能量守恒分析物理問題

朱中良

(江蘇省揚州大學附屬中學東部分校 225000)

能量的概念十分抽象，但它在自然界中以多種形式存在，它可以以我們用眼能看到的機械能存在，也能以感知的熱能存在.與能量相關的能量守恒定律是高中物理重要的定律之一，掌握能量守恒定律知識的內容，熟練運用能夠給相關問題的解決帶來便捷，對于培養綜合學習物理的能力有促進作用.

一、力學世界看能量守恒

高中力學涵蓋了三大能量守恒定律：動能定理、功能定理與機械能守恒定律.以這些定律衍射出來的能量守恒題目更是千千萬萬，無法數清.以熟練掌握相關定理或定律的內容為基礎，憑借能量守恒定律的運用，促進高中力學內容的學習與掌握.如：

例1如圖1所示，一木板A的質量mA=1kg，物體B的質量mB=1kg.剛開始用手托住物體B，木板A在O點處于靜止狀態，此時繩子剛好處于緊繃拉直的狀態.隨后，將手從物體B上抽離，讓A.B一起作加速運動.當A在水平水平桌面上滑動s1=1m的距離到E點時，在該木板上輕緩的放上物體C，質量mC=5kg，物體C相對于木板A后退距離d=0.5m后，與木塊A相對靜止而一起發生運動，最終在F點停止運動.已知物體C和木板A、物體A與桌面之間的動摩擦因數均是μ=0.2，求點E與點F之間實際距離是多少.

解析此題涉及的運動過程眾多，若一一進行研究只會使得問題復雜化，因此運用能量守恒的角度，將A、B、C和地球看作一個系統，在整個系統運動的過程中，外力做功單單只有桌面與木板A之間的滑動摩擦力做功，內力做功有物體B的重力做功，還有物體A與物體C之間的滑動摩擦力做功.因為物體A與C的重力勢能未發生變化，因此不妨設其為0，對物體B取其終點位置為重力勢能零勢能點.那么由題意知，該系統的初始的機械能E=mBg(s1+sEF),末狀態的機械能E′=0,從初始狀態到末狀態機械能轉化為內能的轉化值是ΔE內=μmAgs1+μ(mA+mB)gsEF+μmcgd.根據能量守恒得E-ΔE內=E′將相關表達式代入可以得到sEF=1.5m.

反思從初始狀態到末狀態，整個系統的機械能的變化量可以用滑動力與相對應的位移的乘積表示，所以用能量守恒的角度分析該類題型會更加便捷高效，具有優越性.隨著學習深入和知識的增加，學生需要用新知識解決老問題，實現知識點的深化理解和能力的提高.

二、熱學角度觀能量守恒

能量守恒不僅存在于力學中，也存在熱力學中.在熱力學中，能量可以從一個物體轉移到另一個物體上，但是在轉換的過程中能量的總值是固定不變的，即ΔU=Q+W.這就是能量在熱力學中的表現形式.熟練掌握，靈活運用熱力學第一定律可以簡化問題，如：

例2若用煤油燒水，將50kg、20℃的熱水加熱到60℃，共需要燃料1L.已知煤油的熱值是4.6×107J/kg，水的比熱容是4.2×103J/(kg·℃)，煤油密度是0.8×103kg/m3，求：(1)將50kg、20℃的熱水加熱到60℃一共需要吸收的熱量是多少？(2)完全燃燒1L煤油共釋放出多少熱量？(3)燒水的效率.

反思：能量守恒是針對系統而言的，本題就涵蓋了兩個系統內的能量轉移問題，所以需要學生確定先研究哪個系統，再研究哪個系統，有主有次；其次該題需要學生熟練掌握相關的物理公式，根據題意能快速準確的提取出相應的公式進而代入數據計算；因為能量在轉移或轉化的過程中能量是恒等不變的，守恒的，但是煤油燃燒燒水，只是將煤油完全燃燒釋放的熱量中一部分轉移到水上，還有散發在空氣中的熱量等.

三、磁場領域視能量守恒

電磁學是高中物理的重要內容之一，也是經常考察的考點.用好能量守恒不僅可以簡化問題，還可以建立直觀的解題思緒.因此能量守恒是解決電磁場問題的重要方法.如：

例3如圖2所示，光滑的水平面上放置三個帶正電的質點，以1,2,3分別表示，該三個質點均在邊長為1的等邊三角形的三個頂點上，C是三角形的中心點，M表示質量，q表示電荷.質點1與質點3、質點2與3之間均是絕緣杠桿完成相連，最初質點的速度為0，運動之后的質點3到C處，求此時的速度.

解析不妨將三個質點視為一個系統，從能量守恒角度分析.分析后發現C點的位置是固定不變的，質點3會在質點1、2的作用下，沿著0C的方向運動.因此由能量守恒得：ΔEK=ΔEP

反思運用能量守恒對電勢進行分析，解法比較常規，可以進行專門的訓練，總結解法，進而強化電磁場的學習.

總之，運用能量守恒解決問題只需要分析能量的轉化關系和守恒條件，無需關注中間的具體過程，因而往往能簡化問題，給解題帶來方便.對于較復雜的多過程的問題，不僅要從細節上分析能量的轉化關系，而且要有整體觀念，從題目中涉及的眾多問題對象和過程整體綜合考慮，縱覽全局，尋找整體中能量守恒的最簡關系.