高中物理中機(jī)械能守恒定律問題的解題策略

劉海平

摘?要：機(jī)械能守恒定律是高中階段常用的一個(gè)物理知識(shí)，也是教師教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容，同時(shí)，這一內(nèi)容對(duì)于學(xué)生們來說學(xué)習(xí)的難度較大.教師要從知識(shí)的形成以及學(xué)生的認(rèn)知過程等角度進(jìn)行分析，引導(dǎo)學(xué)生更好地利用機(jī)械能守恒定律來解決問題，本文就簡要的分析了這一教學(xué)任務(wù).

關(guān)鍵詞：高中;物理;機(jī)械能守恒定律;解題;策略

中圖分類號(hào)：G632文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1008-0333（2020）22-0087-02

在高中階段的物理學(xué)習(xí)過程中，機(jī)械能守恒定律一直是學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，其中主要利用了力學(xué)和能量學(xué)知識(shí).但是學(xué)生對(duì)于這一定律的掌握效果并不理想，教師需要幫助學(xué)生分析問題、善于總結(jié)相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，遵循一定的解題思路和策略，靈活的用于題目的分析和解決中來.

一、利用機(jī)械能守恒定理，做出基本判斷

為了解決機(jī)械能守恒類的教學(xué)問題，首先要對(duì)相應(yīng)的定律等知識(shí)形成深刻的認(rèn)知，結(jié)合實(shí)際的情況，對(duì)研究的對(duì)象是否屬于守恒狀態(tài)進(jìn)行判斷.首先這一點(diǎn)，主要可以以以下三個(gè)途徑進(jìn)行判斷：首先，是直接判斷法，其次是間接判斷法，最后是能量判斷法.學(xué)生首先要明確機(jī)械能守恒的基本條件，這一定律是指兩個(gè)或兩個(gè)以上的系統(tǒng)之間存在相互作用，在高中階段的研究對(duì)象中，主要的機(jī)械能是動(dòng)能和勢能，勢能又可以分為彈性勢能和重力勢能.因此，只有從根本上了解了機(jī)械能守恒定律，才能夠有效的建立起物理關(guān)系結(jié)構(gòu).

例如，如圖1，在某水平光滑地面上擱置一個(gè)三角形斜面，其上面擱置一個(gè)小木塊，已知斜面表面、木塊表面也都為光滑面，那么在小木塊下滑的過程中，其機(jī)械能是否保持守恒？如果將木塊和斜面看作是一個(gè)系統(tǒng)，那整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械能是否守恒呢？首先，判斷這一題目的機(jī)械能是否守恒，先將木塊和斜面看作是一個(gè)完整的系統(tǒng)，根據(jù)以上提到的三個(gè)判斷方法.基于已知條件可知，上述物體相互接觸的面都是光滑的，所以小木塊在沿著斜面下滑時(shí)不會(huì)存在摩擦力，其不會(huì)做功，這符合機(jī)械能守恒的基本條件，所以在斜面與小木塊二者共同構(gòu)成的系統(tǒng)中，機(jī)械能是保持守恒的.而小木塊給斜面施加了垂直向下的作用力，所以其對(duì)斜面是做正功的，這使得斜面的機(jī)械能表現(xiàn)為增加的情況.但是，由于整個(gè)系統(tǒng)已被驗(yàn)證是能量守恒的，而斜面機(jī)械能增加，意味著木塊的機(jī)械能是減少的，因此當(dāng)木塊作為單獨(dú)的研究對(duì)象分析時(shí)，其機(jī)械能是不守恒的.

二、利用機(jī)械能守恒定理，研究單個(gè)物體

在機(jī)械能守恒定律的應(yīng)用中，主要可以分為兩個(gè)不同的研究對(duì)象，一個(gè)是單獨(dú)物體的機(jī)械能守恒，另一個(gè)是系統(tǒng)的機(jī)械能守恒.針對(duì)于單個(gè)物體的機(jī)械能守恒，主要可以分為四種不同類型的題目，即：基于阻力不計(jì)的拋物類型題、以固定光滑圓弧為基準(zhǔn)的滑動(dòng)類型題、以某固定點(diǎn)為擺動(dòng)點(diǎn)擺動(dòng)類型題、以斜面為基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)類型題.針對(duì)不同的類型題分析，都可以在確定研究對(duì)象的基礎(chǔ)上，靈活運(yùn)用機(jī)械能守恒定理進(jìn)行解題.

