高中物理機械能守恒定律題型探究

寇得寶

(甘肅省白銀市平川中學,甘肅 白銀 730913)

機械能守恒定律主要的題型可以分為三種,分別是機械能守恒的判斷、單物體機械能守恒、連接體機械能守恒三種題型,其難度有高有低,文章接下來對這三種題型進行詳細分析.

1 機械能守恒的判斷題型

機械能守恒的判斷題型難度大都比較低,這部分題大多是對機械能守恒的基本定律、知識點為主,需要學生去了解在什么情況下系統機械能能夠達到守恒,以這個為基礎去做到深層次的學習.這部分內容需要教師帶領學生進行研究分析,通過題型來進行思考學習,逐漸地幫助學生促進自身的學習質量,提高物理能力[1].

例1 在下列選項當中的運動中,機械能一定守恒的是( ).

A.在勻速直線運動中的物體

B.在勻變速直線運動中的物體

C.在平拋運動中的物體

D.在勻速圓周運動中的物體

解析這道題需要學生對運動的過程進行分析,去分析動能、重力勢能等是否變化,且運動當中是否受到外力等條件,然后基于機械能守恒定律去思考實際問題.

解A.在勻速直線運動當中,物體的動能不會發生變化,但是重力勢能可能會出現變化,所以機械能不一定是守恒的,故A選項是錯誤的;B.如果是在水平面上做的勻變速直線運動,物體的動能會不斷地變化,但是重力勢能不會改變,所以機械能是不守恒的,故B選項是錯誤的;C.在平拋運動當中,物體只受到一個重力,系統內機械能必定守恒,故C選項正確;D.如果是在豎直平面上做的勻速圓周運動,整個過程當中的動能不會改變,重力勢能是不斷變化的,所以機械能不守恒,故D選項錯誤.

2 單物體的機械能守恒題型

單個物體的機械能守恒類型題大都是以大題、綜合題為主,但實際難度也不是特別的高,通過知識的原理和題意的理解,學生能夠快速地找到學習方向,從而明確自己的學習內容.因此,對于課堂上的教學來說,就需要教師深度帶領學生去學習知識內容,擺脫表面層次的理解,逐步地去加深學生在課堂上的學習質量.

例2 在圖1當中,一個半徑為R的光滑圓軌道AB,它在一個豎直平面上,圓心為O點,且OA與水平的夾角為30°,OB在豎直方向上.這時在O點正上方一個質點小球以一個水平初速度向右拋出,在運動過程中剛好能夠在A點進去到圓弧軌道中,這時小球會隨著圓軌道繼續運動,已知重力加速度為g.求下列問題;

圖1 例2題圖

(1)小球水平向右拋出時的初速度;

(2)在B點時小球對軌道的壓力大小.

解析一般來說,這種題型難度都不高,但是需要考慮的內容比較全面,本題涉及到了平拋運動,所以學生就需要朝這個方向去思考,找到解題的突破口和關鍵點.

解(1)設小球初速度為v0,飛行時間為t,水平方向:Rcos30°=v0t,

小球運動到A點時沒有發生碰撞,所以存在

(2)從拋出的位置運動到軌道的最低點時,有

h=R+Rsin30°+h1,

可以假設在最低點B時的速度大小是v,圓弧軌道對小球的彈力大小為FN,

由機械能守恒定律,可以得到

聯立可以解得FN=6mg,

3 連接體的機械能守恒題型

機械能守恒的連接體類型難度開始逐步地上升,很多學生在這一方面很容易遇到問題,因為他們找不到這類題型中的運動規律,無法正確地進行分析,從而就影響了學習的效率.針對這個現象,教師可以借助實際的連接體題型,帶領學生開展深入的探究思考,逐步地去實現學生對知識點的理解,以此促進學習的效率[2].

例3 在圖2當中,一個光滑的半圓環被固定在左側的豎直墻面上,這個半圓環的半徑大小R=0.3 m,在右側的豎直墻面上,與圓環圓心等高的地方固定了一個光滑的桿,一個小球a被套在半圓環上,且小球的質量ma=100 g,一個滑塊b被套在右側直桿上,且質量mb=36 g.兩個物體間通過一個長l=0.4 m的輕桿連接.現在將小球a在圓環的最高處釋放下來,整個運動過程中忽略摩擦力,將小球a和滑塊b看成質點,已知重力加速度g=10 m/s2.

圖2 例3題圖

(1)小球a到達圖中P點時所受到的向心力大小;

(2)當小球下滑到圖2中桿與圓環相切的Q點時,桿對滑塊b所做功的大小.

解析對于連接體來說,首先學生需要去找到一個探索點,基于相互之間的聯系去進行思考,根據題意找到解題的關鍵.

解(1)當小球a運動到圖2中p點時,小球a的速度v方向是豎直向下的,b的速度是0,

在P點對a進行分析,根據牛頓第二定律得:

圖3 速度分解圖

a下降的高度有:h=Rcosθ,

對a、b和桿應用機械能守恒得到:

對滑塊b,應用動能定理,得到

總而言之,對于機械能守恒定律來說,高中階段每一個學生都必須做到理解和熟練的應用,如果對機械能守恒定律都不能做到理解的話,在以后物理的學習當中會受到很大的抑制作用.所以,基于實現學生高效學習的目標,教師要通過實際問題來引導學生學習,讓學生投入到物理題型的探究當中,逐步地養成相應的解題思路.