涂靜秀
摘 要:通過學生做題的兩種方法,引發(fā)對動能定理應(yīng)用的思考,學生的思路看似天衣無縫,但實際是對動能定理內(nèi)容和使用條件理解得不夠準確,為此,我以教學中的實例分析一下學生在學習動能定理時的理解誤區(qū),以引起物理教師的關(guān)注。
關(guān)鍵詞:動能;動能定理;標量;狀態(tài)量
中圖分類號:G633.7????????? 文獻標識碼:A???? 文章編號:1992-7711(2020)19-110-1
動能定理是高中階段的重要理論,它既深化了學生對功的概念的理解,也使學生進一步理解了功與能量變化之間的關(guān)系?!肮κ悄芰孔兓牧慷取?,這不僅拓寬了求功的方法,還為功能關(guān)系的進一步學習奠定了基礎(chǔ),因此動能定理在物理學中的地位非同小可。它不僅可以解決直線運動問題,還可以解決曲線運動問題;不僅可以解決恒力做功問題,還可以解決變力做功問題。只有深入理解了動能定理的內(nèi)容,我們才可能應(yīng)用動能定理解決一些比較復雜的問題。下面從學生的兩道習題計算所產(chǎn)生的不同解法入手,簡單介紹一下關(guān)于動能定理應(yīng)用時應(yīng)注意的問題。
一、實例解析,剖析學生解法錯誤
例1:某人以速度v0水平拋出一小石子,已知小石子拋出時距水平地面的高度為h,忽略空氣阻力。求小石子落地瞬間的速度大???
這是一道平拋運動知識的習題,學生試著用動能定理知識求解如下:
甲同學:設(shè)小石子落地的瞬時速度大小為v,則由動能定理得:mgh=12mv2-12mv20v=v20+2gh
乙同學:設(shè)小石子落地瞬間豎直方向的速度為vy,則在豎直方向上由動能定理可得:mgh=12mv2y-0v2y=2gh,則小石子落地的瞬時速度為v=v20+v2y=v20+2gh
從上面的計算結(jié)果看,甲乙兩位同學相同,那么他們的計算過程是否都正確?根據(jù)動能定理內(nèi)容“力在一個過程中對物體做的功,等于物體在這個過程中動能的變化。這里‘力所做的功指的是總功,即合力所做的功,等于物體所受各個力做功之和。”其中“物體動能的變化”指的是物體在力做功過程中,初、末狀態(tài)動能之差。我們可知乙同學的解法是錯誤的。動能定理不是針對物體運動的某一分過程,而是對物體的合運動而言的。
例2:如圖所示,在豎直平面內(nèi),光滑絕緣直桿AC與半徑為R的圓周交于B、C兩點,在圓心處有一固定的正點電荷,B點為AC的中點,C點位于圓周的最低點?,F(xiàn)有一個質(zhì)量為m、電荷量為-q套在桿上的帶負電的小球(可視為質(zhì)點)從A點由靜止開始沿桿下滑。已知重力加速度為g,A點距過C點的水平面的豎直高度為3R,小球滑到B點時的速度大小為2gR。求:
(1)小球滑至C點時的速度的大小;
(2)A、B兩點間的電勢差;
(3)若以C點做為參考點(零電勢點),試確定A點的電勢。
解析:(1)因為B、C兩點電勢相等,故小球從B到C運動的過程中電場力做功為零。
由幾何關(guān)系知B、C兩點豎直高度差hBC=32R
由動能定理得:mghBC=mv2c2-mv2B2
解得vc=7gR
(2)對小球從A點到B點,應(yīng)用動能定理得:
mg·32R+WAB=12mv2BWAB=12mgR
UAB=WAB-q=-mgR2q
(3)小球從A到C,重力和電場力均做正功,由動能定理得:
mg·3R+W電=mv2c2
由電場力做功與電勢能的關(guān)系:
W電=EPA-EPC=-qφA-(-qφC)
又因為φC=0
所以φA=-mgR2q
在例題2中,由于帶電小球在運動過程中既受重力也受電場力,而且所受的電場力隨著小球位置的變化而變化,所以小球運動過程中所受的合力變化,應(yīng)用牛頓運動定律很難解決這個問題,而應(yīng)用動能定理解題比較容易。應(yīng)用動能定理解題應(yīng)抓好“兩狀態(tài),一過程”,“兩狀態(tài)”,即明確研究對象的始、末狀態(tài)的速度或動能情況,“一過程”即明確研究過程,確定這一過程研究對象的受力情況和位置變化或位移信息。
二、應(yīng)用動能定理應(yīng)注意的幾個問題
1.動能定理中的位移和速度必須是相對于同一參考系的,一般以地面或相對地面靜止的物體為參考系。
2.應(yīng)用動能定理的關(guān)鍵在于對研究對象進行受力分析和運動過程分析,理清各力做功的正負,確定做功過程與能量轉(zhuǎn)化的關(guān)系。
3.動能定理表達式中“=”是一種因果關(guān)系在數(shù)值上相等的符號。合力做功是物體動能變化的原因;合力做的功與動能變化可以等量代換。
4.在多過程問題中,可以分段考慮也可以全過程作為一整體進行分析,分別分階段應(yīng)用動能定理或者全過程應(yīng)用動能定理解題,具體問題選擇具體的解題方法,關(guān)鍵是分析清楚各個過程中的初、末運動狀態(tài),即速度。
綜上所述,作為高中物理教師,在動能定理教學過程中應(yīng)該引導學生理解動能內(nèi)容和使用條件,辨別標量和狀態(tài)量,注意以上提到的四個問題,這樣就會消除動能定理學生理解的誤區(qū)。
(作者單位:蘇州市吳江中學,江蘇 蘇州215000)