機械能守恒定律教學中重難點的突破

◇ 甘肅 許 誥

(作者單位：甘肅省靖遠縣第三中學)

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機械能守恒定律教學中重難點的突破

◇ 甘肅 許 誥

高中物理重點研究物體(物體系)的機械運動及其遵循的規律,而機械能守恒是物體機械運動時遵循能量守恒規律的具體體現．對機械運動研究一方面是理解運動和力,另一方面是從能量觀點分析解決問題．掌握機械能守恒定律部分知識對學生深層次理解物理知識和物理學分析方法尤為重要,同時這也是考試中重點考查學生的基礎知識和分析解決問題能力的重要知識點．

1 重力勢能的理解——物體與地球構成的系統所共有

物體的重力勢能如何理解呢?通過學習萬有引力定律我們知道,地球周圍有引力場,物體置在此場中,就會在萬有引力作用下而產生重力,將一物體在近地表面舉高,必須要克服重力做功．這一過程由功能關系可知會涉及能量變化——重力勢能增加．這一切源自重力的存在,而重力存在與地球有關．由此可見,重力勢能必為物體與地球所共有．

2 從2種機械能表述中看問題

表述1 2003年人教版物理教科書這樣表述機械能守恒定律:“在只有重力、彈力做功的情形下,物體的動能和勢能發生相互轉化,但機械能的總量保持不變．”

表述2 2006年人教版物理教科書這樣表述機械能守恒定律:“在只有重力、彈力做功的物體系中,動能和勢能發生相互轉化,機械能的總量保持不變．”

可見,新舊教材都是從自由落體運動模型、2種功能(重力做功的功能關系和動能定理)關系推導出機械能守恒定律的．旨在讓學生從做功角度理解機械能守恒的本質．

在筆者的教學和與學生交流中,學生在學習此部分知識時存在諸多問題: 1)分不清研究對象; 2)分不清守恒中提到的功與能; 3)在哪種情形下彈力做功遵循機械能守恒定律．事實上，無論是何種表述,都涉及研究對象的問題.表述1中說的“物體”和表述2中說的“物體系”都是指該定律適合的對象.機械能包括動能和勢能,而“勢能”與物體的“所共有”對象有關,因此,談到勢能一定要明確是系統的,而我們通常所說的“物體的勢能”只是一種習慣性說法．

實際教學中，在只有重力做功的機械能守恒的模型學生易理解,但對于彈力做功的機械能守恒模型卻很迷茫．如大家熟知的阿德伍德機原理中,無論取那一面物體與地球構成系統,由于輕繩的彈力是外力則機械能不守恒,但如果將兩面物體與地球組成系統,由于重力和彈力是系統內力則機械能守恒,可見彈力并不是指彈簧彈力,也包含輕繩、輕彈簧、輕桿的彈力,另外對于物體間碰撞也有可能涉及機械能守恒,不過一定為彈性碰撞．綜上所述,彈力做功情況下機械能是否守恒,關鍵在于所說的彈力是否為系統內力．因此機械能守恒定律適合的對象是物體系(系統),所以在分析問題中要做到“兩巧”,即巧選系統和巧選過程．

3 雙管齊下抓本質

機械能守恒提到做功,存在能量的轉化和轉移,重點強調的是“變”而“不變”,能量形式變了,但總能量不變,而這一過程是通過做功來反映的．在列守恒方程時，一是抓“不變”,即在研究的過程中機械能時刻守恒,最初的機械能大小總與守恒過程任何時刻相等，即Ek1+Ep1=Ek2+Ep2, 在此特別強調列此式需選擇零勢能面;二是用“變化”表示“不變”.動能和勢能相互轉化,一種能量減少多少必然有另一種能量增加多少．因此機械能守恒存在另一種表達式，即ΔEk=ΔEp，需要特別強調的是此式不需選零勢能面,以上都是研究對象針對單一物體與地球組成的系統．另外系統關于A、B2物體的機械能守恒問題,A物體機械能減少多少則B物體機械能就增加多少．在實際的教學中,有學生也問:從做功角度判斷守恒還是從能量角度判斷守恒？筆者認為做功是實現這一目標的途徑,而能量轉化強調的是本質結果,在教學中2條路線均可進行,并不矛盾,是相輔相成的．

(作者單位：甘肅省靖遠縣第三中學)