能量守恒定律在高中物理解題中的應用研究

摘 要：能量守恒是高中物理常見的一個定律.本文主要對能量守恒及其學習方法進行探討，并總結出能量守恒定律在高中物理解題中的應用策略.

關鍵詞：高中物理；能量守恒；解題；應用

中圖分類號：G632?? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1008-0333（2023）21-0071-03

收稿日期：2023-04-25

作者簡介：葉新美（1981.6-），女，本科，中學一級教師，從事高中物理教學研究.

能量守恒作為極其重要的一種定律，將其運用于物理學科，能有效解決相關物理問題，是物理解題中常見的一種方法.

1 能量守恒概述

能量守恒的準確定義是能量不會憑空產生，也不會憑空消失，是由一個物體轉移到另一個物體，或者是從一種形式的能量轉化成另一種形式的能量，在轉移或轉化的過程中，總能量保持不變.比如，物體由高空下落，重力勢能會轉變成內能與動能等.本定義當中，有兩個基本點，即傳遞和轉換.能量傳遞的基礎要求就是物質之間存在著互相作用，類似于高中物理中的力學問題、力學有關的熱力學、電磁學問題等［1］.比如，在摩擦過程，能量會轉變成熱能，彈簧發生收縮形變.而能量轉換的基礎問題則是轉換能量的形式，如煤燃燒之后，會釋放出熱量，能夠取暖；可通過生產蒸汽，推動蒸汽機轉變成機械能，促使汽輪發電機轉化成電能.

2 高中物理能量守恒的學習方法

2.1 理解基礎定律

從物理學角度，人類是生活在滿是電磁場物質的一個空間中，電磁場是人們通過肉眼看不見的，但其作用卻可以使我們真切的體會到能量守恒，其中包含的范圍是極其廣的.高中時期，電磁場的能量守恒屬于能量守恒定律中的一種，物體在實際運動過程的能量守恒，也是能量守恒定律中的一種.由于能量守恒所涉及到的內容有很多，所以，需對每個部分進行細致探討，力學作為高中物理當中的重要

內容，在力學的學習中，能量守恒更多體現在各種能之間的轉化，其主要分析各種能量的具體轉化，也就是通過哪些力達成的［2］.比如，在分析子彈由槍口中射出能量發生了什么轉變，并在頭腦中形成子彈連續射出并落地的畫面，接著，伴隨子彈運動加以分析：第一，人扳動開關，啟動子彈發射的按鈕，接著，火藥進行燃燒將化學能轉化為燃燒氣體的內能；第二，部分內能促進子彈的運動，轉變成子彈動能，因為子彈位于空氣當中受到了摩擦阻力，產生相應的熱能，子彈機械能逐漸減少；第三，落到地面，完成了子彈運動過程能量守恒與轉化的分析.

2.2 熟悉能量守恒的轉變

能量守恒是一個基本定律，是通過精煉且簡單的語言，把自然界能量守恒總結成一句話，但是，簡單的依據能量守恒，可轉化成許多個問題，面對多種多樣、形式不同的問題，學生很少能掌握到學習的好方法，部分學生也無法充分理解與掌握教師講解的物理問題，更多只會做某類或某部分的試題.鑒于此，物理教師在教學時，需引導學生準確把握相關物理定律，經過不斷學習，對相關物理問題進行歸納總結和系統學習［3］.比如，光學的能量守恒則是指金屬當中的電子會吸收光能量，部分會克服原子核引力并逸出，另一部分是電子獲取到充足的動能而遠離金屬表面.

2.3 理清定律應用的題型

高中階段，學生要理清解題思路，會分析題型，以提高自身的解題能力.高中物理可分成熱學、力學、光學、電磁學、原子物理學等，部分章節的題型相對固定.力學部分，學生要能夠通過功能關系加以解題，總功能通過動能變化實施量度，重力做功能夠通過重力勢能具體減少量實施量度，除了彈簧彈力以及重力，其它的力做功都能通過機械能的具體增加量實施量度，并明確功和能存在的對應關系，以實現高效解題的效果.而光學部分，需對原子在光照射以后所激發出的電子能量變化問題進行解決，對于光學知識來說，其通常是無法看見與摸著的，但通過能量守恒，則能實現有效解決［4］.電磁學部分，則需解決電子或金屬導體位于磁場、電場、電磁場相聯合的運動狀態及能量轉變.在后期的復習中，常見的都是各個部分結合的綜合類題型，這就需學生們注重基礎知識的理解與掌握，以此為后期學習與考試奠定扎實的基礎.

3 高中物理解題中能量守恒的應用策略

3.1 解決機械運動問題

物體進行機械運動時，會出現相應的能量轉移，如摩擦力會使機械能轉換成熱能，依據功能原理顯示：外力做功和系統內部的保守內力所做功的和與系統機械能產生的變化量是相等的，其也適用多質點的機械運動狀況.當不存有外力作用，系統內部的多質點保守內力的做功沒有產生機械能朝著其它形式的能量轉變［5］.不論是哪種機械運動，都能符合能量守恒的要求，并依據能量的轉化過程中呈現的參數變化，對能量變化實施量化，通常包含了位移、距離、速度等.

