高中物理核心素養之能量觀念培養策略

能量是物質屬性之一，其決定了物質運動狀態、物質變化能力.能量形式多種多樣，包括動能、熱能、電能、勢能等等.不同形式能量之間可以互相轉化，能量轉化無處不在，其決定了物質的運動規律、變化規律.能量守恒定律作為高中物理基本定理之一，對于學生物理學習與探究而言具有重要意義.在高中物理學習中，同學們要掌握能量守恒定律，學會利用能量守恒定律解決問題.利用能量守恒定律，能夠大大提高學生解題效率，也可以將復雜的問題簡化為簡單的能量守恒模型，從而增加解題正確率1.

1利用能量守恒定律解決傳送帶問題

傳送帶問題是高中物理習題中的一大類別.此類習題主要描述了某場景內傳送帶上的運動與能量變化，考查學生對題目內運動與能量轉化關系的分析、運用，要求學生把握能量守恒關系，通過不同的角度得出正確答案，深入理解傳送帶上存在的物理量關系，提高學生物理邏輯思維與辯證思維能力[2].

例1某物流運輸車間內有一個傾斜傳送裝置，裝置以 2m/s 的速度進行勻速運動.傳送裝置的傳送帶底端A處，一個質量工件無初速釋放，工件質量為 10kg ，且裝置內傳送帶與水平面之間有夾角θ （角度 30^° ）.這一工件被傳送到裝置頂端的 B 點時，與距離A點之間的距離是 4m .已知裝置運行過程中傳送帶與工件之間產生摩擦的動摩擦系數 μ 為，重力加速度g取10m/s2.求：

（1）從傳送帶底端 A 到裝置頂端 B 點所用的時間是多少？請利用運動學公式計算.

（2）傳送裝置運行中，將物體從 A 點運輸到 B 點，電動機的能量消耗是多少？

分析這道題中的主要物理量關系是傳送帶工件與裝置向上的摩擦力、重力向下分力之間的關系，屬于動能、勢能與電能之間的能量轉化.第一問考查的是學生對勻速運動知識點的掌握與運用，第二問考查的是學生對這組裝置內能量轉化關系的把握.因此，本次研究只分析第二問.從能量守恒角度分析，物流車間內傳送裝置運行過程中額外消耗的電能被轉化為多種形式能量，其中部分轉化為物體動能，讓工件在傳送帶上保持勻速運動，一部分在摩擦力的作用之下被轉化為內能.

解答解題時要想求解出多消耗的電動機能量，就要分別計算摩擦力所做的功、物體獲得的動能與重力勢能.摩擦力所做的功 這部分能量是6OJ.工件在傳送裝置上獲得的動能為

m2=20]，獲得的勢能為EpgH20J.根據這些計算得出電動機的能量消耗，為 E_k+E_P=280J. （204號

2利用能量守恒定律解決實際生產效率問題

能量守恒是自然界的普遍規律，能量守恒定律可以適用于自然與現代社會生活中的大部分場景.在日常生產生活中，能量可以在不同的形式中進行轉化，在轉化的過程中，其能量總量保持不變.在近幾年的物理試題中，實際生產效率問題是常見的題型，往往以真實的生產作業場景為題目背景，讓學生對真實場景中的能量關系進行轉化分析，計算能量轉化過程中增加、減少的量.此類習題考查學生對真實場景中能量轉化原理的理解，要求學生能夠認識勢能、動能、電能等不同能量形式之間的本質關聯[3].

例2“雙碳”背景下我國大力發展新能源發電，在我國的部分地區，風力發電是主要的發電形式，利用風力發電機將自然界的風能轉化成為電能.在內蒙古的某個風力發電廠內，風速常常在5～10m/s 之間.根據調查顯示，當風速為 9m/s 時，風力發電機可以達到 405kW 的輸出功率；當風速在5～10m/s 時，發電機保持著恒定的運行效率，用A表示扇葉旋轉一周所掃的面積， p 表示其空氣密度.V 表示風場的風速，在風場內，風保持正面吹扇葉，下面描述中正確的是（ ）

（A）在整個風力發電廠中，風速越大，則發電機的輸出電功率越多.（B）在單位時間內，流過面積 A 的空氣動能是這 ：（C）假如風電場內每天平均產出的風能資源為1.0×10⁸kW ，那么每天可以發出 2.4×10⁹kW?h 的電量.（D）假如風電場內每年有 5000h 的時間，風速都在6～10m/s ，則每年的發電量至少是 6.0×10⁵kW?h. （20分析這道題是經典的風能與電能之間轉化問題，學生解題時可以根據題目提取關鍵信息，提煉風能與電能的能量轉化關系模型，應用能量守恒定理解決問題[4].

