■湖南省汨羅一中 鐘營國

機(jī)械能與能量守恒創(chuàng)新題賞析

■湖南省汨羅一中 鐘營國

一、倡導(dǎo)新課改理念,體現(xiàn)科學(xué)探究和自主創(chuàng)新的能量問題

我國在《中國教育改革發(fā)展綱要》中指出,世界范圍內(nèi)經(jīng)濟(jì)的競爭、綜合國力的競爭,實(shí)際上是科學(xué)技術(shù)的競爭,民族素質(zhì)的競爭,從這個(gè)意義上說,誰掌握了面向21世紀(jì)的教育,誰就能在21世紀(jì)的國際競爭中處于戰(zhàn)略主動(dòng)地位。在這樣的形勢下,如何突破技術(shù)研發(fā)的瓶頸,培育具有科學(xué)探究精神、自主創(chuàng)新能力的人才,勢必成為高中課程改革中備受關(guān)注的焦點(diǎn)。

例1如圖1所示為某探究活動(dòng)小組設(shè)計(jì)的節(jié)能運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。斜面軌道傾角θ=30°,質(zhì)量為M的木箱與軌道間的動(dòng)摩擦因數(shù)木箱在軌道頂端時(shí),自動(dòng)裝貨裝置將質(zhì)量為m的貨物裝入木箱,然后木箱載著貨物沿軌道無初速度滑下,將輕彈簧壓縮至最短時(shí),自動(dòng)卸貨裝置立刻將貨物卸下,然后木箱恰好被彈回到軌道頂端,再重復(fù)上述過程。下列選項(xiàng)正確的是( )。

圖1

A.m=M

B.m=2M

C.木箱不與輕彈簧接觸時(shí),上滑的加速度大于下滑的加速度

D.在木箱與貨物從頂端滑到最低點(diǎn)的過程中,減少的重力勢能全部轉(zhuǎn)化為輕彈簧的彈性勢能

解析:由受力分析可知,木箱與貨物下滑時(shí)的加速度大小為g-μgcosθ,木箱上滑時(shí)的加速度大小為g+μgcosθ,選項(xiàng)C正確。設(shè)木箱與貨物下滑的距離為l,根據(jù)能量守恒定律得μ(m+M)glcosθ+μMglcosθ=mglsinθ,解得m=2M,選項(xiàng)A錯(cuò)誤,B正確。根據(jù)除重力、彈性力做功以外,其他力(非重力、彈性力)做的功之和等于系統(tǒng)機(jī)械能的變化量可知,在木箱與貨物從頂端滑到最低點(diǎn)的過程中,減少的重力勢能轉(zhuǎn)化為彈簧的彈性勢能和內(nèi)能,選項(xiàng)D錯(cuò)誤。答案為BC。

點(diǎn)評:此題以科學(xué)探究活動(dòng)為背景,考查了同學(xué)們對牛頓運(yùn)動(dòng)定律及能量的轉(zhuǎn)化與守恒定律的應(yīng)用,是一道倡導(dǎo)新課改理念,體現(xiàn)科學(xué)探究、自主創(chuàng)新的新穎試題。

二、體現(xiàn)新能源普及和實(shí)施可持續(xù)發(fā)展的能量問題

“節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境”已被確定為國家的基本國策。未來我國將繼續(xù)實(shí)行“節(jié)能優(yōu)先,結(jié)構(gòu)多元,環(huán)境友好”的可持續(xù)能源發(fā)展戰(zhàn)略,將“節(jié)能”放在能源戰(zhàn)略的首要地位,節(jié)能的同時(shí),開發(fā)清潔、低碳、高效的“綠色能源”成為未來能源發(fā)展的方向。圍繞新興能源戰(zhàn)略,近幾年出現(xiàn)了許多物理試題。

例2湖南省沙河抽水蓄能電站自2003年投入運(yùn)行以來,在緩解用電高峰電力緊張方面,取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。抽水蓄能電站的工作原理:在用電低谷時(shí)(如深夜),電站利用電網(wǎng)多余電能把水抽到高處蓄水池中,到用電高峰時(shí),再利用蓄水池中的水發(fā)電。如圖2所示,蓄水池(上游水庫)可視為長方體,有效總庫容量(可用于發(fā)電)為V,蓄水后水位高出下游水面H,發(fā)電過程中上游水庫水位最大落差為d。統(tǒng)計(jì)資料表明,該電站年抽水用電量為2.4×108kW·h,年發(fā)電量為1.8×108kW·h,則下列計(jì)算結(jié)果正確的是(水的密度為ρ,重力加速度為g,涉及重力勢能的計(jì)算均以下游水面為零勢能面)( )。

