高中物理机械能守恒定律题型探究

寇得宝

(甘肃省白银市平川中学,甘肃 白银 730913)

机械能守恒定律主要的题型可以分为三种,分别是机械能守恒的判断、单物体机械能守恒、连接体机械能守恒三种题型,其难度有高有低,文章接下来对这三种题型进行详细分析.

1 机械能守恒的判断题型

机械能守恒的判断题型难度大都比较低,这部分题大多是对机械能守恒的基本定律、知识点为主,需要学生去了解在什么情况下系统机械能能够达到守恒,以这个为基础去做到深层次的学习.这部分内容需要教师带领学生进行研究分析,通过题型来进行思考学习,逐渐地帮助学生促进自身的学习质量,提高物理能力[1].

例1 在下列选项当中的运动中,机械能一定守恒的是( ).

A.在匀速直线运动中的物体

B.在匀变速直线运动中的物体

C.在平抛运动中的物体

D.在匀速圆周运动中的物体

解析这道题需要学生对运动的过程进行分析,去分析动能、重力势能等是否变化,且运动当中是否受到外力等条件,然后基于机械能守恒定律去思考实际问题.

解A.在匀速直线运动当中,物体的动能不会发生变化,但是重力势能可能会出现变化,所以机械能不一定是守恒的,故A选项是错误的;B.如果是在水平面上做的匀变速直线运动,物体的动能会不断地变化,但是重力势能不会改变,所以机械能是不守恒的,故B选项是错误的;C.在平抛运动当中,物体只受到一个重力,系统内机械能必定守恒,故C选项正确;D.如果是在竖直平面上做的匀速圆周运动,整个过程当中的动能不会改变,重力势能是不断变化的,所以机械能不守恒,故D选项错误.

2 单物体的机械能守恒题型

单个物体的机械能守恒类型题大都是以大题、综合题为主,但实际难度也不是特别的高,通过知识的原理和题意的理解,学生能够快速地找到学习方向,从而明确自己的学习内容.因此,对于课堂上的教学来说,就需要教师深度带领学生去学习知识内容,摆脱表面层次的理解,逐步地去加深学生在课堂上的学习质量.

例2 在图1当中,一个半径为R的光滑圆轨道AB,它在一个竖直平面上,圆心为O点,且OA与水平的夹角为30°,OB在竖直方向上.这时在O点正上方一个质点小球以一个水平初速度向右抛出,在运动过程中刚好能够在A点进去到圆弧轨道中,这时小球会随着圆轨道继续运动,已知重力加速度为g.求下列问题;

图1 例2题图

(1)小球水平向右抛出时的初速度;

(2)在B点时小球对轨道的压力大小.

解析一般来说,这种题型难度都不高,但是需要考虑的内容比较全面,本题涉及到了平抛运动,所以学生就需要朝这个方向去思考,找到解题的突破口和关键点.

解(1)设小球初速度为v0,飞行时间为t,水平方向:Rcos30°=v0t,

小球运动到A点时没有发生碰撞,所以存在

(2)从抛出的位置运动到轨道的最低点时,有

h=R+Rsin30°+h1,

可以假设在最低点B时的速度大小是v,圆弧轨道对小球的弹力大小为FN,

由机械能守恒定律,可以得到

联立可以解得FN=6mg,

3 连接体的机械能守恒题型

机械能守恒的连接体类型难度开始逐步地上升,很多学生在这一方面很容易遇到问题,因为他们找不到这类题型中的运动规律,无法正确地进行分析,从而就影响了学习的效率.针对这个现象,教师可以借助实际的连接体题型,带领学生开展深入的探究思考,逐步地去实现学生对知识点的理解,以此促进学习的效率[2].

例3 在图2当中,一个光滑的半圆环被固定在左侧的竖直墙面上,这个半圆环的半径大小R=0.3 m,在右侧的竖直墙面上,与圆环圆心等高的地方固定了一个光滑的杆,一个小球a被套在半圆环上,且小球的质量ma=100 g,一个滑块b被套在右侧直杆上,且质量mb=36 g.两个物体间通过一个长l=0.4 m的轻杆连接.现在将小球a在圆环的最高处释放下来,整个运动过程中忽略摩擦力,将小球a和滑块b看成质点,已知重力加速度g=10 m/s2.

图2 例3题图

(1)小球a到达图中P点时所受到的向心力大小;

(2)当小球下滑到图2中杆与圆环相切的Q点时,杆对滑块b所做功的大小.

解析对于连接体来说,首先学生需要去找到一个探索点,基于相互之间的联系去进行思考,根据题意找到解题的关键.

解(1)当小球a运动到图2中p点时,小球a的速度v方向是竖直向下的,b的速度是0,

在P点对a进行分析,根据牛顿第二定律得:

图3 速度分解图

a下降的高度有:h=Rcosθ,

对a、b和杆应用机械能守恒得到:

对滑块b,应用动能定理,得到

总而言之,对于机械能守恒定律来说,高中阶段每一个学生都必须做到理解和熟练的应用,如果对机械能守恒定律都不能做到理解的话,在以后物理的学习当中会受到很大的抑制作用.所以,基于实现学生高效学习的目标,教师要通过实际问题来引导学生学习,让学生投入到物理题型的探究当中,逐步地养成相应的解题思路.