運(yùn)用能量守恒解決物理問題

羅希越

（湖北省實(shí)驗(yàn)中學(xué)三（四）班 湖北武漢 430060）

運(yùn)用能量守恒解決物理問題

羅希越

（湖北省實(shí)驗(yàn)中學(xué)三（四）班 湖北武漢 430060）

能量守恒是指在重力工作條件下，勢能與動能相互轉(zhuǎn)換過程中機(jī)械能不變，如果學(xué)生掌握好這個定律，對學(xué)習(xí)物理以及發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律有著很大的幫助。守恒的方式多元化，對于高中學(xué)生來說，接受和理解以及利用能量守恒解決難題對教師教學(xué)方法有著很大的關(guān)聯(lián)。本文結(jié)合近年來高考中的能量守恒問題，從不同角度來分析每一種題型的規(guī)律。

能量守恒 物理問題 解決措施

一、不容忽視的能量守恒定律

能量守恒是較為常見的規(guī)律之一，是針對各種守恒與能量轉(zhuǎn)化的。正是因?yàn)檫@個意義過于簡單，所以學(xué)生往往忽視了能量守恒的存在。其具體變現(xiàn)為，有時候?qū)W生錯誤應(yīng)用，有時候?qū)W生忘記應(yīng)用。學(xué)生在應(yīng)用中不能夠分析出對能量損失。比如，在物體的碰撞過程中損失的機(jī)械能。磁場震蕩中輻射的損失等。對于錯誤應(yīng)用，我發(fā)現(xiàn)這與教師在教學(xué)中的引導(dǎo)有著莫大的關(guān)系，導(dǎo)致學(xué)生經(jīng)常無電阻無摩擦損耗作為能量守恒的解決條件。比如，在電磁場的教學(xué)中，重點(diǎn)是分析震蕩中的能量轉(zhuǎn)化，卻不能忽視電磁輻射的能量損失。有些教師就是忽視的輻射損失，導(dǎo)致學(xué)生錯誤應(yīng)用能量守恒。所以，在實(shí)際教學(xué)中，教師應(yīng)重視教材的知識點(diǎn)以及教材的連貫性以及內(nèi)在聯(lián)系，讓學(xué)生能夠全面的分析和了解物理現(xiàn)象中出現(xiàn)的能量守恒問題。［1］

在高考中，能量守恒考題主要分多體和單體問題，單體的機(jī)械能守恒在高考中基本不會出現(xiàn)，都是以多體能量守恒為主，主要開叉在多個物體組成的能量系統(tǒng)中出現(xiàn)的能量守恒問題。這類的習(xí)題我們要從整體意識入手，將多個物體化零為整組成一個能量系統(tǒng)，這樣機(jī)械能量守恒定律才適合這個系統(tǒng)，也就是：組成系統(tǒng)的各個物體之間只有動能和勢能之間的轉(zhuǎn)化，沒有機(jī)械能與其他形式的能量之間的轉(zhuǎn)化時，則系統(tǒng)的機(jī)械能守恒。

從上面可以看出，高中能量守恒定律是有章可循的，只要將問題按照模型進(jìn)行分類，向?qū)W生灌輸模型概念，并且找出每種模型的規(guī)律就會找到對應(yīng)的解題方法和技巧。比如，解決滑槽模型類的問題，就是認(rèn)清物體運(yùn)動的過程，找到運(yùn)動過程中的最低點(diǎn)以及最高點(diǎn)時速度相同的條件，這樣就可以輕松解決問題。同樣動量守恒也可以建模，如，典型的碰撞模型滑塊模型，這種模型之間索然沒有本質(zhì)上的區(qū)別，但是也要想學(xué)生講明，動量守恒的過程與條件。在這個過程中，要開發(fā)學(xué)生的思考，讓學(xué)生腦中出現(xiàn)一個完整清晰的物理情景。隨后闡述總物理過程并分成若干個子過程，這樣學(xué)生的思維就會變得活躍，能量守恒問題也就迎刃而解。

二、教學(xué)案例

1.力學(xué)中的能量守恒

我們在力學(xué)的學(xué)習(xí)過程中，最先接觸到的是能量守恒定律。物體間的相互作用被稱之為力，如果物體僅僅受到重力和彈力的作用，那么物體間的能量就會在動能和勢能之間相互轉(zhuǎn)化，但是機(jī)械能的總量保持不變。此被稱為機(jī)械能的守恒與轉(zhuǎn)化，是能量守恒定律在力學(xué)中的表現(xiàn)，是解決力學(xué)問題的一條重要途徑。

