高中物理教學(xué)中能量與做功的對應(yīng)關(guān)系分析

劉廣平

(山西省寶雞市渭濱中學(xué) 721000)

對高中物理教學(xué)而言，力學(xué)部分除了牛頓力學(xué)外最為關(guān)鍵的就是從能量和做功的角度思考相關(guān)問題.了解當(dāng)前高中生學(xué)習(xí)情況可知，由于基礎(chǔ)知識(shí)奠定不扎實(shí)，亦或是學(xué)習(xí)能力不強(qiáng)，都會(huì)影響實(shí)際問題的解決.在這一背景下，為了實(shí)現(xiàn)預(yù)期教學(xué)目標(biāo)，提高課堂教學(xué)效率，教師必須要整合研究相關(guān)問題，并提出具有針對性的解決對策.因此，下面以人教版為例，對高中物理教學(xué)中包含的能量與對應(yīng)的力做功之間的關(guān)系進(jìn)行簡單總結(jié)，以期為課堂教學(xué)優(yōu)化奠定基礎(chǔ)，促使學(xué)生可以在構(gòu)建完善知識(shí)體系的同時(shí)，具備正確的理解與解題能力.

一、合外力做功與動(dòng)能

簡單來講，動(dòng)能定理是指所有外力對物體總功，也可以稱為合外力的功，其等于物體的動(dòng)能的變化.在合外力對物體做正功的情況下，物體動(dòng)能會(huì)提高；而在合外力對物體做負(fù)功的情況下，物體動(dòng)能會(huì)降低.由此可知，兩者關(guān)系為合外力做功與動(dòng)能的增加相等.

例1一輛車通過一根跨過定滑輪的繩PQ提升井中質(zhì)量為m為物體，如圖1所示.繩的P端拴在車后的掛鉤上，Q端拴在物體上.設(shè)繩的總長不變、繩的質(zhì)量、定滑輪的質(zhì)量和尺寸，滑輪上的摩擦都忽略不計(jì).開始時(shí)，車在A點(diǎn)，左右兩側(cè)繩都已繃緊并且是豎直的，左側(cè)繩繩長為H.提升時(shí)，車加速向左運(yùn)動(dòng)，沿水平方向從A經(jīng)過B駛向C.設(shè)A到B的距離也為H.車過B點(diǎn)時(shí)的速度為vB.求在車由A移到B的過程中，繩Q端的拉力對物體做的功.

圖1

分析由于在提升過程中，物體只受到了拉力和重力的作用，因此結(jié)合物體速度變化和上升高度，得出功與功能的變化關(guān)系.

圖2

二、重力勢能與重力

若重力做正功，相應(yīng)的重力勢能會(huì)降低；但若是重力做負(fù)功，重力勢能也會(huì)隨之提高.由此可知，重力勢能的改變與重力所做功相等.

例2如下圖3所示，讓相同物體以四種不同方式從同一高度運(yùn)動(dòng)到地面，下列正確的是( ).

圖3

A.a圖中國的物體重力做功最少

B.四幅圖中重力做功相同

C.d圖中物體重力做功最多

D.四幅圖中重力做功多少無法比較

分析在研究這一問題時(shí)，不要被情景所迷惑，相反只要明確重力做功只于初位置和末位置有關(guān)即可，這樣就可以得到本題答案為B.

三、彈簧彈力與彈簧彈性勢能

如果彈力做正功，相應(yīng)的彈性勢能會(huì)降低；反之彈力做負(fù)功，那么彈性勢能會(huì)提高.由此可知，彈簧彈性勢能的改變與彈簧彈力所做功相等.

例3，在“蹦極跳”的運(yùn)動(dòng)中，質(zhì)量為m的游戲者，身系一根繩長為L，彈性良好的輕質(zhì)柔軟橡皮繩，從高處由靜止開始下落1.5L時(shí)達(dá)到最低點(diǎn).如果在下落時(shí)不計(jì)空氣阻力，那么下列說法正確的是( ).

A.速度先增大后減小 B.加速度先增大后減小

C.動(dòng)能增加了mgLD.重力勢能減小了mgL

分析A、橡皮繩繃緊后，開始階段，拉力小于重力，游戲者向下做加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)拉力大于重力后，游戲者做減速運(yùn)動(dòng)，即速度先增大后減小．故A正確；B、設(shè)橡皮繩的拉力為F，游戲者的質(zhì)量為m，加速度大小為a.橡皮繩繃緊前，游戲者做自由落體運(yùn)動(dòng)，加速度不變.橡皮繩繃緊后，開始階段，拉力小于重力時(shí)，由牛頓第二定律得：mg-F=ma，F(xiàn)增大，a減小.當(dāng)拉力大于重力時(shí)，F(xiàn)-mg=ma，F(xiàn)增大，a增大，所以加速度先不變，后減小，再增大.故B錯(cuò)誤；C、由靜止開始下落1.5L時(shí)到達(dá)最低點(diǎn)，游戲者動(dòng)能增加量為零.故C錯(cuò)誤；D、游戲者動(dòng)能增加量為零，重力勢能減小1.5mgL，而橡皮繩的彈性勢能增加，則機(jī)械能的減少量小于1.5mgL.故D錯(cuò)誤.

