高中物理核心素養(yǎng)之能量觀念培養(yǎng)策略

能量是物質(zhì)屬性之一，其決定了物質(zhì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、物質(zhì)變化能力.能量形式多種多樣，包括動(dòng)能、熱能、電能、勢能等等.不同形式能量之間可以互相轉(zhuǎn)化，能量轉(zhuǎn)化無處不在，其決定了物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、變化規(guī)律.能量守恒定律作為高中物理基本定理之一，對(duì)于學(xué)生物理學(xué)習(xí)與探究而言具有重要意義.在高中物理學(xué)習(xí)中，同學(xué)們要掌握能量守恒定律，學(xué)會(huì)利用能量守恒定律解決問題.利用能量守恒定律，能夠大大提高學(xué)生解題效率，也可以將復(fù)雜的問題簡化為簡單的能量守恒模型，從而增加解題正確率1.

1利用能量守恒定律解決傳送帶問題

傳送帶問題是高中物理習(xí)題中的一大類別.此類習(xí)題主要描述了某場景內(nèi)傳送帶上的運(yùn)動(dòng)與能量變化，考查學(xué)生對(duì)題目內(nèi)運(yùn)動(dòng)與能量轉(zhuǎn)化關(guān)系的分析、運(yùn)用，要求學(xué)生把握能量守恒關(guān)系，通過不同的角度得出正確答案，深入理解傳送帶上存在的物理量關(guān)系，提高學(xué)生物理邏輯思維與辯證思維能力[2].

例1某物流運(yùn)輸車間內(nèi)有一個(gè)傾斜傳送裝置，裝置以 2m/s 的速度進(jìn)行勻速運(yùn)動(dòng).傳送裝置的傳送帶底端A處，一個(gè)質(zhì)量工件無初速釋放，工件質(zhì)量為 10kg ，且裝置內(nèi)傳送帶與水平面之間有夾角θ （角度 30^° ）.這一工件被傳送到裝置頂端的 B 點(diǎn)時(shí)，與距離A點(diǎn)之間的距離是 4m .已知裝置運(yùn)行過程中傳送帶與工件之間產(chǎn)生摩擦的動(dòng)摩擦系數(shù) μ 為，重力加速度g取10m/s2.求：

（1）從傳送帶底端 A 到裝置頂端 B 點(diǎn)所用的時(shí)間是多少？請(qǐng)利用運(yùn)動(dòng)學(xué)公式計(jì)算.

（2）傳送裝置運(yùn)行中，將物體從 A 點(diǎn)運(yùn)輸?shù)?B 點(diǎn)，電動(dòng)機(jī)的能量消耗是多少？

分析這道題中的主要物理量關(guān)系是傳送帶工件與裝置向上的摩擦力、重力向下分力之間的關(guān)系，屬于動(dòng)能、勢能與電能之間的能量轉(zhuǎn)化.第一問考查的是學(xué)生對(duì)勻速運(yùn)動(dòng)知識(shí)點(diǎn)的掌握與運(yùn)用，第二問考查的是學(xué)生對(duì)這組裝置內(nèi)能量轉(zhuǎn)化關(guān)系的把握.因此，本次研究只分析第二問.從能量守恒角度分析，物流車間內(nèi)傳送裝置運(yùn)行過程中額外消耗的電能被轉(zhuǎn)化為多種形式能量，其中部分轉(zhuǎn)化為物體動(dòng)能，讓工件在傳送帶上保持勻速運(yùn)動(dòng)，一部分在摩擦力的作用之下被轉(zhuǎn)化為內(nèi)能.

解答解題時(shí)要想求解出多消耗的電動(dòng)機(jī)能量，就要分別計(jì)算摩擦力所做的功、物體獲得的動(dòng)能與重力勢能.摩擦力所做的功 這部分能量是6OJ.工件在傳送裝置上獲得的動(dòng)能為

m2=20]，獲得的勢能為EpgH20J.根據(jù)這些計(jì)算得出電動(dòng)機(jī)的能量消耗，為 E_k+E_P=280J. （204號(hào)

