高中物理機(jī)械能守恒定律題型探究

寇得寶

(甘肅省白銀市平川中學(xué),甘肅 白銀 730913)

機(jī)械能守恒定律主要的題型可以分為三種,分別是機(jī)械能守恒的判斷、單物體機(jī)械能守恒、連接體機(jī)械能守恒三種題型,其難度有高有低,文章接下來對這三種題型進(jìn)行詳細(xì)分析.

1 機(jī)械能守恒的判斷題型

機(jī)械能守恒的判斷題型難度大都比較低,這部分題大多是對機(jī)械能守恒的基本定律、知識點(diǎn)為主,需要學(xué)生去了解在什么情況下系統(tǒng)機(jī)械能能夠達(dá)到守恒,以這個(gè)為基礎(chǔ)去做到深層次的學(xué)習(xí).這部分內(nèi)容需要教師帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行研究分析,通過題型來進(jìn)行思考學(xué)習(xí),逐漸地幫助學(xué)生促進(jìn)自身的學(xué)習(xí)質(zhì)量,提高物理能力[1].

例1 在下列選項(xiàng)當(dāng)中的運(yùn)動(dòng)中,機(jī)械能一定守恒的是( ).

A.在勻速直線運(yùn)動(dòng)中的物體

B.在勻變速直線運(yùn)動(dòng)中的物體

C.在平拋運(yùn)動(dòng)中的物體

D.在勻速圓周運(yùn)動(dòng)中的物體

解析這道題需要學(xué)生對運(yùn)動(dòng)的過程進(jìn)行分析,去分析動(dòng)能、重力勢能等是否變化,且運(yùn)動(dòng)當(dāng)中是否受到外力等條件,然后基于機(jī)械能守恒定律去思考實(shí)際問題.

解A.在勻速直線運(yùn)動(dòng)當(dāng)中,物體的動(dòng)能不會(huì)發(fā)生變化,但是重力勢能可能會(huì)出現(xiàn)變化,所以機(jī)械能不一定是守恒的,故A選項(xiàng)是錯(cuò)誤的;B.如果是在水平面上做的勻變速直線運(yùn)動(dòng),物體的動(dòng)能會(huì)不斷地變化,但是重力勢能不會(huì)改變,所以機(jī)械能是不守恒的,故B選項(xiàng)是錯(cuò)誤的;C.在平拋運(yùn)動(dòng)當(dāng)中,物體只受到一個(gè)重力,系統(tǒng)內(nèi)機(jī)械能必定守恒,故C選項(xiàng)正確;D.如果是在豎直平面上做的勻速圓周運(yùn)動(dòng),整個(gè)過程當(dāng)中的動(dòng)能不會(huì)改變,重力勢能是不斷變化的,所以機(jī)械能不守恒,故D選項(xiàng)錯(cuò)誤.

2 單物體的機(jī)械能守恒題型

單個(gè)物體的機(jī)械能守恒類型題大都是以大題、綜合題為主,但實(shí)際難度也不是特別的高,通過知識的原理和題意的理解,學(xué)生能夠快速地找到學(xué)習(xí)方向,從而明確自己的學(xué)習(xí)內(nèi)容.因此,對于課堂上的教學(xué)來說,就需要教師深度帶領(lǐng)學(xué)生去學(xué)習(xí)知識內(nèi)容,擺脫表面層次的理解,逐步地去加深學(xué)生在課堂上的學(xué)習(xí)質(zhì)量.

例2 在圖1當(dāng)中,一個(gè)半徑為R的光滑圓軌道AB,它在一個(gè)豎直平面上,圓心為O點(diǎn),且OA與水平的夾角為30°,OB在豎直方向上.這時(shí)在O點(diǎn)正上方一個(gè)質(zhì)點(diǎn)小球以一個(gè)水平初速度向右拋出,在運(yùn)動(dòng)過程中剛好能夠在A點(diǎn)進(jìn)去到圓弧軌道中,這時(shí)小球會(huì)隨著圓軌道繼續(xù)運(yùn)動(dòng),已知重力加速度為g.求下列問題;

圖1 例2題圖

(1)小球水平向右拋出時(shí)的初速度;

(2)在B點(diǎn)時(shí)小球?qū)壍赖膲毫Υ笮?

