力學(xué)中能量守恒定律的作用與意義分析

摘 要：物理知識在生活中的應(yīng)用十分廣泛，物理知識的學(xué)習(xí)不僅可以提升學(xué)生的物理素養(yǎng)，還有助于學(xué)生的全面發(fā)展?；诖?，本文以高中物理中的能量守恒定律作為研究對象，對其在力學(xué)中應(yīng)用的作用和意義進(jìn)行分析，首先介紹了能量守恒定律的內(nèi)涵及重要性，然后結(jié)合具體例題，分析了能量守恒定律在解答力學(xué)問題中的優(yōu)勢，能量守恒定律的應(yīng)用可以提高簡化力學(xué)問題的解題流程，使學(xué)生更容易找到解題思路，提高力學(xué)問題解答的效率和準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：力學(xué);能量守恒定律;動能定理

前言：作為物理學(xué)習(xí)的重要內(nèi)容，能量守恒定律在高中物理中占據(jù)重要地位，在力學(xué)、光學(xué)及電磁學(xué)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。在進(jìn)行能量守恒定律的教學(xué)及學(xué)習(xí)時(shí)，需要重點(diǎn)掌握能量守恒定律的概念、內(nèi)涵、計(jì)算公式及轉(zhuǎn)化路徑等內(nèi)容，這樣在解答物理問題時(shí)靈活應(yīng)用能量守恒定律，明確系統(tǒng)中能量變化，準(zhǔn)確解答物理問題。

一、能量守恒定律分析

能量守恒定律可以描述為一個系統(tǒng)的總能量可以用系統(tǒng)中傳入能量和傳出能量來表示，這一總能量涵蓋系統(tǒng)的內(nèi)能、機(jī)械能和熱能等多種形式的能量。在實(shí)際生活中，能量守恒定律的應(yīng)用較為廣泛，如水利發(fā)電是將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，核能發(fā)電是將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，再由機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。在高中力學(xué)知識中，能量守恒定律是重點(diǎn)內(nèi)容，幾乎貫穿于整個力學(xué)學(xué)習(xí)中，主要涉及到動能定理、動量定理以及及機(jī)械能守恒定律這三個方面。高中物理教師及高中生需要認(rèn)識到能量守恒定律的重要作用，加強(qiáng)能量守恒定律相關(guān)知識的教學(xué)效果，確保高中生可以深入了解能量守恒定律，并在高中力學(xué)問題中靈活應(yīng)用能量守恒定律解答問題，提高學(xué)生的物理素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)習(xí)能力，有助于學(xué)生物理學(xué)習(xí)成績的提升[1]。

二、力學(xué)中能量守恒定律的作用與意義分析

（一）能量守恒定律可以提高力學(xué)解題效率

在解答力學(xué)問題時(shí)，能量守恒定律的應(yīng)用可以顯著提高解題效率。結(jié)合能量守恒定律的相關(guān)知識，學(xué)生可以根據(jù)題目的已知條件，明確不同物體間的受力關(guān)系和能量關(guān)系，更快地找到解題思路，提高力學(xué)題目解答的效率和質(zhì)量。以下面一道例題為例：木板A靜止于光滑水平面上，木板A上方的最右端放置了一個木塊B，A在水平外力F的作用下，木板A的位移為s，木塊B沒有移動。如果加大外力F，則木塊B在木板A上方進(jìn)行相對滑動，木塊B的位移是Δs，這時(shí)木板A和木塊B的摩擦力為f，求上述兩種水平外力作用下，木板A和木塊B間的能量變化（包括木板A系統(tǒng)及木塊B系統(tǒng)動能及總能量的變化）和摩擦力f對木板A系統(tǒng)及木塊B系統(tǒng)做的功。

基于能量守恒定律，可以按照如下方式解答題目：當(dāng)水平外力F較小時(shí)，木塊B的動能變化可以按照動能定理進(jìn)行計(jì)算，即：ΔEkB=fs，這里的f是指靜摩擦力，木板A的動能變化是ΔEkA=Fs-fs，整個系統(tǒng)的動能變化為ΔEkB+ΔEkA=Fs;在水平外力F較大時(shí)，木板A和木塊B間存在滑動摩擦力，基于動能守恒定律，木塊B的動能變化為：ΔEkB’=f’（s-Δs），木板A的動能變化是ΔEkA’=Fs-f’s，整個系統(tǒng)的動能變化為ΔEkB’+ΔEkA’=Fs-f’Δs。在木板A和木塊B運(yùn)動過程中，不僅會出現(xiàn)動能變化，還存在內(nèi)能變化，這里的內(nèi)能變化是指兩者間滑動摩擦力產(chǎn)生的熱量，滑動摩擦力對木塊B做的功是正功，為f’（s-Δs）;對木板A做的是負(fù)功，為-f’s。按照能量守恒定律，其熱量就是f’Δs，做的功W=f’（s-Δs）--f’s=-f’Δs。在上述問題中，只要學(xué)生可以掌握能量守恒定律的相關(guān)知識，就可以迅速列出等式，正確解答題目。

