高中物理中的能量轉化題

張嬌月

高中物理分為幾大塊，包括力學、熱學、電學、光學、原子物理。其中我最喜歡的是能量這個物理量，在物理學中，“能量”為一個間接觀察到的物理量，其往往被視為某一個物理系統(tǒng)對其他它物理系統(tǒng)做功的能力。對應于不同形式的運動，“能量”分為機械能、分子內能、電能、化學能、原子能等，又簡稱為“能”。高中部分主要研究的有機械能、電勢能，這兩種能存在于必修部分里，核能存在于選修部分中，所占分值略低。我從事高中教學以來，一直喜歡用動能定理或機械能守恒定律來解題。這樣的解題方法少了很多中間過程，解題步驟簡單而又快捷，易于掌握。

一、動能定理

動能定理的內容是：“合外力做功等于物體動能的變化量。”對于這個定理應該這樣理解，合外力做功可以理解為外力做功之和或者是先求出合外力再求合外力做的功。動能變化量指的是初末狀態(tài)動能的差值。關于做功這里要強調一下，定義指的是力與力的方向上的位移的乘積。但是在高中部分我們可以總結如下：（1）重力、彈力做功僅與初末位置差有關。以重力做功為例，將一個小球從高處釋放，它與地面多次碰撞，最后停在地面上，求小球的重力做功，只要知道小球的初末位置的高度差就可以，重力做功轉化為重力勢能。對于彈力做功高中部分要求較低，雖然我在講課的過程中也講了彈力做功的公式，但是近幾年在高考題中沒有出現(xiàn)求彈力做功的題。因為考綱中不要求掌握這個公式，只要掌握彈力做功的特點及彈力做功與彈性勢能之間的關系就行。在電學中電場力做功與電勢差有關，與實際經(jīng)過的路徑無關，如果一個電荷在等勢面上移動，那么電場力對這個電荷不做功，只要知道電勢差的大小就知道了電場力做功的大小，電場力做功轉化為電勢能。洛倫茲力始終與電荷的運動方向相垂直，所以洛倫茲力不做功。以上的這幾個力有著明顯的特點，掌握了這些特點求做功會簡單得多。（2）摩擦力做功：摩擦力做功與路徑有關，滑動摩擦力的方向與物體之間相對運動方向相反，所以滑動摩擦力可以做正功也可以做負功，例如：將A物體輕輕地放在運動的B物體上，當兩個物體達到共同速度之前，摩擦力對A物體做正功，B受到的摩擦力做負功。靜摩擦力與相對運動方向相反，但是這不代表靜摩擦力不做功，不但如此靜摩擦力可以做正功：如A物體放在B物體上，兩個物體相對靜止一起加速前進，這時A物體受到的靜摩擦力對A做正功。當然靜摩擦力也可以做負功或不做功。比如：汽車在轉彎的時候靜摩擦力提供向心力，此時靜摩擦力與相對運動方向垂直所以不做功。如果是靜摩擦力做功只涉及能量的轉移不涉及機械能和內能的轉化，如果是滑動摩擦力做功，轉化成的內能等于滑動摩擦力和兩物體相對位移的乘積。

例1：如圖1所示，傾角為θ的斜面上，有一質量為m的滑塊距擋板P為S處以初速度v沿斜面上滑，滑塊與斜面間動摩擦因數(shù)為μ，μ＜tanθ，若滑塊每次與擋板碰撞時沒有機械能損失，求滑塊在整個運動過程中通過的總路程。圖1

解：由于滑動摩擦力

f=μmgcosθ＜mgsinθ

所以物體最終必定停在P點處，由功能關系有

-（μmgcosθ）S=0-（mgSsinθ+mv）

S=

阻力做功也是與路徑有關，但它不同于摩擦力，它只能做負功，轉化為內能，動能定理中對于動能的變化應記住一點就是，初末狀態(tài)應該選擇同一個參考系。

二、機械能

機械能是動能與部分勢能的總和，這里的勢能分為重力勢能和彈性勢能。決定動能的是質量與速度；決定重力勢能的是高度和質量；決定彈性勢能的是勁度系數(shù)與形變量。動能與勢能可相互轉化。機械能只是動能與勢能的和。機械能是表示物體運動狀態(tài)與高度的物理量。守恒指一個過程中某個量一直保持不變，而并非只是初、末兩狀態(tài)相同。機械能守恒定律的內容：在只有重力和彈簧的彈力做功的情況下，物體的動能和勢能才發(fā)生相互轉化，但機械能的總量保持不變。對守恒條件的理解：（1）僅有重力或彈力做功。物體不受其他外力的作用。（2）除重力和彈力外物體受其他力，其他力不做功。（3）除重力和彈力外，物體受的其他力做功的代數(shù)和為零。

對機械能守恒定律的理解：

（1）系統(tǒng)在初狀態(tài)的總機械能等于末狀態(tài)的總機械能。

即E=E或1/2mv+mgh=1/2mv+mgh

（2）物體（或系統(tǒng)）減少的勢能等于物體（或系統(tǒng)）增加的動能，反之亦然。

即-ΔE=ΔE

（3）若系統(tǒng)內只有A、B兩個物體，則A減少的機械能E等于B增加的機械能ΔE，即：-ΔE=ΔE

重力、彈力以外的力做正功，機械能增加；重力、彈力以外的力做負功，機械能減少。通常在不涉及時間和加速度的情況下，應用機械能守恒定律解題較為簡便。要注意：機械能守恒定律是針對系統(tǒng)而言的，即便我們平時說某個物體具有重力勢能，實際上也是指由該物體和地球組成的系統(tǒng)所具有的重力勢能。

例2：長為L的均勻鏈條，放在光滑的水平桌面上，且使其長度的1/4垂在桌邊，如圖2所示，松手后鏈條從靜止開始沿桌邊下滑，則鏈條滑至剛剛離開桌邊時的速度大小為多大？圖2

解析：鏈條下滑時，因桌面光滑，沒有摩擦力做功。整根鏈條總的機械能守恒，可用機械能守恒定律求解。設整根鏈條質量為m，則單位長度質量（質量線密度）為：m/L

設桌面重力勢能為零，由機械能守恒定律得.

-?g?=mv-mg

v=

電荷只有電場力做功時，電場能和動能守恒。

例3：圖3中虛線所示為靜電場的等勢面1、2、3、4，相鄰的等勢面之間的電勢差相等，其中等勢面3的電勢為0.一帶正電的點電荷在靜電力的作用下運動，經(jīng)過a、b點的動能分別為26eV和5eV.當這一點電荷運動到某一位置，其電勢能變?yōu)椋?eV時，它的動能應為（）

A.8eVB.13eVC.20eVD.34eV

答案為C［先求出等勢面3上的動能，即可得出電荷的總能量］。

能量是物理學中描寫一個系統(tǒng)或一個過程的一個量。一個系統(tǒng)的能量可以被定義為從一個被定義的零能量的狀態(tài)轉換為該系統(tǒng)現(xiàn)狀的功的總和。一個系統(tǒng)到底有多少能量在物理中并不是一個確定的值，它隨著對這個系統(tǒng)的描寫而變換，在高中部分重點研究的是能量的轉化，一旦掌握了這一個知識，物理題做起來就會簡單得多。