圖2

A.能夠用于發(fā)電的水的最大重力勢能Epmax=ρgVH

C.該電站的總效率達(dá)75%

D.該電站平均每天所發(fā)電能可供給一個(gè)大城市居民用電(一天用電電功率以105kW計(jì))約10h

解析:取下游水面為零重力勢能面,水庫中存水所具有的重力勢能應(yīng)以重心位置來計(jì)算,所以能夠用于發(fā)電的水的最大重力勢能,選項(xiàng)A錯(cuò)誤,B正確。該電站的總效率,選項(xiàng)C正確。該電站平均每天的發(fā)電量可供一個(gè)大城市居民用電的時(shí)間為,選項(xiàng)D錯(cuò)誤。答案為BC。

點(diǎn)評:此題以抽水蓄能為背景,其倡導(dǎo)的能源新概念、節(jié)能環(huán)保的宗旨讓人耳目一新。從長遠(yuǎn)來看,低碳的能源結(jié)構(gòu)才是社會(huì)發(fā)展趨勢,對核能、風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能、地?zé)崮堋⒎浅Ｒ?guī)天然氣等新能源和可再生能源的開發(fā)利用與開發(fā)創(chuàng)新必將更為廣泛。所以同學(xué)們在平時(shí)的學(xué)習(xí)中,應(yīng)多關(guān)心社會(huì)熱點(diǎn),做一個(gè)有使命感的熱心人。

三、貼近生活實(shí)際,反應(yīng)體育與競技的能量問題

我國將于2022年舉辦冬奧會(huì),這將推動(dòng)我國從體育大國向體育強(qiáng)國邁進(jìn)。由于體育和運(yùn)動(dòng)的話題與我們的生活息息相關(guān),使得這些熱點(diǎn)話題在各地各類試題中也成為屢見不鮮的背景材料。

例3跳臺(tái)滑雪是最具觀賞性的冬季運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目之一。如圖3所示,質(zhì)量m=60kg的運(yùn)動(dòng)員從長直助滑道AB的A處由靜止開始以加速度a=3.6m/s2勻加速滑下,到達(dá)助滑道末端B時(shí)的速度vB=24m/s,A、B兩點(diǎn)間的豎直高度差H=48m。為了改變運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)方向,在助滑道與起跳臺(tái)之間用一段彎曲滑道銜接,其中最低點(diǎn)C處附近是一段以O(shè)為圓心的圓弧。助滑道末端B與滑道最低點(diǎn)C的高度差h=5m,運(yùn)動(dòng)員在B、C兩點(diǎn)間運(yùn)動(dòng)時(shí),阻力做功W=-1530J,取g=10m/s2。

圖3

(1)求運(yùn)動(dòng)員在滑道AB上下滑時(shí)受到阻力f的大小。

(2)若運(yùn)動(dòng)員能夠承受的最大壓力為其所受重力的6倍,則C點(diǎn)所在圓弧的半徑R至少應(yīng)為多大?

解析:(1)運(yùn)動(dòng)員在滑道AB上做初速度為零的勻加速運(yùn)動(dòng),設(shè)滑道AB的長度為x,則,解得x=80m。由牛頓第二定律得,解得f=144N。

(2)設(shè)運(yùn)動(dòng)員到達(dá)C點(diǎn)時(shí)的速度為vC,則運(yùn)動(dòng)員在由B點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到C點(diǎn)的過程中,由動(dòng)能定理得,解得vC=25m/s。設(shè)運(yùn)動(dòng)員在C點(diǎn)所受的支持力為N,則由牛頓第二定律得N-mg=

點(diǎn)評:此題以跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)為背景,倡導(dǎo)體育與運(yùn)動(dòng)的精神。借此考查我們運(yùn)用物理知識(shí)分析與解決實(shí)際問題的能力,是一道體現(xiàn)知識(shí)與能力的好題。

(責(zé)任編輯 張 巧)

編者注:“創(chuàng)新題追根溯源”欄目里的例題都非常新穎,有的是原創(chuàng)題,有的是改編題,每一道題都非常注重多解多變。同學(xué)們要把握核心考點(diǎn),擴(kuò)大知識(shí)視野,用扎實(shí)的基本功應(yīng)對試題的萬千變化。