如何用能量守恒分析高中物理問題

黃致睿

【摘要】能量守恒定律是高中物理中非常重要的一個知識點(diǎn)，充分掌握該知識點(diǎn)可以提高學(xué)生對物理知識的分析能力。能量守恒并非單獨(dú)存在，其蘊(yùn)含在力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等學(xué)科內(nèi)，與其學(xué)科融會貫通。如何用能量守恒定律分析物理學(xué)中的各種問題，應(yīng)當(dāng)成為高中學(xué)生所掌握的技巧，其可以幫助學(xué)生在物理領(lǐng)域獲得更好的發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】能量守恒；高中物理；物理問題

前言

能量不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，其常常從一種形式轉(zhuǎn)化成為另一種形式，這也就是我們所接觸到的能量守恒與轉(zhuǎn)化定律。其是自然界非常重要的，并且是普遍存在的規(guī)律之一。在物理學(xué)中，通過對能量守恒定律的運(yùn)用能夠很好地解決相應(yīng)的問題。能量守恒定律是物理學(xué)中非常重要的一種問題解決方法，其在力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)中都有所涉及。運(yùn)用能量守恒定律解決物理中的相關(guān)問題，能夠提高學(xué)生的思維能力，幫助學(xué)生建立相應(yīng)的問題分析能力，培養(yǎng)學(xué)生的物理思維。作為一名高中生，應(yīng)當(dāng)對此定律予以充分掌握，并嘗試運(yùn)用其分析高中物理中的問題，提高自身的物理素質(zhì)修養(yǎng)。

一、力學(xué)中的能量守恒

我們在力學(xué)的學(xué)習(xí)過程中，最先接觸到的是能量守恒定律。物體間的相互作用被稱之為力，如果物體僅僅受到重力和彈力的作用，那么物體間的能量就會在動能和勢能之間相互轉(zhuǎn)化，但是機(jī)械能的總量保持不變。此被稱為機(jī)械能的守恒與轉(zhuǎn)化，是能量守恒定律在力學(xué)中的表現(xiàn)，是解決力學(xué)問題的一條重要途徑。

下面，筆者通過一道例題探析能量守恒定律在力學(xué)中的應(yīng)用。

例題：如圖1所示，水平傳輸帶勻速前行，其速度是v=2.0m/s，A端上方在傳料斗中裝有煤。在閥門打開的時候，煤依照流量為Q=50kg/s滾落到傳送帶上。在煤與傳送帶達(dá)到同速之后，被運(yùn)到B端。那么，煤在運(yùn)送過程中，下列說法正確的是（）

圖1

A.電動機(jī)應(yīng)增加的功率為100W

B.電動機(jī)應(yīng)增加的功率為200W

C.在一分鐘內(nèi)因煤與傳送帶摩擦生的熱為6.0×103J

D.在一分鐘內(nèi)因煤與傳送帶摩擦生的熱為1.2×104J

分析：此道例題可以通過能量守恒定律進(jìn)行分析。煤流到傳送帶之后，其在摩擦力的作用下所產(chǎn)生的初速度為0，并進(jìn)行的是直線勻加速運(yùn)動。此時，摩擦力對煤做的功是正功，對傳送帶所做的功是負(fù)功。這時候，傳送帶多做的功就會進(jìn)行轉(zhuǎn)化，形成煤的動能以及系統(tǒng)之間的熱量。也就是說，摩擦力所產(chǎn)生的能量進(jìn)行了轉(zhuǎn)化，而要想找到本題的正確答案，則需要對能量守恒定律有準(zhǔn)確的理解，根據(jù)能量守恒定律對此問題進(jìn)行準(zhǔn)確解答。

二、電學(xué)中的能量守恒

電場中的帶電物體受到電場力的作用，其所做的功等于給帶電物體電勢能增量的負(fù)值，也就是W=-?Ep其所反映的是通電導(dǎo)體被安倍力所做的功，其反映了電能和其他形式的能之間的守恒和轉(zhuǎn)化。我們在課堂上所學(xué)習(xí)到的歐姆定律，以及電磁感應(yīng)中的法拉第電磁感應(yīng)定律以及楞次定律等，都是能量守恒定律的直接反映。

例題：如圖2所示，水平光滑的桌面上并排排列三個帶有正電的質(zhì)點(diǎn)，其用數(shù)字表示為1、2、3。三個質(zhì)點(diǎn)均為與邊長為l的等邊三角形的三個頂點(diǎn)處，C是此三角形的中心。三個質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量均為m，所帶電荷為q。質(zhì)點(diǎn)1和3之間使用具有絕緣性質(zhì)的剛桿進(jìn)行連接，在3的位置使用沒有摩擦的鉸鏈進(jìn)行連接。開始時候三個質(zhì)點(diǎn)的速度都是0，那么在之后的運(yùn)動中，質(zhì)點(diǎn)3運(yùn)動到C處之后，其速度是多少？

分析：本題三個質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成系統(tǒng)，其不考慮所受外力的作用，僅僅是質(zhì)心C保持不變。那么，在初始狀態(tài)之下質(zhì)點(diǎn)3的位置就是，根據(jù)對稱原則可以得知質(zhì)點(diǎn)3會在質(zhì)點(diǎn)1、2作用下沿著OC方向運(yùn)動，三個質(zhì)點(diǎn)永遠(yuǎn)處于三角形的頂點(diǎn)位置，其質(zhì)量守恒的公式為?Ek=?EP。

三、光學(xué)中的能量守恒

光學(xué)中的能量守恒指的是在光的照射下，物體發(fā)射電子的現(xiàn)象，此被稱為光電效應(yīng)。在愛因斯坦的光電效應(yīng)方程式表達(dá)中，mv2=hv-W。此公式表達(dá)的是金屬中電子吸收光子的能量，其中一部分能量用于克服原子核對電子的引力做功，也就是常說的逸出功；另一部分多余的能量為電子離開金屬表面所具有的動能。因此，愛因斯坦的方程表達(dá)式，正是能量守恒定律的外在表現(xiàn)。在光學(xué)中，很多理論知識在學(xué)習(xí)時比較抽象，但是運(yùn)用能量守恒定律進(jìn)行總結(jié)和分析，其能量的轉(zhuǎn)化就會變得較為容易。因此，在光學(xué)中我們同樣需要運(yùn)用能量守恒定律幫助我們對其進(jìn)行更好的學(xué)習(xí)。

四、結(jié)語

自然界是一個非常豐富的世界，其運(yùn)動的形式多種多樣，能量守恒定律在其中表現(xiàn)的形式也不盡相同。能量守恒定律其適應(yīng)性非常普遍，我們在進(jìn)行物理的學(xué)習(xí)過程中，需要對其進(jìn)行充分掌握，對知識點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)理解，只有真正掌握該定律的內(nèi)涵，才能讓其幫助我們在物理的學(xué)習(xí)中獲得更大的發(fā)展和進(jìn)步。

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