高中物理教學中能量與做功的對應關系分析

劉廣平

(山西省寶雞市渭濱中學 721000)

對高中物理教學而言，力學部分除了牛頓力學外最為關鍵的就是從能量和做功的角度思考相關問題.了解當前高中生學習情況可知，由于基礎知識奠定不扎實，亦或是學習能力不強，都會影響實際問題的解決.在這一背景下，為了實現預期教學目標，提高課堂教學效率，教師必須要整合研究相關問題，并提出具有針對性的解決對策.因此，下面以人教版為例，對高中物理教學中包含的能量與對應的力做功之間的關系進行簡單總結，以期為課堂教學優化奠定基礎，促使學生可以在構建完善知識體系的同時，具備正確的理解與解題能力.

一、合外力做功與動能

簡單來講，動能定理是指所有外力對物體總功，也可以稱為合外力的功，其等于物體的動能的變化.在合外力對物體做正功的情況下，物體動能會提高；而在合外力對物體做負功的情況下，物體動能會降低.由此可知，兩者關系為合外力做功與動能的增加相等.

例1一輛車通過一根跨過定滑輪的繩PQ提升井中質量為m為物體，如圖1所示.繩的P端拴在車后的掛鉤上，Q端拴在物體上.設繩的總長不變、繩的質量、定滑輪的質量和尺寸，滑輪上的摩擦都忽略不計.開始時，車在A點，左右兩側繩都已繃緊并且是豎直的，左側繩繩長為H.提升時，車加速向左運動，沿水平方向從A經過B駛向C.設A到B的距離也為H.車過B點時的速度為vB.求在車由A移到B的過程中，繩Q端的拉力對物體做的功.

圖1

分析由于在提升過程中，物體只受到了拉力和重力的作用，因此結合物體速度變化和上升高度，得出功與功能的變化關系.

圖2

二、重力勢能與重力

若重力做正功，相應的重力勢能會降低；但若是重力做負功，重力勢能也會隨之提高.由此可知，重力勢能的改變與重力所做功相等.

例2如下圖3所示，讓相同物體以四種不同方式從同一高度運動到地面，下列正確的是( ).

圖3

A.a圖中國的物體重力做功最少

B.四幅圖中重力做功相同

C.d圖中物體重力做功最多

D.四幅圖中重力做功多少無法比較

分析在研究這一問題時，不要被情景所迷惑，相反只要明確重力做功只于初位置和末位置有關即可，這樣就可以得到本題答案為B.

三、彈簧彈力與彈簧彈性勢能

如果彈力做正功，相應的彈性勢能會降低；反之彈力做負功，那么彈性勢能會提高.由此可知，彈簧彈性勢能的改變與彈簧彈力所做功相等.

例3，在“蹦極跳”的運動中，質量為m的游戲者，身系一根繩長為L，彈性良好的輕質柔軟橡皮繩，從高處由靜止開始下落1.5L時達到最低點.如果在下落時不計空氣阻力，那么下列說法正確的是( ).

A.速度先增大后減小 B.加速度先增大后減小

C.動能增加了mgLD.重力勢能減小了mgL

分析A、橡皮繩繃緊后，開始階段，拉力小于重力，游戲者向下做加速運動，當拉力大于重力后，游戲者做減速運動，即速度先增大后減小．故A正確；B、設橡皮繩的拉力為F，游戲者的質量為m，加速度大小為a.橡皮繩繃緊前，游戲者做自由落體運動，加速度不變.橡皮繩繃緊后，開始階段，拉力小于重力時，由牛頓第二定律得：mg-F=ma，F增大，a減小.當拉力大于重力時，F-mg=ma，F增大，a增大，所以加速度先不變，后減小，再增大.故B錯誤；C、由靜止開始下落1.5L時到達最低點，游戲者動能增加量為零.故C錯誤；D、游戲者動能增加量為零，重力勢能減小1.5mgL，而橡皮繩的彈性勢能增加，則機械能的減少量小于1.5mgL.故D錯誤.

四、其它力做功與機械能

需要注意的是，此時的其它力是指除了系統內彈力和重力外的其它力.如果其它力做正功，機械能會提高，反之其它力做負功，機械能會降低.

例4下列各種情況中做功的是( )

A.用豎直向上的力提水桶在水平面行走

B.用水平力推重物在水平地面上行走

C.運動員舉高1800N的杠鈴堅持10s

D.水球重50N，沿光滑水平面運動10m

分析應該選B.首先要明確做功的條件，一方面要有力作用在物體表層上，另一方面這一物體要在力的方向上通過了一段距離.由此研究其他三個選項：A提水桶的力是豎直向上的,而運動方向是水平的,所以沒有做功；C重力豎直向下,則支持力豎直向上,但是在十秒內杠鈴沒有向上運動,所以沒有做功；D“光滑”說明沒有阻力,水球沒有克服阻力做功.

五、摩擦生熱

分析Q=f×S相對=E損可知，f代表滑動摩擦力大小，S表示相對路程或位移，E損代表系統損失的機械能，Q表示系統增加的內能.在實際運動中，改變內能與克服摩擦力相同.需要注意的是，此時改變的內能是由克服摩擦力帶來的.

例5一個物體溫度升高，則下列哪一項正確( ).

A.它含有的熱量會增加 B.它吸收了熱量

C.一定對物體做了功 D.它的內能會增加

分析由于熱量是指在熱傳遞中傳遞能量的多少，所以不能說物體“含有熱量高”，因此A選項錯誤；改變物體內能的方法有兩種，一種為做功，另一種為熱傳遞，兩者對改變物體的內能是等效的，因此不能直接肯定是否做功或熱傳遞，由此B和C也是錯誤的.而隨著物體溫度的提高，其分子運動一定會加快，內能也會隨之提高，因此D是正確的.

六、安培力做功與電能

電磁感應作為高中物理教學的重難點，學生在學習及解題過程中經常遇到不同類型的難題.研究安培力做功與電能的對應關系可知，在安培力做負功的情況下，其它形式的能量都將轉變為電能；而在安培力做正功的情況下，電能將會轉變為其它形式的能量.

圖4

例6電阻可忽略的光滑平行金屬導軌長S=1.15m，兩導軌間距L=0.75m，導軌傾角為30°導軌上端ab接一阻值R=1.5Ω的電阻，磁感應強度B=0.8T的勻強磁場垂直軌道平面向上.阻值r=0.5Ω，質量m=0.2kg的金屬棒與軌道垂直且接觸良好，從軌道上端ab處由靜止開始下滑至底端，在此過程中金屬棒產生的焦耳熱Qr=0.1J.(取g=10m/s2)求：金屬棒在此過程中克服安培力的功.

解析在下滑中，安培力的功就是在電阻上產生的焦耳熱，因為R=3r，因此QR=3Qr=0.3 J，所以W安=Q=QR+Qr=0.4 J.

綜上所述，由于上述幾種能量及對應力的做功關系是高中物理教學的重點，也是功能關系的直接展現，因此不管是教師還是學生都要加大對這方面內容的探究.通過準確掌握它們的關系，不僅能更快處理相關問題，而且可以構建完善的物理知識體系，以此為后續知識學習奠定基礎保障.在我國教育革新背景下，相信隨著基礎知識的鞏固與深化，高中生在學習物理知識時將會變得變得更加容易和簡單，這樣既能解決以往課堂教學中遇到的難題，又能充分激發學生學習熱情.