例如，圖1所示水平面放置兩個物體，分別是A、B，二者通過輕質彈簧進行連接，現有mA＝2mB，且物體A與墻壁緊貼，對物體B施加相應的外力F，F方向指向A物體，力F對于輕質彈簧的做功是W，撤掉外力F時，求A物體在離開墻壁時最大的彈性勢能是多少？

圖1 物塊簡圖

解析 為了優化分析步驟，可以把A、B作為整個系統，依據能量守恒可知，物體A、B有著相同的速度.

解 設物體A離開墻壁花費的時間是t0，物體B的速度設為v0，依據能量守恒可知：

W=12mBv20①

當物體A、B的速度均是v時，依據機械能守恒可知：

W=12（mA+mB）v2+Epmax②

依據動量守恒可知：

（mA+mB）v=mBv0③

將①、②、③加以變換后，可得：

Epmax=W3.

本題直接采用機械能守恒實施求解是有較大難度的，其還包含了動量守恒的相關內容，這就需多次運用能量守恒，才可以求解得到最大的彈性勢能Epmax.

3.2 解決分子熱運動問題

分子實施熱運動的時候，會產生相應的內能，內能和其它形式的能量經過做功以及熱傳遞等多種形式實施轉化.

例如，某個質量是M kg金屬塊（銅）被固定到地面，狙擊手把質量是m kg的銅彈頭射進金屬塊，其溫度都會增加，通過溫度計測量以后，會發現其溫度共上漲12 ℃，請問，將金屬塊置于光滑表面，把彈頭以同樣的速度射進金屬塊，其溫度上升至11 ℃，求：金屬塊和銅彈頭質量比是多少？

解析 依據熱力學定律可求解得到物體內能產生的變化，并通過能量守恒定律，把減少的機械能和內能產生的變化量進行對應，以構建相應的等量關系.

解 把銅彈頭初速率設成v0，第二次光滑的平面射擊時，兩者次最終速度是v，第一次溫度上升12 ℃，第二次溫度上升11 ℃，有物體比熱容表可知，其比熱容是C，通過能量守恒，可構建以下等量關系：

第一次：12C（M+m）＝12mv20；

第二次：mv0＝（M＋m）v，同時，12C（M+m）＝12mv20-12（M＋m）v2，由此則能計算得出取金屬塊和銅彈頭質量比是M∶m＝11.

3.3 解決相對運動問題

做功和能量之間的變化有著緊密關聯，是能量轉變的量度.通過能量守恒對相對運動的問題進行分析時，需注意由做功作為入手點.通常來說，除了彈簧彈力或者重力，其它外力對物體做的正功會導致機械能增加［6］.因此，解題時，需與題干給出的情境相結合，對板塊的運動狀態進行整體判斷，并對板塊受力進行分析，確定其受力大小及受力方向、做功正負.

例如，如圖2，光滑水平面放置了一個長木板A，在某時刻，物塊B以水平速度v0沖上A之后，因為摩擦力作用而停止于A上.下述分析是正確的（? ）.

圖2 物塊長木板模型簡圖

A.物塊B的動能減少量與系統損失機械能是相等的

B.物塊B克服了摩擦力的功和系統內能增加量是相等的

C.物塊B損失掉的機械能與木板A獲取的動能和系統損失機械能的和是相等的

D.摩擦力對于物體B做的功與對木板A做的功之和與系統內能增加量是相等的

解析 物塊B在滑上了木板之后，受摩擦力影響做勻減速運動，摩擦力則對其做負功.木板A受摩擦力影響做勻加速運動，摩擦力做正功.需注意，木板A的速度沒有和物塊B的速度保持一致，就由于木板A和物塊B之間的相對滑動，產生相應的熱量.依據能量守恒，木塊B由于受摩擦力動能逐漸減小，減少的部分動能轉變成A的動能，且部分因為摩擦而轉變成內能，故本題選C.

綜上所述，能量守恒是自然界中最常見的一種定律，在物理問題的分析過程中廣泛運用.因此，高中物理的解題教學中，教師需注重能量守恒的講解，引導學生通過能量守恒進行物理習題解答，從而使學生充分掌握能量守恒的同時，實現解題效果的優化.

參考文獻：

［1］ 王智榮.能量守恒在高中物理解題中的運用探究［J］.試題與研究，2022（30）：19-21.

［2］ 蔣金團.落實能量觀 提升學科素養：淺談能量守恒定律在高中物理解題中的應用［J］.教學考試，2020（49）：68-71.

［3］ 馬彥平.能量守恒在解決高中物理問題方面的應用探討［J］.課程教育研究，2020（05）：182.

［4］ 林湘睿.試析如何使用能量守恒定律分析高中物理問題［J］.高考，2019（03）：266.

［5］ 牛國光.能量守恒定律在高中物理解題中的應用［J］.高中數理化，2018（24）：23-24.

［6］ 邱國民.能量守恒在高中物理教學中的應用分析［J］.文理導航（中旬），2018（12）：48-49.

［責任編輯：李 璟］