文思翔

湖南師范大學(xué)附屬中學(xué)

機(jī)械能守恒定律及其應(yīng)用探究

文思翔

湖南師范大學(xué)附屬中學(xué)

在高中物理課程中，機(jī)械能守恒定律是其中最為重要的知識(shí)點(diǎn)之一，對(duì)此項(xiàng)知識(shí)點(diǎn)深入的了解與掌握，對(duì)于每位學(xué)生們學(xué)習(xí)運(yùn)動(dòng)學(xué)相關(guān)理論以及解決實(shí)際問(wèn)題都有著重要作用，據(jù)此，本文便從機(jī)械能守恒定律的含義入手，并對(duì)其應(yīng)用方面展開(kāi)具體分析，以期為各位讀者提供參考。

機(jī)械能守恒定律；應(yīng)用；探究

機(jī)械能守恒定律主要是指，在僅有重力或者彈力對(duì)物體做功亦或在排除其它所受外力作用條件下，物體的動(dòng)能、勢(shì)能會(huì)相互轉(zhuǎn)化，但其機(jī)械能總量卻仍舊保持不變。此項(xiàng)定律在實(shí)踐生活中的運(yùn)用也較為廣泛。據(jù)此，本文對(duì)其定律和應(yīng)用所作的探究也具備了十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、機(jī)械能守恒定律的相關(guān)概述

機(jī)械能守恒定律是在物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中總結(jié)出的重要規(guī)律，掌握與使用此項(xiàng)定律能夠幫助人們更方便、高效地解決一些物理性難題，而探究機(jī)械能守恒定律則需要對(duì)其表達(dá)式作出分析，其內(nèi)容主要有以下三點(diǎn)：第一點(diǎn)，E1=E2；其含義是指該狀態(tài)系統(tǒng)的前后機(jī)械能總量是相等的。第二點(diǎn)，△EK=-△Ep；其表達(dá)意義為系統(tǒng)動(dòng)能增量與系統(tǒng)勢(shì)能減量通常是相等的。第三點(diǎn)，△EA=-△EB；指的是物體A所增加的機(jī)械能等于物體B所減少的機(jī)械能。并且在該項(xiàng)定律中，速度與高度都為相對(duì)量［1］。

要使物體運(yùn)動(dòng)遵循機(jī)械能守恒的規(guī)律，則需具備一定的守恒條件，簡(jiǎn)要概括起來(lái)包括兩方面內(nèi)容：其一，整個(gè)物體系統(tǒng)必須是只受到重力或是只受到物體系統(tǒng)內(nèi)的彈力；其二，除了保障物體僅僅受到重力與彈力的外力作用，同時(shí)還需要確保其它力不對(duì)物體系統(tǒng)做功。只有同時(shí)滿足這兩項(xiàng)條件時(shí)，該系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)機(jī)械能守恒的目的。

二、機(jī)械能守恒定律的具體應(yīng)用

（一）機(jī)械能守恒定律的理解運(yùn)用

對(duì)機(jī)械能守恒定律的研究首先需要選定合適的分析對(duì)象，其次才能在探究過(guò)程中對(duì)物體系統(tǒng)中的內(nèi)外力狀況、物體做功情況以及守恒定律展開(kāi)學(xué)習(xí)。其中值得注意的是，因其機(jī)械能的組成勢(shì)能是物體系統(tǒng)所帶有的，所以機(jī)械能守恒定律的作用對(duì)象也必定為物體系統(tǒng)，而在物體間做功的力既可以為恒力也可以為變力。再則，通過(guò)對(duì)物體系統(tǒng)中初始、最終狀態(tài)內(nèi)相互作用的機(jī)械能的分析，也可以避開(kāi)學(xué)生對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的復(fù)雜變化作出討論，因而也使得整個(gè)研究過(guò)程更加簡(jiǎn)單。

學(xué)生對(duì)該定律的應(yīng)用探究，首先應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)詳細(xì)的探索過(guò)程，并樹立起正確、合適的學(xué)習(xí)目標(biāo)。在完成了初步的動(dòng)能、彈性勢(shì)能、重力勢(shì)能的學(xué)習(xí)后，學(xué)生們可以根據(jù)課本引導(dǎo)預(yù)先設(shè)置一些問(wèn)題。例如：動(dòng)能有什么定理或表達(dá)方式？重力做功和物體自身重力勢(shì)能產(chǎn)生變化有什么關(guān)聯(lián)？通過(guò)對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的觀看或?qū)嵺`，學(xué)生可以看到彈簧被壓縮后能夠?qū)⑴c之相接觸的小球“扔”出去，并從此實(shí)驗(yàn)中對(duì)物體做功有了基本認(rèn)識(shí)，由此了解到物體的機(jī)械能即為物體具有的動(dòng)能與勢(shì)能的統(tǒng)稱。從“飛流而下的瀑布”、“一躍而下的跳傘運(yùn)動(dòng)員”等生活中實(shí)例中也可以意識(shí)到物體可以實(shí)現(xiàn)由重力勢(shì)能到動(dòng)能的轉(zhuǎn)化［2］。

