對機(jī)械能守恒定律的認(rèn)識與應(yīng)用

賈文斐

摘 要： 機(jī)械能守恒定律是物理學(xué)中的重要組成部分，也是牛頓定律中的重要推論，它與物體的整個(gè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)情況是分不開的。本文分析了機(jī)械能守恒定律的內(nèi)涵和對機(jī)械能守恒定律認(rèn)識和理解，并對機(jī)械能守恒定律的應(yīng)用展開探討，目的是為了讓人們更透徹地理解機(jī)械能守恒定律，利用所學(xué)知識為生活服務(wù)。

關(guān)鍵詞： 機(jī)械能；機(jī)械能守恒定律；應(yīng)用

一：機(jī)械能守恒定律

機(jī)械能是動(dòng)能與勢能的總和，勢能又包括重力勢能與彈性勢能，因此動(dòng)能、重力勢能和彈性勢能統(tǒng)稱作機(jī)械能。機(jī)械能是指在不考慮摩擦力和介質(zhì)阻力的情況下，物體只發(fā)生動(dòng)能和勢能的轉(zhuǎn)化而且機(jī)械能的總量未發(fā)生變化，我們稱作機(jī)械能守恒定律。

機(jī)械能守恒定律的本質(zhì)：第一，從能量轉(zhuǎn)化角度來看，在物理過程中，系統(tǒng)的機(jī)械能總量始終保持一致，而且內(nèi)部間或與外部間沒有發(fā)生任何機(jī)械能轉(zhuǎn)化成其他形式能的情況，也沒有其他能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的情況，那么機(jī)械能是守恒的，比如水平面上的勻速圓周運(yùn)動(dòng)。第二，從功能關(guān)系來看，系統(tǒng)外力不做功，系統(tǒng)內(nèi)非保守力力也不做功，在這種條件下，機(jī)械能是守恒的。因?yàn)橄到y(tǒng)內(nèi)的保守力：重力和彈簧的彈力只是影響能量之間的轉(zhuǎn)化，不影響機(jī)械能的總量。

二：對機(jī)械能守恒定律的認(rèn)識

機(jī)械能守恒定律涉及到的是能量間的轉(zhuǎn)化與守恒，屬于自然界中普遍的規(guī)律。它與物體的整個(gè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的情況是分不開的，因此機(jī)械守恒定律在機(jī)械運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的表現(xiàn)形式是不同的，也有自己相應(yīng)的滿足條件。運(yùn)用這個(gè)定律的前提是對機(jī)械守恒定律成立的條件有正確的認(rèn)識和理解。

（一）對機(jī)械能守恒定律的正確認(rèn)識

第一：正確選取研究對象

機(jī)械能守恒定律的研究對象必須是在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)。假設(shè)有兩個(gè)物體A和B，單獨(dú)研究A或B機(jī)械能是不一定守恒的，但把A和B看作一個(gè)整體，在AB相互作用后，功之和為零的條件下，機(jī)械能守恒。

第二：正確理解機(jī)械能守恒定律滿足的條件

一是對某一個(gè)物體來說，如果只有重力（彈簧彈力）做功，這種情況下機(jī)械能守恒。二是對某一個(gè)系統(tǒng)來說，只有系統(tǒng)內(nèi)的保守力，即只有重力和彈簧彈力做功，能量之間相互轉(zhuǎn)化，則系統(tǒng)的機(jī)械能守恒。

第三：正確理解機(jī)械能守恒的相對性

機(jī)械能守恒的相對性是指動(dòng)能的大小與參考系是有關(guān)系的，勢能的大小與參考面有關(guān)，因此同一系統(tǒng)下，不同的參考系或參考面得到的結(jié)果是不同的。

（二）對機(jī)械能守恒定律的認(rèn)識誤區(qū)

第一：系統(tǒng)受到的合外力為零，則系統(tǒng)機(jī)械能守恒。系統(tǒng)中物體受力為零有兩種情況，一是系統(tǒng)中滑動(dòng)摩擦力在在做功，內(nèi)能產(chǎn)生，機(jī)械能減少，那么系統(tǒng)機(jī)械能不守恒；二是對于靜止和勻速直線運(yùn)動(dòng)的物體即使沒有滑動(dòng)摩擦力在做功，系統(tǒng)機(jī)械能也是不守恒的，如飛船返回艙接近地面進(jìn)行勻速下落的過程中機(jī)械能是不守恒的。

