高中物理解題中機(jī)械能守恒定律的運(yùn)用

【摘要】在高中物理教學(xué)體系中，為了加深學(xué)生對(duì)機(jī)械能守恒定律的理解，強(qiáng)化學(xué)生的解題能力，教師應(yīng)注重對(duì)機(jī)械能守恒定律的講解，改變固有的教學(xué)認(rèn)知思路，從學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)、接受能力入手，保證機(jī)械能守恒定律的教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力.

【關(guān)鍵詞】高中物理；解題教學(xué)；機(jī)械能守恒定律

機(jī)械能守恒定律在特定情況下，只有重力與彈力做功，物體動(dòng)能與勢(shì)能之間的轉(zhuǎn)化具有相互性.然而，機(jī)械能在守恒情況下，相較于之前沒(méi)有明顯改變.為了讓學(xué)生完全理解機(jī)械能守恒定律，找到機(jī)械能守恒定律的解題方法，需要高中物理教師為學(xué)生精心選擇典型習(xí)題，激發(fā)學(xué)生對(duì)問(wèn)題的探究意識(shí)，找到解決問(wèn)題的關(guān)鍵點(diǎn)，克服學(xué)習(xí)問(wèn)題，讓學(xué)生達(dá)到舉一反三、學(xué)以致用的效果.

1機(jī)械能是否守恒的判定

在高中物理解題教學(xué)組織中，為學(xué)生講授有關(guān)機(jī)械能守恒的知識(shí)要點(diǎn)，教師根據(jù)教學(xué)重點(diǎn)內(nèi)容，讓學(xué)生掌握機(jī)械能守恒判定條件，指導(dǎo)學(xué)生通過(guò)直接判定、間接判定等方式[1]，使學(xué)生掌握機(jī)械能守恒判定定理，幫助學(xué)生克服學(xué)習(xí)難點(diǎn)，提高學(xué)生的物理學(xué)習(xí)效率.

例1在微信上有一款“跳一跳”的小游戲，要求游戲者通過(guò)控制棋子脫離平臺(tái)的速度，在同一平面內(nèi)，從一個(gè)平臺(tái)跳到另一個(gè)平臺(tái)上，其中棋子的質(zhì)量為m，棋子可以看做質(zhì)點(diǎn)．如圖1所示，拋物線是棋子在某次跳躍時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡，軌跡最高點(diǎn)與平臺(tái)表面之間的高度為h，忽略空氣阻力，重力加速度為g，那么（）

（A）棋子從離開(kāi)平臺(tái)到運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)的過(guò)程中，其重力勢(shì)能增加mgh．

（B）棋子從離開(kāi)平臺(tái)到運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)的過(guò)程中，機(jī)械能增加mgh．

（C）棋子離開(kāi)平臺(tái)后，在距離平面h2時(shí)，其動(dòng)能是mgh2．

（D）棋子落到另外一個(gè)平臺(tái)上時(shí)，其速度大于2gh．

解析棋子從離開(kāi)平臺(tái)到運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)，整個(gè)過(guò)程中是重力做功，做功為－mgh，因此，重力勢(shì)能增加mgh，（A）選項(xiàng)正確．棋子從起跳到最高點(diǎn)，整個(gè)過(guò)程只有重力做功，動(dòng)能與重力勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化，機(jī)械能守恒，因此，機(jī)械能增加為零，（B）選項(xiàng)錯(cuò)誤．棋子離開(kāi)平臺(tái)之后，機(jī)械能守恒，設(shè)最高點(diǎn)位置的動(dòng)能是EK1，距離平面高度為h2時(shí)，其動(dòng)能是EK2，所以mgh+EK1=mgh2+EK2，求解得出EK2=mgh2+EK1，所以選項(xiàng)（C）錯(cuò)誤．從最高點(diǎn)位置落到另外一個(gè)平臺(tái)，根據(jù)機(jī)械能守恒可以得到mgh+EK1=12mv2，所以可以得出v＞2gh，選項(xiàng)（D）正確．本題的正確答案是（A）（D）．