2利用能量守恒定律解決實(shí)際生產(chǎn)效率問題

能量守恒是自然界的普遍規(guī)律，能量守恒定律可以適用于自然與現(xiàn)代社會(huì)生活中的大部分場景.在日常生產(chǎn)生活中，能量可以在不同的形式中進(jìn)行轉(zhuǎn)化，在轉(zhuǎn)化的過程中，其能量總量保持不變.在近幾年的物理試題中，實(shí)際生產(chǎn)效率問題是常見的題型，往往以真實(shí)的生產(chǎn)作業(yè)場景為題目背景，讓學(xué)生對(duì)真實(shí)場景中的能量關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)化分析，計(jì)算能量轉(zhuǎn)化過程中增加、減少的量.此類習(xí)題考查學(xué)生對(duì)真實(shí)場景中能量轉(zhuǎn)化原理的理解，要求學(xué)生能夠認(rèn)識(shí)勢能、動(dòng)能、電能等不同能量形式之間的本質(zhì)關(guān)聯(lián)[3].

例2“雙碳”背景下我國大力發(fā)展新能源發(fā)電，在我國的部分地區(qū)，風(fēng)力發(fā)電是主要的發(fā)電形式，利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)將自然界的風(fēng)能轉(zhuǎn)化成為電能.在內(nèi)蒙古的某個(gè)風(fēng)力發(fā)電廠內(nèi)，風(fēng)速常常在5～10m/s 之間.根據(jù)調(diào)查顯示，當(dāng)風(fēng)速為 9m/s 時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以達(dá)到 405kW 的輸出功率；當(dāng)風(fēng)速在5～10m/s 時(shí)，發(fā)電機(jī)保持著恒定的運(yùn)行效率，用A表示扇葉旋轉(zhuǎn)一周所掃的面積， p 表示其空氣密度.V 表示風(fēng)場的風(fēng)速，在風(fēng)場內(nèi)，風(fēng)保持正面吹扇葉，下面描述中正確的是（ ）

（A）在整個(gè)風(fēng)力發(fā)電廠中，風(fēng)速越大，則發(fā)電機(jī)的輸出電功率越多.（B）在單位時(shí)間內(nèi)，流過面積 A 的空氣動(dòng)能是這 ：（C）假如風(fēng)電場內(nèi)每天平均產(chǎn)出的風(fēng)能資源為1.0×10⁸kW ，那么每天可以發(fā)出 2.4×10⁹kW?h 的電量.（D）假如風(fēng)電場內(nèi)每年有 5000h 的時(shí)間，風(fēng)速都在6～10m/s ，則每年的發(fā)電量至少是 6.0×10⁵kW?h. （20分析這道題是經(jīng)典的風(fēng)能與電能之間轉(zhuǎn)化問題，學(xué)生解題時(shí)可以根據(jù)題目提取關(guān)鍵信息，提煉風(fēng)能與電能的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系模型，應(yīng)用能量守恒定理解決問題[4].

解答根據(jù)題目給出信息，在單位時(shí)間內(nèi)，流過面積 A 的流動(dòng)空氣體積為 V=Av ，質(zhì)量 m₀= ρAv ，動(dòng)能 pAv2，風(fēng)速為5～10m/s時(shí)，風(fēng)能向電能的有效轉(zhuǎn)化率不變.結(jié)合這些條件，可以判斷出本風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出電功率與風(fēng)速的三次方之間是正比例關(guān)系，因此，選項(xiàng)（A）與（B）不正確.題目中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)有著轉(zhuǎn)化的效率，在\"每天平均產(chǎn)出 1.0×10⁸kW 風(fēng)能資源”條件下，發(fā)電機(jī)發(fā)電量 Elt;1.0×10⁸×24kW?h=2.4× 10⁹kW?h ，因此可以判定（C）不正確.風(fēng)速取最小值6m/s ，此時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的年發(fā)電量也應(yīng)處于最小值狀態(tài).此時(shí)風(fēng)速取 6m/s ，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出電功率 ，因此發(fā)電機(jī)的年發(fā)電量最小值是： E=Pt=120×5000h=6.0×10⁵kW?h 因此選項(xiàng)（D）正確.

3利用能量守恒定律解決彈簧問題

輕彈簧屬于理想化物理模型，以輕質(zhì)彈簧作為載體，以復(fù)雜的物理運(yùn)動(dòng)作為背景，考查學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的應(yīng)用.根據(jù)近些年高中物理試題內(nèi)容設(shè)置情況，可以發(fā)現(xiàn)，以輕彈簧物理模型為核心的試題中，主要考查學(xué)生對(duì)力學(xué)概念、牛頓定律、功與能的轉(zhuǎn)化以及能量守恒相關(guān)知識(shí)的掌握情況，考查學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)解題的能力.面對(duì)此類問題，建議學(xué)生利用能量守恒關(guān)系分析題目內(nèi)物理量關(guān)系，利用能量守恒定律解決問題，從而提高解題效率[5].