解析一般來說,這種題型難度都不高,但是需要考慮的內(nèi)容比較全面,本題涉及到了平拋運(yùn)動(dòng),所以學(xué)生就需要朝這個(gè)方向去思考,找到解題的突破口和關(guān)鍵點(diǎn).

解(1)設(shè)小球初速度為v0,飛行時(shí)間為t,水平方向:Rcos30°=v0t,

小球運(yùn)動(dòng)到A點(diǎn)時(shí)沒有發(fā)生碰撞,所以存在

(2)從拋出的位置運(yùn)動(dòng)到軌道的最低點(diǎn)時(shí),有

h=R+Rsin30°+h1,

可以假設(shè)在最低點(diǎn)B時(shí)的速度大小是v,圓弧軌道對小球的彈力大小為FN,

由機(jī)械能守恒定律,可以得到

聯(lián)立可以解得FN=6mg,

3 連接體的機(jī)械能守恒題型

機(jī)械能守恒的連接體類型難度開始逐步地上升,很多學(xué)生在這一方面很容易遇到問題,因?yàn)樗麄冋也坏竭@類題型中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,無法正確地進(jìn)行分析,從而就影響了學(xué)習(xí)的效率.針對這個(gè)現(xiàn)象,教師可以借助實(shí)際的連接體題型,帶領(lǐng)學(xué)生開展深入的探究思考,逐步地去實(shí)現(xiàn)學(xué)生對知識點(diǎn)的理解,以此促進(jìn)學(xué)習(xí)的效率[2].

例3 在圖2當(dāng)中,一個(gè)光滑的半圓環(huán)被固定在左側(cè)的豎直墻面上,這個(gè)半圓環(huán)的半徑大小R=0.3 m,在右側(cè)的豎直墻面上,與圓環(huán)圓心等高的地方固定了一個(gè)光滑的桿,一個(gè)小球a被套在半圓環(huán)上,且小球的質(zhì)量ma=100 g,一個(gè)滑塊b被套在右側(cè)直桿上,且質(zhì)量mb=36 g.兩個(gè)物體間通過一個(gè)長l=0.4 m的輕桿連接.現(xiàn)在將小球a在圓環(huán)的最高處釋放下來,整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中忽略摩擦力,將小球a和滑塊b看成質(zhì)點(diǎn),已知重力加速度g=10 m/s2.

圖2 例3題圖

(1)小球a到達(dá)圖中P點(diǎn)時(shí)所受到的向心力大小;

(2)當(dāng)小球下滑到圖2中桿與圓環(huán)相切的Q點(diǎn)時(shí),桿對滑塊b所做功的大小.

解析對于連接體來說,首先學(xué)生需要去找到一個(gè)探索點(diǎn),基于相互之間的聯(lián)系去進(jìn)行思考,根據(jù)題意找到解題的關(guān)鍵.

解(1)當(dāng)小球a運(yùn)動(dòng)到圖2中p點(diǎn)時(shí),小球a的速度v方向是豎直向下的,b的速度是0,

在P點(diǎn)對a進(jìn)行分析,根據(jù)牛頓第二定律得:

圖3 速度分解圖

a下降的高度有:h=Rcosθ,

對a、b和桿應(yīng)用機(jī)械能守恒得到:

對滑塊b,應(yīng)用動(dòng)能定理,得到

總而言之,對于機(jī)械能守恒定律來說,高中階段每一個(gè)學(xué)生都必須做到理解和熟練的應(yīng)用,如果對機(jī)械能守恒定律都不能做到理解的話,在以后物理的學(xué)習(xí)當(dāng)中會(huì)受到很大的抑制作用.所以,基于實(shí)現(xiàn)學(xué)生高效學(xué)習(xí)的目標(biāo),教師要通過實(shí)際問題來引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí),讓學(xué)生投入到物理題型的探究當(dāng)中,逐步地養(yǎng)成相應(yīng)的解題思路.