高中物理中機械能守恒定律問題的解題策略

劉海平

摘?要：機械能守恒定律是高中階段常用的一個物理知識，也是教師教學的重點內容，同時，這一內容對于學生們來說學習的難度較大.教師要從知識的形成以及學生的認知過程等角度進行分析，引導學生更好地利用機械能守恒定律來解決問題，本文就簡要的分析了這一教學任務.

關鍵詞：高中;物理;機械能守恒定律;解題;策略

中圖分類號：G632文獻標識碼：A文章編號：1008-0333（2020）22-0087-02

在高中階段的物理學習過程中，機械能守恒定律一直是學習的重點和難點，其中主要利用了力學和能量學知識.但是學生對于這一定律的掌握效果并不理想，教師需要幫助學生分析問題、善于總結相關的知識點，遵循一定的解題思路和策略，靈活的用于題目的分析和解決中來.

一、利用機械能守恒定理，做出基本判斷

為了解決機械能守恒類的教學問題，首先要對相應的定律等知識形成深刻的認知，結合實際的情況，對研究的對象是否屬于守恒狀態進行判斷.首先這一點，主要可以以以下三個途徑進行判斷：首先，是直接判斷法，其次是間接判斷法，最后是能量判斷法.學生首先要明確機械能守恒的基本條件，這一定律是指兩個或兩個以上的系統之間存在相互作用，在高中階段的研究對象中，主要的機械能是動能和勢能，勢能又可以分為彈性勢能和重力勢能.因此，只有從根本上了解了機械能守恒定律，才能夠有效的建立起物理關系結構.

例如，如圖1，在某水平光滑地面上擱置一個三角形斜面，其上面擱置一個小木塊，已知斜面表面、木塊表面也都為光滑面，那么在小木塊下滑的過程中，其機械能是否保持守恒？如果將木塊和斜面看作是一個系統，那整個系統的機械能是否守恒呢？首先，判斷這一題目的機械能是否守恒，先將木塊和斜面看作是一個完整的系統，根據以上提到的三個判斷方法.基于已知條件可知，上述物體相互接觸的面都是光滑的，所以小木塊在沿著斜面下滑時不會存在摩擦力，其不會做功，這符合機械能守恒的基本條件，所以在斜面與小木塊二者共同構成的系統中，機械能是保持守恒的.而小木塊給斜面施加了垂直向下的作用力，所以其對斜面是做正功的，這使得斜面的機械能表現為增加的情況.但是，由于整個系統已被驗證是能量守恒的，而斜面機械能增加，意味著木塊的機械能是減少的，因此當木塊作為單獨的研究對象分析時，其機械能是不守恒的.

二、利用機械能守恒定理，研究單個物體

在機械能守恒定律的應用中，主要可以分為兩個不同的研究對象，一個是單獨物體的機械能守恒，另一個是系統的機械能守恒.針對于單個物體的機械能守恒，主要可以分為四種不同類型的題目，即：基于阻力不計的拋物類型題、以固定光滑圓弧為基準的滑動類型題、以某固定點為擺動點擺動類型題、以斜面為基礎的運動類型題.針對不同的類型題分析，都可以在確定研究對象的基礎上，靈活運用機械能守恒定理進行解題.

例如，以基于阻力不計的拋物類型題為例，現位于距離地面高度為H的樓層位置處，以V0水平拋出一個小球，試求解小球落地后的速度？（注：忽略空氣阻力）.在分析這一問題時，機械能守恒定律是一個非常方便的解題策略.首先，需要選擇一個恰當的零勢能面，設定該平面的勢能為0，在這個題目中，選擇地面當成零勢能面最佳.小球在拋落過程中僅有重力做功，具體就是重力勢能和動能二者之間相互轉換，所以機械能守恒，可以列出拋出時刻與著地時候的對應機械能守恒，即：mgH+mV20/2=mV2t/2，這樣就可以快速求解出所求問題的正確答案.學生們只需要將題目給出的信息代入，就能夠很快的計算出來，落地時的速度.再比如，如圖2：高度為h的位置斜向上拋出一個質量為m的物體，初速度為V0求解小球落地時的速度.這一題目與上衣題目類似，不同點在于拋出小球時的方向，這一點很容易誤導學生，但是仔細分析題目，這一點與機械能守恒定律的應用并不相關，因此還可以按照上一題目進行列式，得到答案為Vt=V20+2gh.

三、利用機械能守恒定理，研究系統能量

與單個物體的機械能量守恒相比，系統的能量守恒較為復雜，涉及到的方面更加廣泛，包括了輕桿連接、繩子連接、在水平面上自由擺動等幾種類型.以繩子連接為例題，如圖3，在一個表面光滑的定滑輪上面繞過一根輕繩，其兩端分別懸掛重量為M和N的長方形鐵塊，并且已知M>N.在開始運動的時候，首先握住鐵塊M，使其保持在圖示的位置處.求當物塊M從靜止狀態釋放，在下落距離起始位置為h處的下落速度？假定高度h正好是M從靜止狀態下落到地面的高度，那么N上升的高度又是多少呢？（繩子與滑輪重力不計，高度h<<繩子長度.）在這一道題目的分析過程中，必須要將M和N看做一個整體，那么做功的僅為重力，所以滿足機械能守恒的基本條件，此時鐵塊N對應的機械能為mgh+2mV2/2，呈現為逐步增加的變化，而鐵塊M的機械能為Mgh-mV2/2，會相應地減小.基于機械能守恒定律可知，鐵塊N增加的機械能恰好等于鐵塊M減少的機械能，因此聯立兩個式子，得到速度v的大小.第二個問題，需要注意不需要確定零勢能面，只需要按照M的機械能減少量等于N的機械能增加量即可解決.

總之，在高中階段的物理學習過程中，機械能守恒定律是一個非常重要的教學內容，需要學生熟練的應用這一定律于不同的情境中，并且選擇好研究對象，是單獨物體還是系統，從而提高解題效率.

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