例3如圖1所示，在滑塊B上固定一個(gè)輕質(zhì)彈簧，將彈簧的另外一端和滑塊 c 接觸，但是，彈簧與滑塊 C 沒有連接.將整個(gè)系統(tǒng)放置在距離地面高H 的光滑水平桌面上，在水平桌面上有一個(gè)光滑曲面，從距離桌面高 h 的位置，靜止釋放一個(gè)滑塊 A ，當(dāng)滑塊 A 和滑塊 B 碰撞后，對(duì)彈簧進(jìn)行壓縮，使得滑塊 C 發(fā)生運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間后，滑塊 C 離開彈簧在水平桌面運(yùn)動(dòng)，之后，從桌面邊緣飛出，已知m_A=m，m_B=2m，m_C=3m .求：

（1）在滑塊A和滑塊 B 碰撞結(jié)束時(shí)的瞬時(shí)速度U；

（2）彈簧被壓縮的最大彈性勢能 E_Pmax 是多少；（3）滑塊 c 落地后，落地位置與桌面邊緣之間的水平距離 s 是多少？

分析這道題的第三問考查的顯然是彈性勢能的能量轉(zhuǎn)化，要求學(xué)生根據(jù)裝置運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的各種勢能與動(dòng)能，分析其物理關(guān)系，運(yùn)用能量守恒定律解題[6].

解答問題（1），在光滑曲面上，距離水平桌面h位置，滑塊 A 由靜止下滑，在這個(gè)過程中，可以利用機(jī)械能守恒定律，設(shè)滑到桌面時(shí)的速度是 v₁ ，根據(jù)機(jī)械能守恒定律得出：mgh =m mAU2，則v= .在碰撞時(shí)， A，B 的整個(gè)系統(tǒng)能量守恒，在碰撞結(jié)束時(shí)，其瞬間速度均為 v ，利用動(dòng)量守恒定律：m_Av₁=（m_A+m_B）v ，得 .問題（2），在碰撞之后，三個(gè)滑塊對(duì)彈簧進(jìn)行壓縮，此過程中機(jī)械能守恒，在彈簧彈性勢能達(dá)到最大值時(shí)，三個(gè)滑塊速度相同，設(shè)速度為 v₂ ，結(jié)合動(dòng)量守恒定律：m_Av₁=（m_A+m_B+m_C）v₂ ，利用機(jī)械能守恒定律：EPmax （mA+mg）2-2（mA+mB+mc）u2，求出： mgh.問題（3），當(dāng)壓縮的彈簧恢復(fù)原本長度時(shí)，滑塊 c 與彈簧脫離，設(shè)滑塊 A，B 的速度為 v₃ ，滑塊 c 的速度為 v₄ ，利用動(dòng)量守恒定律與機(jī)械能守恒定律，則： （m_A+m_B）_V=（m_A+m_B）_V3+ ，求出 ，滑塊 c 從桌面邊緣飛出之后，做平拋運(yùn)動(dòng)， s=v₄t gt2，求出滑塊 C 的落地點(diǎn)與桌面邊緣之間的水平距離 s= （20

4結(jié)語

綜上所述，應(yīng)用能量守恒定律解決物理題，有助于提高學(xué)生解題效率與質(zhì)量，鍛煉學(xué)生物體解題能力，為學(xué)生進(jìn)一步深入探索物理問題、發(fā)展物理核心素養(yǎng)夯實(shí)基礎(chǔ).就本文研究分析的多種物理問題類型，可以看出，能量守恒定律在不同場景中呈現(xiàn)出不同的形式.學(xué)生要想利用能量守恒定律有效解題，就要緊緊把握題目條件，根據(jù)提供的信息分析其中存在的能量轉(zhuǎn)化、能量守恒關(guān)系，從而找準(zhǔn)方向應(yīng)用定律解決問題.

參考文獻(xiàn)：

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[4]馬二軍.機(jī)械能守恒定律問題的解題策略[J].數(shù)理天地（高中版），2024，（4）：25-26.

[5」李琴.高中物理機(jī)械能守恒的解題方法探究J」.數(shù)理天地（高中版），2024（2）：15—16.

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