在對(duì)基本機(jī)械能有所了解的基礎(chǔ)上，學(xué)生可以對(duì)機(jī)械能守恒的理論展開(kāi)細(xì)致的推導(dǎo)。例如，以自由落體的實(shí)驗(yàn)為例，假設(shè)一個(gè)小球在下落過(guò)程中先后經(jīng)過(guò)了A、B兩點(diǎn)，根據(jù)之前得出的僅有重力做功的因素，由此可得出該動(dòng)能表達(dá)式為：

再由重力做功可得出：

最后由上述兩式可以得出：

據(jù)此得出的算式則可以表示出機(jī)械能守恒的有關(guān)原理。在完成上述研究后，學(xué)生們也可以試著完成相關(guān)例題的解答，進(jìn)一步深化機(jī)械能守恒定律的理解。例如：

有一條長(zhǎng)度為L(zhǎng)且分布均勻的鏈條，將其放置在水平光滑的桌面上，并使其總長(zhǎng)的1/4垂在桌邊，實(shí)驗(yàn)人員隨之松手使鏈條讓其由靜止向桌邊滑下，請(qǐng)問(wèn)該鏈條離開(kāi)桌面時(shí)其滑行速度為多大？學(xué)生們?cè)诮獯鸫祟悊?wèn)題時(shí)，要從問(wèn)題的細(xì)節(jié)入手全面的進(jìn)行考慮［3］。比如，因?yàn)樽烂嬗兄饣膶傩?，所以?dāng)鏈條向下滑動(dòng)時(shí)沒(méi)有產(chǎn)生做功摩擦力，并且整個(gè)鏈條也能夠與機(jī)械能守恒定律所需的條件一致，由此，學(xué)生可以將鏈條的總質(zhì)量設(shè)定為m，則其質(zhì)量線的密度可以表示為m/L。再由桌面的重力勢(shì)能為零的條件，可得出答案：

（二）機(jī)械能守恒定律的運(yùn)用延伸

對(duì)機(jī)械能守恒定律的運(yùn)用研究，主要需要通過(guò)對(duì)研究對(duì)象、運(yùn)動(dòng)過(guò)程的具體分析，以此對(duì)物體做功、守恒情況展開(kāi)判斷學(xué)習(xí)。學(xué)生既要掌握機(jī)械能在初始、末端的狀態(tài)，也要達(dá)到利用此定律求解相關(guān)方程式的目的。

而在完成了該條定律的基礎(chǔ)研究后，學(xué)生還可以對(duì)其定理內(nèi)涵進(jìn)行拓展，并從學(xué)習(xí)中認(rèn)識(shí)到，在物質(zhì)世界中，任何形式的事物可以實(shí)現(xiàn)互相轉(zhuǎn)化。假設(shè)在一個(gè)系統(tǒng)之中，存在由系統(tǒng)外對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的物體做功的情況，便產(chǎn)生了其它形式的能向系統(tǒng)機(jī)械能的轉(zhuǎn)化過(guò)程，那么該系統(tǒng)的機(jī)械能總量也會(huì)隨之增加。如果所做功為負(fù)值，則該系統(tǒng)中的機(jī)械能又轉(zhuǎn)化為了其它形式的能，導(dǎo)致機(jī)械能總量也相應(yīng)減少。

結(jié)束語(yǔ)

機(jī)械能守恒定律不是物理課本上一章概念性的知識(shí)內(nèi)容，而是一項(xiàng)涉及生活中多個(gè)領(lǐng)域的運(yùn)用鐵律，并且與其它眾多的知識(shí)實(shí)現(xiàn)了相互結(jié)合。因此，加強(qiáng)對(duì)其應(yīng)用方面的探究，對(duì)于深化物理學(xué)系統(tǒng)學(xué)習(xí)與提升同學(xué)們練習(xí)實(shí)踐的能力都有著極為重要的效用。

［1］宋月麗，田明麗.也談機(jī)械能守恒定律與功能原理［J］.平頂山學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，05∶54-56.

［2］邢紅軍，胡揚(yáng)洋，李蓓.“機(jī)械能守恒定律”的高端備課［J］.課程教學(xué)研究，2014，09∶52-54.

［3］陳芋鑫.機(jī)械能守恒定律的應(yīng)用和外延［J］.群文天地，2012，13∶294.