力學中能量守恒定律的作用與意義分析

摘 要：物理知識在生活中的應用十分廣泛，物理知識的學習不僅可以提升學生的物理素養，還有助于學生的全面發展。基于此，本文以高中物理中的能量守恒定律作為研究對象，對其在力學中應用的作用和意義進行分析，首先介紹了能量守恒定律的內涵及重要性，然后結合具體例題，分析了能量守恒定律在解答力學問題中的優勢，能量守恒定律的應用可以提高簡化力學問題的解題流程，使學生更容易找到解題思路，提高力學問題解答的效率和準確性。

關鍵詞：力學;能量守恒定律;動能定理

前言：作為物理學習的重要內容，能量守恒定律在高中物理中占據重要地位，在力學、光學及電磁學等領域有廣泛的應用。在進行能量守恒定律的教學及學習時，需要重點掌握能量守恒定律的概念、內涵、計算公式及轉化路徑等內容，這樣在解答物理問題時靈活應用能量守恒定律，明確系統中能量變化，準確解答物理問題。

一、能量守恒定律分析

能量守恒定律可以描述為一個系統的總能量可以用系統中傳入能量和傳出能量來表示，這一總能量涵蓋系統的內能、機械能和熱能等多種形式的能量。在實際生活中，能量守恒定律的應用較為廣泛，如水利發電是將機械能轉變為電能，核能發電是將熱能轉變為機械能，再由機械能轉變為電能。在高中力學知識中，能量守恒定律是重點內容，幾乎貫穿于整個力學學習中，主要涉及到動能定理、動量定理以及及機械能守恒定律這三個方面。高中物理教師及高中生需要認識到能量守恒定律的重要作用，加強能量守恒定律相關知識的教學效果，確保高中生可以深入了解能量守恒定律，并在高中力學問題中靈活應用能量守恒定律解答問題，提高學生的物理素養，培養學生的物理學習能力，有助于學生物理學習成績的提升[1]。

二、力學中能量守恒定律的作用與意義分析

（一）能量守恒定律可以提高力學解題效率

在解答力學問題時，能量守恒定律的應用可以顯著提高解題效率。結合能量守恒定律的相關知識，學生可以根據題目的已知條件，明確不同物體間的受力關系和能量關系，更快地找到解題思路，提高力學題目解答的效率和質量。以下面一道例題為例：木板A靜止于光滑水平面上，木板A上方的最右端放置了一個木塊B，A在水平外力F的作用下，木板A的位移為s，木塊B沒有移動。如果加大外力F，則木塊B在木板A上方進行相對滑動，木塊B的位移是Δs，這時木板A和木塊B的摩擦力為f，求上述兩種水平外力作用下，木板A和木塊B間的能量變化（包括木板A系統及木塊B系統動能及總能量的變化）和摩擦力f對木板A系統及木塊B系統做的功。

基于能量守恒定律，可以按照如下方式解答題目：當水平外力F較小時，木塊B的動能變化可以按照動能定理進行計算，即：ΔEkB=fs，這里的f是指靜摩擦力，木板A的動能變化是ΔEkA=Fs-fs，整個系統的動能變化為ΔEkB+ΔEkA=Fs;在水平外力F較大時，木板A和木塊B間存在滑動摩擦力，基于動能守恒定律，木塊B的動能變化為：ΔEkB’=f’（s-Δs），木板A的動能變化是ΔEkA’=Fs-f’s，整個系統的動能變化為ΔEkB’+ΔEkA’=Fs-f’Δs。在木板A和木塊B運動過程中，不僅會出現動能變化，還存在內能變化，這里的內能變化是指兩者間滑動摩擦力產生的熱量，滑動摩擦力對木塊B做的功是正功，為f’（s-Δs）;對木板A做的是負功，為-f’s。按照能量守恒定律，其熱量就是f’Δs，做的功W=f’（s-Δs）--f’s=-f’Δs。在上述問題中，只要學生可以掌握能量守恒定律的相關知識，就可以迅速列出等式，正確解答題目。

（二）能量守恒定律可以簡化力學解題流程

在高中物理學習階段，力學系統中初始狀態和末狀態之間的機械能變化可以通過滑動摩擦力和相對位移之積來體現。因此，在解答相關力學題目時，如果根據題目已知條件，可以列出力學系統中的能量守恒公式，就可以通過能量守恒定律進行力學問題的解答，能夠有效簡化解題流程，更快地得出問題的答案[2]。以下面一道例題為例：A、B兩個物體的質量分別是m和M，A和B由一個不可伸縮的非彈性輕繩連接在一起，將物體A放置在斜面上，斜面的傾角為θ，動摩擦因數為μ，在斜面頂端安裝一個無摩擦的定滑輪，將輕繩穿過定滑輪，使物體B與水平線垂直。在初始狀態下，物體A和物體B的高度差是h，現由靜止釋放，使物體A和物體B進行運動，計算物體B落到物體A初始高度時的速度。

在解答上述問題時，可以將兩個物體和地球看做是一個力學系統，系統的內力是兩個物體的重力，外力可以用斜面對物體A的支持力和滑動摩擦力的和來表示。根據能量守恒定律，在兩個物體運動過程中，輕繩對物體A作正功，對物體B作負功，兩者之和為0。由此可以看出，在物體運動過程中，只有滑動摩擦力做功。在完成上述分析后，可以將物體A初始狀態下的水平面作為重力勢能參考平面，從而得出末狀態下力學系統的機械能計算公式：（M+m）+mghsinθ;在物體運動過程中，能量變化值為μmghcosθ。所以，Mgh=（M+m）+mghsinθ+μmghcosθ，則問題的答案v=[2Mgh-2mgh（sinθ+μcosθ）/（M+m）]1/2。

對受力分析方法進行有效對比，將m及M作為一個整體，則：

又比如：盒中有一木塊，木塊與盒子之間的動摩擦因數為μ，盒的質量是木塊質量的2倍，若木塊以速度v向左移動，在忽略碰撞時能量損失的情況下，則求取物體與盒子之間處于相對靜止狀態下的速度。該問題的計算也可充分利用能量守恒定律對力學解題過程加以簡化。

結論：綜上所述，基于能量守恒定律，在解答物理問題時，可以通過對物體的始末狀態的分析，來確定能量轉化關系，提高力學問題解答的效率及準確性，需要受到教師及學生的重視。通過本文的分析可知，高中生在解答力學問題時，需要對力學系統進行全面分析，如果力學系統中存在能量轉化，分析能量守恒定律在問題中的適用性，通過能量守恒定律公式的羅列，明確題目中已知條件和未知量的關系，從而正確解答力學題目，提高高中生的物理知識應用能力，培養高中生的物理核心素養，促進高中生的全面發展。

參考文獻

[1]劉弘燦.如何利用兩個力學守恒定律解決實際問題[J].中國高新區，2017（22）：77.

[2]黃致睿.如何用能量守恒分析高中物理問題[J].科技與企業，2016（02）：191.

作者簡介：王瑞峰（2000.12.03——），性別：男，民族：漢族，籍貫：內蒙古包頭市，包頭市第一中學。