摘 要：能量守恒是高中物理常見(jiàn)的一個(gè)定律.本文主要對(duì)能量守恒及其學(xué)習(xí)方法進(jìn)行探討，并總結(jié)出能量守恒定律在高中物理解題中的應(yīng)用策略.

關(guān)鍵詞：高中物理；能量守恒；解題；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：G632?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?? 文章編號(hào)：1008-0333（2023）21-0071-03

收稿日期：2023-04-25

作者簡(jiǎn)介：葉新美（1981.6-），女，本科，中學(xué)一級(jí)教師，從事高中物理教學(xué)研究.

能量守恒作為極其重要的一種定律，將其運(yùn)用于物理學(xué)科，能有效解決相關(guān)物理問(wèn)題，是物理解題中常見(jiàn)的一種方法.

1 能量守恒概述

能量守恒的準(zhǔn)確定義是能量不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，是由一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，或者是從一種形式的能量轉(zhuǎn)化成另一種形式的能量，在轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，總能量保持不變.比如，物體由高空下落，重力勢(shì)能會(huì)轉(zhuǎn)變成內(nèi)能與動(dòng)能等.本定義當(dāng)中，有兩個(gè)基本點(diǎn)，即傳遞和轉(zhuǎn)換.能量傳遞的基礎(chǔ)要求就是物質(zhì)之間存在著互相作用，類似于高中物理中的力學(xué)問(wèn)題、力學(xué)有關(guān)的熱力學(xué)、電磁學(xué)問(wèn)題等［1］.比如，在摩擦過(guò)程，能量會(huì)轉(zhuǎn)變成熱能，彈簧發(fā)生收縮形變.而能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)問(wèn)題則是轉(zhuǎn)換能量的形式，如煤燃燒之后，會(huì)釋放出熱量，能夠取暖；可通過(guò)生產(chǎn)蒸汽，推動(dòng)蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，促使汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化成電能.

2 高中物理能量守恒的學(xué)習(xí)方法

2.1 理解基礎(chǔ)定律

從物理學(xué)角度，人類是生活在滿是電磁場(chǎng)物質(zhì)的一個(gè)空間中，電磁場(chǎng)是人們通過(guò)肉眼看不見(jiàn)的，但其作用卻可以使我們真切的體會(huì)到能量守恒，其中包含的范圍是極其廣的.高中時(shí)期，電磁場(chǎng)的能量守恒屬于能量守恒定律中的一種，物體在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)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(nèi)容有很多，所以，需對(duì)每個(gè)部分進(jìn)行細(xì)致探討，力學(xué)作為高中物理當(dāng)中的重要

內(nèi)容，在力學(xué)的學(xué)習(xí)中，能量守恒更多體現(xiàn)在各種能之間的轉(zhuǎn)化，其主要分析各種能量的具體轉(zhuǎn)化，也就是通過(guò)哪些力達(dá)成的［2］.比如，在分析子彈由槍口中射出能量發(fā)生了什么轉(zhuǎn)變，并在頭腦中形成子彈連續(xù)射出并落地的畫(huà)面，接著，伴隨子彈運(yùn)動(dòng)加以分析：第一，人扳動(dòng)開(kāi)關(guān)，啟動(dòng)子彈發(fā)射的按鈕，接著，火藥進(jìn)行燃燒將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為燃燒氣體的內(nèi)能；第二，部分內(nèi)能促進(jìn)子彈的運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)變成子彈動(dòng)能，因?yàn)樽訌椢挥诳諝猱?dāng)中受到了摩擦阻力，產(chǎn)生相應(yīng)的熱能，子彈機(jī)械能逐漸減少；第三，落到地面，完成了子彈運(yùn)動(dòng)過(guò)程能量守恒與轉(zhuǎn)化的分析.

2.2 熟悉能量守恒的轉(zhuǎn)變

能量守恒是一個(gè)基本定律，是通過(guò)精煉且簡(jiǎn)單的語(yǔ)言，把自然界能量守恒總結(jié)成一句話，但是，簡(jiǎn)單的依據(jù)能量守恒，可轉(zhuǎn)化成許多個(gè)問(wèn)題，面對(duì)多種多樣、形式不同的問(wèn)題，學(xué)生很少能掌握到學(xué)習(xí)的好方法，部分學(xué)生也無(wú)法充分理解與掌握教師講解的物理問(wèn)題，更多只會(huì)做某類或某部分的試題.鑒于此，物理教師在教學(xué)時(shí)，需引導(dǎo)學(xué)生準(zhǔn)確把握相關(guān)物理定律，經(jīng)過(guò)不斷學(xué)習(xí)，對(duì)相關(guān)物理問(wèn)題進(jìn)行歸納總結(jié)和系統(tǒng)學(xué)習(xí)［3］.比如，光學(xué)的能量守恒則是指金屬當(dāng)中的電子會(huì)吸收光能量，部分會(huì)克服原子核引力并逸出，另一部分是電子獲取到充足的動(dòng)能而遠(yuǎn)離金屬表面.