四、其它力做功與機(jī)械能

需要注意的是，此時(shí)的其它力是指除了系統(tǒng)內(nèi)彈力和重力外的其它力.如果其它力做正功，機(jī)械能會(huì)提高，反之其它力做負(fù)功，機(jī)械能會(huì)降低.

例4下列各種情況中做功的是( )

A.用豎直向上的力提水桶在水平面行走

B.用水平力推重物在水平地面上行走

C.運(yùn)動(dòng)員舉高1800N的杠鈴堅(jiān)持10s

D.水球重50N，沿光滑水平面運(yùn)動(dòng)10m

分析應(yīng)該選B.首先要明確做功的條件，一方面要有力作用在物體表層上，另一方面這一物體要在力的方向上通過了一段距離.由此研究其他三個(gè)選項(xiàng)：A提水桶的力是豎直向上的,而運(yùn)動(dòng)方向是水平的,所以沒有做功；C重力豎直向下,則支持力豎直向上,但是在十秒內(nèi)杠鈴沒有向上運(yùn)動(dòng),所以沒有做功；D“光滑”說明沒有阻力,水球沒有克服阻力做功.

五、摩擦生熱

分析Q=f×S相對=E損可知，f代表滑動(dòng)摩擦力大小，S表示相對路程或位移，E損代表系統(tǒng)損失的機(jī)械能，Q表示系統(tǒng)增加的內(nèi)能.在實(shí)際運(yùn)動(dòng)中，改變內(nèi)能與克服摩擦力相同.需要注意的是，此時(shí)改變的內(nèi)能是由克服摩擦力帶來的.

例5一個(gè)物體溫度升高，則下列哪一項(xiàng)正確( ).

A.它含有的熱量會(huì)增加 B.它吸收了熱量

C.一定對物體做了功 D.它的內(nèi)能會(huì)增加

分析由于熱量是指在熱傳遞中傳遞能量的多少，所以不能說物體“含有熱量高”，因此A選項(xiàng)錯(cuò)誤；改變物體內(nèi)能的方法有兩種，一種為做功，另一種為熱傳遞，兩者對改變物體的內(nèi)能是等效的，因此不能直接肯定是否做功或熱傳遞，由此B和C也是錯(cuò)誤的.而隨著物體溫度的提高，其分子運(yùn)動(dòng)一定會(huì)加快，內(nèi)能也會(huì)隨之提高，因此D是正確的.

六、安培力做功與電能

電磁感應(yīng)作為高中物理教學(xué)的重難點(diǎn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)及解題過程中經(jīng)常遇到不同類型的難題.研究安培力做功與電能的對應(yīng)關(guān)系可知，在安培力做負(fù)功的情況下，其它形式的能量都將轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽欢诎才嗔ψ稣Φ那闆r下，電能將會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?

圖4

例6電阻可忽略的光滑平行金屬導(dǎo)軌長S=1.15m，兩導(dǎo)軌間距L=0.75m，導(dǎo)軌傾角為30°導(dǎo)軌上端ab接一阻值R=1.5Ω的電阻，磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.8T的勻強(qiáng)磁場垂直軌道平面向上.阻值r=0.5Ω，質(zhì)量m=0.2kg的金屬棒與軌道垂直且接觸良好，從軌道上端ab處由靜止開始下滑至底端，在此過程中金屬棒產(chǎn)生的焦耳熱Qr=0.1J.(取g=10m/s2)求：金屬棒在此過程中克服安培力的功.

解析在下滑中，安培力的功就是在電阻上產(chǎn)生的焦耳熱，因?yàn)镽=3r，因此QR=3Qr=0.3 J，所以W安=Q=QR+Qr=0.4 J.

綜上所述，由于上述幾種能量及對應(yīng)力的做功關(guān)系是高中物理教學(xué)的重點(diǎn)，也是功能關(guān)系的直接展現(xiàn)，因此不管是教師還是學(xué)生都要加大對這方面內(nèi)容的探究.通過準(zhǔn)確掌握它們的關(guān)系，不僅能更快處理相關(guān)問題，而且可以構(gòu)建完善的物理知識(shí)體系，以此為后續(xù)知識(shí)學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)保障.在我國教育革新背景下，相信隨著基礎(chǔ)知識(shí)的鞏固與深化，高中生在學(xué)習(xí)物理知識(shí)時(shí)將會(huì)變得變得更加容易和簡單，這樣既能解決以往課堂教學(xué)中遇到的難題，又能充分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情.