能量守恒定律在高中物理解題中的運用探討

【摘要】能量守恒定律是物理學(xué)中的普適規(guī)律之一，也是解決物理問題的重要工具.本文通過對具體實例的分析，探討能量守恒定律在高中物理解題中的運用方法和技巧.希望能引導(dǎo)學(xué)生靈活運用能量守恒定律簡化問題，提高解題效率.

【關(guān)鍵詞】高中物理；能量守恒定律；解題技巧

能量守恒定律是自然界普遍適用的基本定律之一，它表明能量在不同形式之間相互轉(zhuǎn)化時，總量保持不變.能量守恒定律的具體表現(xiàn)形式有：①初狀態(tài)的總能量等于末狀態(tài)的總能量；②某過程中增加的能量等于減小的能量.

1 解決工業(yè)生產(chǎn)中的實際問題

例1 風(fēng)力發(fā)電已成為我國實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要途徑之一.風(fēng)力發(fā)電機(jī)是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置.某風(fēng)力發(fā)電機(jī)在風(fēng)速為9m/s時，輸出電功率為405kW，風(fēng)速在5～10m/s范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)化效率可視為不變.該風(fēng)機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)一周掃過的面積為A，空氣密度為ρ，風(fēng)場風(fēng)速為v，并保持風(fēng)正面吹向葉片.下列說法正確的是（" ）

（A）該風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出電功率與風(fēng)速成正比.

（C）若每天平均有1.0×108kW的風(fēng)能資源，則每天發(fā)電量為2.4×109kW·h.

（D）若風(fēng)場每年有5000h風(fēng)速在6～10m/s范圍內(nèi)，則該發(fā)電機(jī)年發(fā)電量至少為6.0×105kW·h.

為不變，可知該風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出電功率與風(fēng)速的三次方成正比，（A）（B）錯誤；

由于風(fēng)力發(fā)電存在轉(zhuǎn)化效率，若每天平均有1.0×108kW的風(fēng)能資源，則每天發(fā)電量應(yīng)滿足Elt;1.0×108×24kW·h=2.4×109kW·h，（C）錯誤；

2 處理連接體問題

（1）未接觸彈簧前物塊A，B一起運動的加速度大小；

（2）彈簧被壓縮過程的最大形變量；

（3）物塊A返回O點過程中速度最大時彈簧彈性勢能為1.5J，求物塊A的最大速度.

解析 （1）以B為研究對象，根據(jù)牛頓第二定律有mBg－F=mBa，

以物塊A為研究對象，根據(jù)牛頓第二定律有：

F+f－mAgsinθ=mAa，

解得a=2.5m/s2.

（2）設(shè)彈簧最大壓縮量為xm，此時彈簧彈性勢能最大為Epm.由初始位置至物塊A運動到最低點過程中，選彈簧、物塊A、物塊B及輕繩組成的系統(tǒng)為研究對象，根據(jù)能量守恒有

根據(jù)已知條件，上式中的L=1m，物塊A從最低點返回到O點過程中，選彈簧、物塊A、物塊B及輕繩組成的系統(tǒng)為研究對象，根據(jù)能量守恒有

mAgxmsinθ+fxm=mBgxm+Epm，

代入數(shù)據(jù)解得彈簧最大壓縮量為xm=0.4m.

（3）設(shè)物塊A向上運動速度最大時彈簧的形變量為x1，輕繩拉力為F1，選A為研究對象，根據(jù)平衡條件有kx1+F1=f+mAgsinθ，

選B為研究對象，根據(jù)平衡條件有F1=mBg，

聯(lián)立解得x1=0.2m，

物塊A由速度最大位置返回到O點過程中，選物塊A，B、輕繩和彈簧組成的系統(tǒng)，根據(jù)能量守恒有

mAgx1sinθ+fx1

根據(jù)已知條件，式中Ep1=1.5J，

3 解決涉及傳送帶的能量問題

例3 如圖2所示，與水平面成θ＝30°夾角的傾斜傳送帶在電動機(jī)的帶動下保持v0＝2 m/s的速率順時針運行，現(xiàn)將一個質(zhì)量為m＝10 kg的可視為質(zhì)點的工件放置于傳送帶的底端，經(jīng)t＝1.9s后，工件被運送到h＝1.5m的位置，重力加速度g取10 m/s2，下列選項正確的是（" ）

（A）工件加速運動的時間為1s.

（C）工件加速運動的過程中傳送帶運動的位移為2 m.

（D）電動機(jī)因傳送工件而多消耗的電能為150 J.

4 結(jié)語

能量守恒定律在高中物理解題中具有廣泛的應(yīng)用.通過運用能量守恒定律，學(xué)生可以更深入地理解物理現(xiàn)象，提高解題能力.教師在教學(xué)中應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生掌握運用能量守恒定律解題的方法和技巧，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力.

參考文獻(xiàn)：

[1]牛國光.能量守恒定律在高中物理解題中的應(yīng)用[J].高中數(shù)理化，2018（24）：23-24.