下面，筆者通過一道例題探析能量守恒定律在力學(xué)中的應(yīng)用。

例題：如圖1所示，水平傳輸帶勻速前行，其速度是v=2.0m/ s，A端上方在傳料斗中裝有煤。在閥門打開的時候，煤依照流量為Q=50kg/s滾落到傳送帶上。在煤與傳送帶達(dá)到同速之后，被運(yùn)到B端。那么，煤在運(yùn)送過程中，下列說法正確的是（）

A.電動機(jī)應(yīng)增加的功率為100W

B.電動機(jī)應(yīng)增加的功率為200W

C.在一分鐘內(nèi)因煤與傳送帶摩擦生的熱為6.0×103JD.在一分鐘內(nèi)因煤與傳送帶摩擦生的熱為1.2×104J分析：此道例題可以通過能量守恒定律進(jìn)行分析。煤流到傳送帶之后，其在摩擦力的作用下所產(chǎn)生的初速度為0，并進(jìn)行的是直線勻加速運(yùn)動。此時，摩擦力對煤做的功是正功，對傳送帶所做的功是負(fù)功。這時候，傳送帶多做的功就會進(jìn)行轉(zhuǎn)化，形成煤的動能以及系統(tǒng)之間的熱量。也就是說，摩擦力所產(chǎn)生的能量進(jìn)行了轉(zhuǎn)化，而要想找到本題的正確答案，則需要對能量守恒定律有準(zhǔn)確的理解，根據(jù)能量守恒定律對此問題進(jìn)行準(zhǔn)確解答。

圖1

2.電學(xué)中的能量守恒

電場中的帶電物體受到電場力的作用，其所做的功等于給帶電物體電勢能增量的負(fù)值，也就是W=-DEp其所反映的是通電導(dǎo)體被安倍力所做的功，其反映了電能和其他形式的能之間的守恒和轉(zhuǎn)化。我們在課堂上所學(xué)習(xí)到的歐姆定律，以及電磁感應(yīng)中的法拉第電磁感應(yīng)定律以及楞次定律等，都是能量守恒定律的直接反映。

例題：如圖2所示，水平光滑的桌面上并排排列三個帶有正電的質(zhì)點(diǎn)，其用數(shù)字表示為1、2、3。三個質(zhì)點(diǎn)均為與邊長為l的等邊三角形的三個頂點(diǎn)處，C是此三角形的中心。三個質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量均為m，所帶電荷為q。質(zhì)點(diǎn)1和3之間使用具有絕緣性質(zhì)的剛桿進(jìn)行連接，在3的位置使用沒有摩擦的鉸鏈進(jìn)行連接。開始時候三個質(zhì)點(diǎn)的速度都是0，那么在之后的運(yùn)動中，質(zhì)點(diǎn)3運(yùn)動到C處之后，其速度是多少？

圖2

分析：本題三個質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成系統(tǒng)，其不考慮所受外力的作用，僅僅是質(zhì)心C保持不變。那么，在初始狀態(tài)之下質(zhì)點(diǎn)3的位置就是，根據(jù)對稱原則可以得知質(zhì)點(diǎn)3會在質(zhì)點(diǎn)1、2作用下沿著OC方向運(yùn)動，三個質(zhì)點(diǎn)永遠(yuǎn)處于三角形的頂點(diǎn)位置，其質(zhì)量守恒的公式為Ek=EP。

3.光學(xué)中的能量守恒

光學(xué)中的能量守恒指的是在光的照射下，物體發(fā)射電子的現(xiàn)象，此被稱為光電效應(yīng)。在愛因斯坦的光電效應(yīng)方程式表達(dá)中，21mv2=hv-W。此公式表達(dá)的是金屬中電子吸收光子的能量，其中一部分能量用于克服原子核對電子的引力做功，也就是常說的逸出功；另一部分多余的能量為電子離開金屬表面所具有的動能。因此，愛因斯坦的方程表達(dá)式，正是能量守恒定律的外在表現(xiàn)。在光學(xué)中，很多理論知識在學(xué)習(xí)時比較抽象，但是運(yùn)用能量守恒定律進(jìn)行總結(jié)和分析，其能量的轉(zhuǎn)化就會變得較為容易。因此，在光學(xué)中我們同樣需要運(yùn)用能量守恒定律幫助我們對其進(jìn)行更好的學(xué)習(xí)。

結(jié)語

自然界是一個非常豐富的世界，其運(yùn)動的形式多種多樣，能量守恒定律在其中表現(xiàn)的形式也不盡相同。能量守恒定律其適應(yīng)性非常普遍，我們在進(jìn)行物理的學(xué)習(xí)過程中，需要對其進(jìn)行充分掌握，對知識點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)理解，只有真正掌握該定律的內(nèi)涵，才能讓其幫助我們在物理的學(xué)習(xí)中獲得更大的發(fā)展和進(jìn)步。

［1］鄭會林.用能量守恒分析高中物理問題［J］ .新課程.2014（4）