解答根據題目給出信息，在單位時間內，流過面積 A 的流動空氣體積為 V=Av ，質量 m₀= ρAv ，動能 pAv2，風速為5～10m/s時，風能向電能的有效轉化率不變.結合這些條件，可以判斷出本風電場內風力發電機的輸出電功率與風速的三次方之間是正比例關系，因此，選項（A）與（B）不正確.題目中，風力發電機有著轉化的效率，在\"每天平均產出 1.0×10⁸kW 風能資源”條件下，發電機發電量 Elt;1.0×10⁸×24kW?h=2.4× 10⁹kW?h ，因此可以判定（C）不正確.風速取最小值6m/s ，此時風力發電機的年發電量也應處于最小值狀態.此時風速取 6m/s ，風力發電機的輸出電功率 ，因此發電機的年發電量最小值是： E=Pt=120×5000h=6.0×10⁵kW?h 因此選項（D）正確.

3利用能量守恒定律解決彈簧問題

輕彈簧屬于理想化物理模型，以輕質彈簧作為載體，以復雜的物理運動作為背景，考查學生對物理知識的應用.根據近些年高中物理試題內容設置情況，可以發現，以輕彈簧物理模型為核心的試題中，主要考查學生對力學概念、牛頓定律、功與能的轉化以及能量守恒相關知識的掌握情況，考查學生綜合運用知識解題的能力.面對此類問題，建議學生利用能量守恒關系分析題目內物理量關系，利用能量守恒定律解決問題，從而提高解題效率[5].

例3如圖1所示，在滑塊B上固定一個輕質彈簧，將彈簧的另外一端和滑塊 c 接觸，但是，彈簧與滑塊 C 沒有連接.將整個系統放置在距離地面高H 的光滑水平桌面上，在水平桌面上有一個光滑曲面，從距離桌面高 h 的位置，靜止釋放一個滑塊 A ，當滑塊 A 和滑塊 B 碰撞后，對彈簧進行壓縮，使得滑塊 C 發生運動，在運動一段時間后，滑塊 C 離開彈簧在水平桌面運動，之后，從桌面邊緣飛出，已知m_A=m，m_B=2m，m_C=3m .求：

（1）在滑塊A和滑塊 B 碰撞結束時的瞬時速度U；

（2）彈簧被壓縮的最大彈性勢能 E_Pmax 是多少；（3）滑塊 c 落地后，落地位置與桌面邊緣之間的水平距離 s 是多少？

分析這道題的第三問考查的顯然是彈性勢能的能量轉化，要求學生根據裝置運行過程中所產生的各種勢能與動能，分析其物理關系，運用能量守恒定律解題[6].

解答問題（1），在光滑曲面上，距離水平桌面h位置，滑塊 A 由靜止下滑，在這個過程中，可以利用機械能守恒定律，設滑到桌面時的速度是 v₁ ，根據機械能守恒定律得出：mgh =m mAU2，則v= .在碰撞時， A，B 的整個系統能量守恒，在碰撞結束時，其瞬間速度均為 v ，利用動量守恒定律：m_Av₁=（m_A+m_B）v ，得 .問題（2），在碰撞之后，三個滑塊對彈簧進行壓縮，此過程中機械能守恒，在彈簧彈性勢能達到最大值時，三個滑塊速度相同，設速度為 v₂ ，結合動量守恒定律：m_Av₁=（m_A+m_B+m_C）v₂ ，利用機械能守恒定律：EPmax （mA+mg）2-2（mA+mB+mc）u2，求出： mgh.問題（3），當壓縮的彈簧恢復原本長度時，滑塊 c 與彈簧脫離，設滑塊 A，B 的速度為 v₃ ，滑塊 c 的速度為 v₄ ，利用動量守恒定律與機械能守恒定律，則： （m_A+m_B）_V=（m_A+m_B）_V3+ ，求出 ，滑塊 c 從桌面邊緣飛出之后，做平拋運動， s=v₄t gt2，求出滑塊 C 的落地點與桌面邊緣之間的水平距離 s= （20

4結語

綜上所述，應用能量守恒定律解決物理題，有助于提高學生解題效率與質量，鍛煉學生物體解題能力，為學生進一步深入探索物理問題、發展物理核心素養夯實基礎.就本文研究分析的多種物理問題類型，可以看出，能量守恒定律在不同場景中呈現出不同的形式.學生要想利用能量守恒定律有效解題，就要緊緊把握題目條件，根據提供的信息分析其中存在的能量轉化、能量守恒關系，從而找準方向應用定律解決問題.

參考文獻：

[1武云磊.能量守恒定律的實際應用解析[J].數理天地（高中版），2024（8）：28-29.

[2]陳國寶，王紅巖.能量守恒定律在高中物理解題中的運用探討[J].數理天地（高中版），2024（8）：41-42.

[3」傅祥.能量守恒定律在高中物理解題中的應用研究[J」數理化解題研究，2024（6）：98-100.

[4]馬二軍.機械能守恒定律問題的解題策略[J].數理天地（高中版），2024，（4）：25-26.

[5」李琴.高中物理機械能守恒的解題方法探究J」.數理天地（高中版），2024（2）：15—16.

[6」葉新美.能量守恒定律在高中物理解題中的應用研究J].數理化解題研究，2023（21）：71—73.