第二：系統(tǒng)動(dòng)能和勢能沒有發(fā)生變化，則系統(tǒng)機(jī)械能守恒。機(jī)械能守恒是能量轉(zhuǎn)化后的守恒，并不能簡單理解為不變。守恒是體現(xiàn)在一個(gè)動(dòng)態(tài)過程中，系統(tǒng)動(dòng)能和勢能沒有發(fā)生變化，沒有任何實(shí)質(zhì)的意義和價(jià)值，就像靜止不動(dòng)的物體，中間沒有發(fā)生任何運(yùn)動(dòng)和能量間的轉(zhuǎn)化，更不用說機(jī)械能守恒。

第三：系統(tǒng)只在彈力做功的情況下，機(jī)械能守恒。如果是系統(tǒng)內(nèi)的彈力做功，則機(jī)械能守恒，否則不守恒。

可見，運(yùn)用機(jī)械能守恒定律去分析運(yùn)動(dòng)的物體時(shí)，要注意分析在每個(gè)過程中機(jī)械能是否守恒，還要分析系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)能量間的轉(zhuǎn)化與結(jié)果。所以認(rèn)識到對機(jī)械能守恒定律的誤區(qū)，就能更透徹地理解機(jī)械能守恒定律，正確判斷出機(jī)械能是否守恒。

三：機(jī)械能守恒定律的應(yīng)用

在日常生活中，我們也會碰到很多機(jī)械守恒的實(shí)際例子，如自由落體運(yùn)動(dòng)，它的整個(gè)過程都是遵循機(jī)械能守恒定律。為了更形象簡單地解決機(jī)械能守恒問題和它的應(yīng)用，我們可以把復(fù)雜的實(shí)際情況轉(zhuǎn)化為簡單的易接受的物理模型。

（一）輕繩連接。第一，在輕繩繃緊時(shí)，系統(tǒng)中用輕繩連接的兩個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)方向是與連接的輕繩處的方向保持一致的，一定要注意兩個(gè)物體在輕繩繃緊過程中的任一時(shí)刻的速率是相同的。第二，系統(tǒng)內(nèi)兩個(gè)物體或某個(gè)物體在輕繩繃緊時(shí)的運(yùn)動(dòng)方向與連接的輕繩處成夾角，這樣的情況下，速率是不同的，就需要找出兩個(gè)物體的具體速率。

（二）杠桿連接。系統(tǒng)內(nèi)的物體通過杠桿來連接，而且繞桿上的一點(diǎn)在豎直方向做圓周運(yùn)動(dòng)，假設(shè)系統(tǒng)內(nèi)只有重力做功，系統(tǒng)的機(jī)械能守恒，運(yùn)用機(jī)械能守恒定律的公式和圓周運(yùn)動(dòng)的公式就可以解決這類問題。

（三）輕質(zhì)彈簧。當(dāng)遇到多個(gè)物體與彈簧構(gòu)成的問題時(shí)，我們選取研究對象時(shí)要慎重，而且要分析系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)物體動(dòng)能、勢能以及來自彈簧彈力的彈性勢能的變化，這樣才能更精確地分析出機(jī)械能。例如：在光滑的水平面上有A和B兩個(gè)物體，A與一個(gè)輕質(zhì)彈簧相連接，B以初速度V向右移動(dòng)，那么A和B在相互作用過程中，系統(tǒng)的外力和為零，而且只有彈力做功，則系統(tǒng)機(jī)械能守恒。當(dāng)A和B的速度相同時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)能消耗最大，彈性勢能最大。

四：總結(jié)

機(jī)械能守恒定律是物理學(xué)中重要的定律之一，它與物體的整個(gè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)有著密切的關(guān)系，在分析機(jī)械能是否守恒的過程中，我們一定要認(rèn)清機(jī)械能守恒滿足的條件，避免對機(jī)械能守恒定律認(rèn)識的誤區(qū)，這樣才能更透徹清楚地認(rèn)識和了解機(jī)械能守恒定律，具體地去分析物體在運(yùn)動(dòng)過程中各個(gè)能量間的轉(zhuǎn)化以及最后的能量之和，判斷出機(jī)械能是否守恒。同時(shí)，以簡單明了的物理模型去分析機(jī)械能守恒的應(yīng)用類型能夠?yàn)槿粘Ｉ钪械膯栴}提供依據(jù)，抓住分類與重點(diǎn)，這樣就能真正做到學(xué)以致用，為生活服務(wù)。

參考文獻(xiàn)

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