2.3 理清定律應(yīng)用的題型

高中階段，學(xué)生要理清解題思路，會(huì)分析題型，以提高自身的解題能力.高中物理可分成熱學(xué)、力學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)、原子物理學(xué)等，部分章節(jié)的題型相對(duì)固定.力學(xué)部分，學(xué)生要能夠通過(guò)功能關(guān)系加以解題，總功能通過(guò)動(dòng)能變化實(shí)施量度，重力做功能夠通過(guò)重力勢(shì)能具體減少量實(shí)施量度，除了彈簧彈力以及重力，其它的力做功都能通過(guò)機(jī)械能的具體增加量實(shí)施量度，并明確功和能存在的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)高效解題的效果.而光學(xué)部分，需對(duì)原子在光照射以后所激發(fā)出的電子能量變化問(wèn)題進(jìn)行解決，對(duì)于光學(xué)知識(shí)來(lái)說(shuō)，其通常是無(wú)法看見(jiàn)與摸著的，但通過(guò)能量守恒，則能實(shí)現(xiàn)有效解決［4］.電磁學(xué)部分，則需解決電子或金屬導(dǎo)體位于磁場(chǎng)、電場(chǎng)、電磁場(chǎng)相聯(lián)合的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及能量轉(zhuǎn)變.在后期的復(fù)習(xí)中，常見(jiàn)的都是各個(gè)部分結(jié)合的綜合類題型，這就需學(xué)生們注重基礎(chǔ)知識(shí)的理解與掌握，以此為后期學(xué)習(xí)與考試奠定扎實(shí)的基礎(chǔ).

3 高中物理解題中能量守恒的應(yīng)用策略

3.1 解決機(jī)械運(yùn)動(dòng)問(wèn)題

物體進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)移，如摩擦力會(huì)使機(jī)械能轉(zhuǎn)換成熱能，依據(jù)功能原理顯示：外力做功和系統(tǒng)內(nèi)部的保守內(nèi)力所做功的和與系統(tǒng)機(jī)械能產(chǎn)生的變化量是相等的，其也適用多質(zhì)點(diǎn)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)狀況.當(dāng)不存有外力作用，系統(tǒng)內(nèi)部的多質(zhì)點(diǎn)保守內(nèi)力的做功沒(méi)有產(chǎn)生機(jī)械能朝著其它形式的能量轉(zhuǎn)變［5］.不論是哪種機(jī)械運(yùn)動(dòng)，都能符合能量守恒的要求，并依據(jù)能量的轉(zhuǎn)化過(guò)程中呈現(xiàn)的參數(shù)變化，對(duì)能量變化實(shí)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(gè)物體，分別是A、B，二者通過(guò)輕質(zhì)彈簧進(jìn)行連接，現(xiàn)有mA＝2mB，且物體A與墻壁緊貼，對(duì)物體B施加相應(yīng)的外力F，F(xiàn)方向指向A物體，力F對(duì)于輕質(zhì)彈簧的做功是W，撤掉外力F時(shí)，求A物體在離開(kāi)墻壁時(shí)最大的彈性勢(shì)能是多少？

圖1 物塊簡(jiǎn)圖

解析 為了優(yōu)化分析步驟，可以把A、B作為整個(gè)系統(tǒng)，依據(jù)能量守恒可知，物體A、B有著相同的速度.

解 設(shè)物體A離開(kāi)墻壁花費(fèi)的時(shí)間是t0，物體B的速度設(shè)為v0，依據(jù)能量守恒可知：

W=12mBv20①

當(dāng)物體A、B的速度均是v時(shí)，依據(jù)機(jī)械能守恒可知：

W=12（mA+mB）v2+Epmax②

依據(jù)動(dòng)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(jī)械能守恒實(shí)施求解是有較大難度的，其還包含了動(dòng)量守恒的相關(guān)內(nèi)容，這就需多次運(yùn)用能量守恒，才可以求解得到最大的彈性勢(shì)能Epmax.

