機械能守恒定律的應用和外延分析

夏禹

摘 要 在力學中，機械能守恒定律是極其重要的物理規律之一。只有對該定律進行了解之后，才能使多方面的運動學問題得到處理。鑒于此，對機械能守恒定律的正確理解和靈活運用非常有必要。本文對機械能守恒定律的應用和外延進行了分析。

關鍵詞 機械能守恒定律；應用；外延

中圖分類號 O4 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）15-0189-02

在自然界中，能量不僅不會消失，也不會憑空產生，能量只會相互轉化。對于一個系統，如果只存在重力做功或者彈力做功的情形，那么隨著能量轉化，系統機械能的總量始終不會變化，這就是機械能守恒。機械能守恒定律在生產和生活實踐中的應用范圍非常廣，因此，我們接下來對其進行仔細地分析與研究。

1 機械能守恒定律理論闡述

在機械運動中，機械能守恒定律不僅僅體現了能量的轉化，還體現了能量的守恒。機械能守恒，是力學中的相對獨立的一條定律。在熱運動中，能量轉化與守恒定律是熱力學中的第一定律，在機械運動，也是類似的。所以，在對機械能守恒定律進行闡述的過程中，它們是不受到功能原理和牛頓定律的約束的。我們都知道，力學能夠對物質的機械運動進行研究，它是對物質的客觀規律和應用進行分析的學科。在機械運動中，機械能包括動能和勢能，僅僅包括這兩種能量，不包括其他能量。所以，從能量轉化以及能量守恒的角度來認識機械能守恒，我們可知。在質點系中，每一個質點不僅僅動能和動能之間可以實現互換，而且動能和勢能也能夠互換，但是，需要注意的是，動能和勢能的總和是沒有變化的。另外，我們還要考慮到是否存在非保守力，以及非保守力在系統中有沒有做功的問題。僅當這些非保守力可以忽略不計的時候，系統的機械能被認為是守恒的。在對機械能守恒的意義進行分析時，我們可以列出多種表述形式。有一種說法是，在保守系中，保守系不受到外力的作用，那么此時這個系統的機械能的總量保持不變。這種表述其實是符合相對性原理的。

與此同時，這跟狹義相對論中能量守恒的定律觀點是保持一致性的。在狹義相對論中，能量守恒定律是對獨立的系統來講的。換句話也就是說，機械能守恒定律可以看作是能量轉化和守恒定律在機械運動的展現。需要指出的是，這種說法的本質是通過兩個層次的相對性原理，不僅對機械能守恒定律遵守相對性原理進行了分析，而且把機械能守恒的定理闡述得更加深刻。在對機械能守恒定律進行驗證的實驗中，我們普遍使用下列裝置圖1來驗證機械能守恒定律。

2 機械能守恒定律的應用

在對機械能守恒定律進行應用的過程中，可以從以下幾個步驟去考慮。第一，先是要把研究對象確定好。所研究的對象，要么是單個或多個物體，要么是一個系統。如果只有重力做功，那么可選取單個的物體為研究對象。如果有彈力做功的情況，那么此時要把多個物體組合在一起，作為一個系統來進行研究。第二，要對機械能守恒與否進行明確的判斷。在對研究對象的各個物理過程進行受力分析之后，對力的做功情況有明確的了解，這樣才能做出機械能是否守恒的判斷。第三，確定參考平面。首先是要把研究對象的開始狀態和末尾狀態。然后要選擇合理的參考平面，對初始狀態和末尾狀態的機械能進行確定，并了解這兩種狀態下動能的變化的大小和勢能的變化的大小。第四，列出機械能守恒的方程。在列出方程的過程中，不但可以選擇守恒的觀點，還可以選擇轉化的觀點。其中守恒的觀點是在一個系統中，系統初始的機械能跟系統末狀態的機械能在數值上是相等的。另外一個就是轉化的觀點，這種觀點的核心是系統減少的動能跟系統增加的勢能在數值上是相

等的。

3 機械能守恒定律的外延

通過上述分析，我們可知，機械能守恒定律是能量轉化和守恒定律的表現。事實情況是，所有形式的能都能夠相互之間進行轉化。在很多情形下，物體在摩擦力和阻力的作用下，有做功，那么機械能轉化為其他形式的能力。其中各個形式的能量的總量是不會變化的。換句話也就是說，能量不會憑空消失，也不會憑空產生，它只會從一種形式的能量變化為另一種能量。對于能的轉化和守恒定律的一個系統，如果在系統之外，有力對系統做正功，那么此時機械能的轉化是這樣的，其他形式的能量轉變為了系統的機械能。假設情況相反，那么系統的機械能轉變為其他形式的

能量。

4 結論

機械能守恒定律與所學的知識結合起來有許多綜合性的應用，是運動學中十分重要的規律，為解決運動學問題提供了很好的工具，只要多總結，一定能夠熟練的運用它。機械能守恒定律在我們生活和生產實踐中有很多應用。比如，過山車就是一種典型的應用。通過對生活和生產實踐中機械能守恒定律進行分析，可知道其的作用是巨大的。我們應當在不斷的實踐中對這些問題進行分析，從而提高自己發現問題，并找到解決問題的方法的能力。

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