-Ep2)+(mgh1-mgh2)=Ek2-Ek1

    得Ep1+mgh1+mgh1=Ep2+mgh2+Ek2

    4.只有電場力做功時,電勢能與動能之和保持不變。

    WAB=EPA-EPB

    據(jù)動能定理WAB=EkB-EKA

    則EPA-EPB=EkB-EKA或EPA+EKA=EPB+EkB

    5.只有重力和電場力做功時,機(jī)械能和電勢能的總和保持不變

    WG=mghA-mghB

    W電=qUAB=EpA-EpB

    據(jù)動能定理WG+W電=EkB-EkA

    即(mghA-mghB)+(EpA-EpB)=EkB-EkA

    則mghA+EpA+EkA=mghB+EpB+EkB

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