3.2 解決分子熱運(yùn)動(dòng)問(wèn)題

分子實(shí)施熱運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的內(nèi)能，內(nèi)能和其它形式的能量經(jīng)過(guò)做功以及熱傳遞等多種形式實(shí)施轉(zhuǎn)化.

例如，某個(gè)質(zhì)量是M kg金屬塊（銅）被固定到地面，狙擊手把質(zhì)量是m kg的銅彈頭射進(jìn)金屬塊，其溫度都會(huì)增加，通過(guò)溫度計(jì)測(cè)量以后，會(huì)發(fā)現(xiàn)其溫度共上漲12 ℃，請(qǐng)問(wèn)，將金屬塊置于光滑表面，把彈頭以同樣的速度射進(jìn)金屬塊，其溫度上升至11 ℃，求：金屬塊和銅彈頭質(zhì)量比是多少？

解析 依據(jù)熱力學(xué)定律可求解得到物體內(nèi)能產(chǎn)生的變化，并通過(guò)能量守恒定律，把減少的機(jī)械能和內(nèi)能產(chǎn)生的變化量進(jìn)行對(duì)應(yīng)，以構(gòu)建相應(yīng)的等量關(guān)系.

解 把銅彈頭初速率設(shè)成v0，第二次光滑的平面射擊時(shí)，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(guò)能量守恒，可構(gòu)建以下等量關(guān)系：

第一次：12C（M+m）＝12mv20；

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

3.3 解決相對(duì)運(yùn)動(dòng)問(wèn)題

做功和能量之間的變化有著緊密關(guān)聯(lián)，是能量轉(zhuǎn)變的量度.通過(guò)能量守恒對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題進(jìn)行分析時(shí)，需注意由做功作為入手點(diǎn).通常來(lái)說(shuō)，除了彈簧彈力或者重力，其它外力對(duì)物體做的正功會(huì)導(dǎo)致機(jī)械能增加［6］.因此，解題時(shí)，需與題干給出的情境相結(jié)合，對(duì)板塊的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行整體判斷，并對(duì)板塊受力進(jìn)行分析，確定其受力大小及受力方向、做功正負(fù).

例如，如圖2，光滑水平面放置了一個(gè)長(zhǎng)木板A，在某時(shí)刻，物塊B以水平速度v0沖上A之后，因?yàn)槟Σ亮ψ饔枚Ｖ褂贏上.下述分析是正確的（? ）.

圖2 物塊長(zhǎng)木板模型簡(jiǎn)圖

A.物塊B的動(dòng)能減少量與系統(tǒng)損失機(jī)械能是相等的

B.物塊B克服了摩擦力的功和系統(tǒng)內(nèi)能增加量是相等的

C.物塊B損失掉的機(jī)械能與木板A獲取的動(dòng)能和系統(tǒng)損失機(jī)械能的和是相等的

D.摩擦力對(duì)于物體B做的功與對(duì)木板A做的功之和與系統(tǒng)內(nèi)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(yùn)動(dòng)，摩擦力則對(duì)其做負(fù)功.木板A受摩擦力影響做勻加速運(yùn)動(dòng)，摩擦力做正功.需注意，木板A的速度沒(méi)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(duì)滑動(dòng)，產(chǎn)生相應(yīng)的熱量.依據(jù)能量守恒，木塊B由于受摩擦力動(dòng)能逐漸減小，減少的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變成A的動(dòng)能，且部分因?yàn)槟Σ炼D(zhuǎn)變成內(nèi)能，故本題選C.

綜上所述，能量守恒是自然界中最常見(jiàn)的一種定律，在物理問(wèn)題的分析過(guò)程中廣泛運(yùn)用.因此，高中物理的解題教學(xué)中，教師需注重能量守恒的講解，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)能量守恒進(jìn)行物理習(xí)題解答，從而使學(xué)生充分掌握能量守恒的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)解題效果的優(yōu)化.

參考文獻(xiàn)：

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

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

［3］ 馬彥平.能量守恒在解決高中物理問(wèn)題方面的應(yīng)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(wèn)題［J］.高考，2019（03）：266.

［5］ 牛國(guó)光.能量守恒定律在高中物理解題中的應(yīng)用［J］.高中數(shù)理化，2018（24）：23-24.

［6］ 邱國(guó)民.能量守恒在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用分析［J］.文理導(dǎo)航（中旬），2018（12）：48-49.

［責(zé)任編輯：李 璟］