2單個(gè)物體機(jī)械能守恒定律的探究

例2觀察以下3種物體運(yùn)動(dòng)體系，圖2是忽視空氣阻力的影響，而進(jìn)行拋體運(yùn)動(dòng)；圖3是以光滑固定斜面為運(yùn)動(dòng)載體，進(jìn)行曲面運(yùn)動(dòng)；圖4是在重力作用下做功的“鏈條”，請(qǐng)問(wèn)以下3個(gè)圖形其研究主體是什么，可用什么公式表示？

解析教師指導(dǎo)學(xué)生對(duì)以上三個(gè)圖案展開(kāi)深入分析，探究其研究對(duì)象，學(xué)生發(fā)現(xiàn)3張圖片的研究主體均是重力勢(shì)能和動(dòng)能的相互轉(zhuǎn)換，同時(shí)，學(xué)生寫(xiě)出轉(zhuǎn)換公式mgh=12mv2.

例3根據(jù)自己所掌握的機(jī)械能守恒定律，判定以下正確的選項(xiàng)為（）

（A）正處于勻速運(yùn)動(dòng)的物體，其機(jī)械能一定保持守恒.

（B）正處于勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體，其機(jī)械能一定具有守恒特點(diǎn).

（C）正處于變速運(yùn)動(dòng)的物體，其機(jī)械能可能存在守恒關(guān)系.

（D）合外力對(duì)物體做功不能達(dá)到零的情況，其機(jī)械能勢(shì)必不存在守恒.

解析此部分知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)難點(diǎn)比較低，學(xué)生理解起來(lái)比較容易，所以而選項(xiàng)（D）有一定的迷惑性，物體所有的重力可劃分為內(nèi)力或者外力，學(xué)生一時(shí)之間無(wú)法做出正確判定.由于教材文本中分析勢(shì)能往往以系統(tǒng)共同存在為前提，并不是每個(gè)物體所獨(dú)有的，在授課時(shí)為了降低學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，教師沒(méi)有讓學(xué)生思考地球這一研究主體，只對(duì)問(wèn)題的中物體做到具體問(wèn)題具體分析.

3系統(tǒng)機(jī)械能守恒問(wèn)題探究

例4 如圖5所示，在一個(gè)直角尺的兩端A、B處，分別固定質(zhì)量為2m和3m的兩個(gè)小球，在直角尺的定點(diǎn)O處有一個(gè)光滑的固定旋轉(zhuǎn)軸，AO=2L，BO=L，開(kāi)始時(shí)，直角尺的AO部分處于水平位置，并且B在O的正下方，當(dāng)系統(tǒng)由靜止開(kāi)始自由旋轉(zhuǎn)，求：

（1）當(dāng)A達(dá)到最低點(diǎn)時(shí)，A小球的速度大小v；

（2）B小球可以上升的最大高度h（直角尺的質(zhì)量忽略不計(jì)）．

解析（1）以直角尺和小球組成系統(tǒng)作為研究對(duì)象，由于轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中不受摩擦力和介質(zhì)阻力的影響，因此，整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械能守恒．A、B旋轉(zhuǎn)的角速度始終相同，由v=ωr，設(shè)小球A的速度是v，所以v=2vB，根據(jù)系統(tǒng)的機(jī)械能守恒，可以得出2mg·2L=3mg·L+12mv2+123mv2b，求解得出v=8gL11．

（2）通過(guò)分析可以得出，B不可能達(dá)到O的正上方，因此，其達(dá)到最高時(shí)，速度為零，設(shè)該位置位于OA桿豎直位置向左偏α角，根據(jù)機(jī)械能守恒定律，得出2mg·2Lcosα=3mgL（1+sinα），化簡(jiǎn)得到4cosα－3sinα=3，根據(jù)數(shù)學(xué)知識(shí)，sin（53°－α）=sin37°，所以α=16°，所以B小球可以上升的最大高度為h=L+L·sin16°=L+L（sin53°－37°）=1.28L．

參考文獻(xiàn)：

[1]葉新美.能量守恒定律在高中物理解題中的應(yīng)用研究[J].數(shù)理化解題研究，2023（21）：71-73.