（二）能量守恒定律可以簡化力學(xué)解題流程

在高中物理學(xué)習(xí)階段，力學(xué)系統(tǒng)中初始狀態(tài)和末狀態(tài)之間的機(jī)械能變化可以通過滑動摩擦力和相對位移之積來體現(xiàn)。因此，在解答相關(guān)力學(xué)題目時(shí)，如果根據(jù)題目已知條件，可以列出力學(xué)系統(tǒng)中的能量守恒公式，就可以通過能量守恒定律進(jìn)行力學(xué)問題的解答，能夠有效簡化解題流程，更快地得出問題的答案[2]。以下面一道例題為例：A、B兩個物體的質(zhì)量分別是m和M，A和B由一個不可伸縮的非彈性輕繩連接在一起，將物體A放置在斜面上，斜面的傾角為θ，動摩擦因數(shù)為μ，在斜面頂端安裝一個無摩擦的定滑輪，將輕繩穿過定滑輪，使物體B與水平線垂直。在初始狀態(tài)下，物體A和物體B的高度差是h，現(xiàn)由靜止釋放，使物體A和物體B進(jìn)行運(yùn)動，計(jì)算物體B落到物體A初始高度時(shí)的速度。

在解答上述問題時(shí)，可以將兩個物體和地球看做是一個力學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)的內(nèi)力是兩個物體的重力，外力可以用斜面對物體A的支持力和滑動摩擦力的和來表示。根據(jù)能量守恒定律，在兩個物體運(yùn)動過程中，輕繩對物體A作正功，對物體B作負(fù)功，兩者之和為0。由此可以看出，在物體運(yùn)動過程中，只有滑動摩擦力做功。在完成上述分析后，可以將物體A初始狀態(tài)下的水平面作為重力勢能參考平面，從而得出末狀態(tài)下力學(xué)系統(tǒng)的機(jī)械能計(jì)算公式：（M+m）+mghsinθ;在物體運(yùn)動過程中，能量變化值為μmghcosθ。所以，Mgh=（M+m）+mghsinθ+μmghcosθ，則問題的答案v=[2Mgh-2mgh（sinθ+μcosθ）/（M+m）]1/2。

對受力分析方法進(jìn)行有效對比，將m及M作為一個整體，則：

又比如：盒中有一木塊，木塊與盒子之間的動摩擦因數(shù)為μ，盒的質(zhì)量是木塊質(zhì)量的2倍，若木塊以速度v向左移動，在忽略碰撞時(shí)能量損失的情況下，則求取物體與盒子之間處于相對靜止?fàn)顟B(tài)下的速度。該問題的計(jì)算也可充分利用能量守恒定律對力學(xué)解題過程加以簡化。

結(jié)論：綜上所述，基于能量守恒定律，在解答物理問題時(shí)，可以通過對物體的始末狀態(tài)的分析，來確定能量轉(zhuǎn)化關(guān)系，提高力學(xué)問題解答的效率及準(zhǔn)確性，需要受到教師及學(xué)生的重視。通過本文的分析可知，高中生在解答力學(xué)問題時(shí)，需要對力學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行全面分析，如果力學(xué)系統(tǒng)中存在能量轉(zhuǎn)化，分析能量守恒定律在問題中的適用性，通過能量守恒定律公式的羅列，明確題目中已知條件和未知量的關(guān)系，從而正確解答力學(xué)題目，提高高中生的物理知識應(yīng)用能力，培養(yǎng)高中生的物理核心素養(yǎng)，促進(jìn)高中生的全面發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]劉弘燦.如何利用兩個力學(xué)守恒定律解決實(shí)際問題[J].中國高新區(qū)，2017（22）：77.

[2]黃致睿.如何用能量守恒分析高中物理問題[J].科技與企業(yè)，2016（02）：191.

作者簡介：王瑞峰（2000.12.03——），性別：男，民族：漢族，籍貫：內(nèi)蒙古包頭市，包頭市第一中學(xué)。