例如，以基于阻力不計(jì)的拋物類型題為例，現(xiàn)位于距離地面高度為H的樓層位置處，以V0水平拋出一個(gè)小球，試求解小球落地后的速度？（注：忽略空氣阻力）.在分析這一問題時(shí)，機(jī)械能守恒定律是一個(gè)非常方便的解題策略.首先，需要選擇一個(gè)恰當(dāng)?shù)牧銊菽苊?，設(shè)定該平面的勢能為0，在這個(gè)題目中，選擇地面當(dāng)成零勢能面最佳.小球在拋落過程中僅有重力做功，具體就是重力勢能和動(dòng)能二者之間相互轉(zhuǎn)換，所以機(jī)械能守恒，可以列出拋出時(shí)刻與著地時(shí)候的對(duì)應(yīng)機(jī)械能守恒，即：mgH+mV20/2=mV2t/2，這樣就可以快速求解出所求問題的正確答案.學(xué)生們只需要將題目給出的信息代入，就能夠很快的計(jì)算出來，落地時(shí)的速度.再比如，如圖2：高度為h的位置斜向上拋出一個(gè)質(zhì)量為m的物體，初速度為V0求解小球落地時(shí)的速度.這一題目與上衣題目類似，不同點(diǎn)在于拋出小球時(shí)的方向，這一點(diǎn)很容易誤導(dǎo)學(xué)生，但是仔細(xì)分析題目，這一點(diǎn)與機(jī)械能守恒定律的應(yīng)用并不相關(guān)，因此還可以按照上一題目進(jìn)行列式，得到答案為Vt=V20+2gh.

三、利用機(jī)械能守恒定理，研究系統(tǒng)能量

與單個(gè)物體的機(jī)械能量守恒相比，系統(tǒng)的能量守恒較為復(fù)雜，涉及到的方面更加廣泛，包括了輕桿連接、繩子連接、在水平面上自由擺動(dòng)等幾種類型.以繩子連接為例題，如圖3，在一個(gè)表面光滑的定滑輪上面繞過一根輕繩，其兩端分別懸掛重量為M和N的長方形鐵塊，并且已知M>N.在開始運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，首先握住鐵塊M，使其保持在圖示的位置處.求當(dāng)物塊M從靜止?fàn)顟B(tài)釋放，在下落距離起始位置為h處的下落速度？假定高度h正好是M從靜止?fàn)顟B(tài)下落到地面的高度，那么N上升的高度又是多少呢？（繩子與滑輪重力不計(jì)，高度h<<繩子長度.）在這一道題目的分析過程中，必須要將M和N看做一個(gè)整體，那么做功的僅為重力，所以滿足機(jī)械能守恒的基本條件，此時(shí)鐵塊N對(duì)應(yīng)的機(jī)械能為mgh+2mV2/2，呈現(xiàn)為逐步增加的變化，而鐵塊M的機(jī)械能為Mgh-mV2/2，會(huì)相應(yīng)地減小.基于機(jī)械能守恒定律可知，鐵塊N增加的機(jī)械能恰好等于鐵塊M減少的機(jī)械能，因此聯(lián)立兩個(gè)式子，得到速度v的大小.第二個(gè)問題，需要注意不需要確定零勢能面，只需要按照M的機(jī)械能減少量等于N的機(jī)械能增加量即可解決.

總之，在高中階段的物理學(xué)習(xí)過程中，機(jī)械能守恒定律是一個(gè)非常重要的教學(xué)內(nèi)容，需要學(xué)生熟練的應(yīng)用這一定律于不同的情境中，并且選擇好研究對(duì)象，是單獨(dú)物體還是系統(tǒng)，從而提高解題效率.

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