探析高中物理机械能守恒的解题策略

王洪亮

(江苏省镇江市镇江心湖高级中学,江苏 镇江 212000)

在高中物理教学中,机械能守恒是学生需要学习的重点知识,也是高考必考的内容.由于这一部分知识较为复杂,其题型灵活多变,学生在解答机械能守恒相关问题时,需要具备较高的分析能力和解决问题的能力.所以,为了使学生能够在学习的过程中找到突破口,教师可以将典型例题应用于教学课堂,并与学生一起分析相关解决问题的方法,使学生掌握解决这类问题的方法,从而有效提高他们解决问题的能力.

1 判断机械能是否守恒

机械能守恒问题是高中物理教学的重点,是高考考查的重点内容.因此,教师需要带领学生对机械能是否守恒的问题进行学习,掌握相应的解题方法.在例题讲解中,教师需要让学生对建立机械能守恒定律的条件进行辨析,促使学生能够在解题时准确理解机械能守恒定律,并学会运用该定律对相应问题进行解答.许多学生理解了这一定律并应用它来解决问题时,他们就会忘记机械能守恒的条件.并且,机械能守恒问题相对来说较为基础,要求学生在解题时能够深刻理解机械能守恒成立的条件,并对分析对象进行合理选择,从而对机械能是否守恒的问题进行判断.

例1如图1所示,轻质弹簧的一端固定于O点,另一端系着一个小球,将小球从A点释放(无初速度),使其自由摆动.在不计空气阻力的情况下,小球从A点到B点的过程中( ).(多选题)

图1 小球摆动模拟图

A.小球的机械能不变 B.小球的机械能减少

C.小球重力势能增大 D.小球重力势能减少

解析在例题的求解过程中,教师首先需要引导学生明白:①一个物体只有重力做功,那么该物体的机械能守恒;②针对两个或两个以上的物体组成的一个整体(包括弹簧),如果在实验的过程中,只能分析出重力或者是弹力做功,那么就可以证明这个整体的机械能是守恒的,为此,针对例1这一问题,教师需要带领学生从做功的角度考虑.从图中可以看出:小球从A点运动到B点,其重力是做功的,重力势能逐渐减少,动能逐渐增大,所以弹簧就会被小球拉长,在这个过程中弹簧弹力在做负功,这样一来,就能够明确,弹性势能是逐渐变大的,并且还可以判断出小球在运动的过程中虽然重力势能在逐渐减少,但是弹性势能却逐渐增大,二者完成了相互转化.而另一部分转化为小球的动能.所以,针对小球、弹簧组成的整体而言,只有小球这一物体的重力以及弹簧的弹力在做功.因此,可以说整体的机械能是守恒的.但是仅仅针对小球来说,其机械能是在减少的,并不处于守恒状态.因此,选项A、D正确.

例2如图2所示,地面与斜面都是光滑状态,一个物块从光滑的斜面上由静止状态下滑的过程中其机械能是否守恒?物块与斜面组成的系统机械能是否守恒呢?

图2 物块斜面系统模拟图

解析多物体机械能守恒问题中,教师需要让学生明确:多物体组成一个整体,这个整体也被称为系统.在这类系统中,只有动能、重力势能和弹性势能这三者之间能够完成相互转化,并且系统内部与系统外并没有明显的机械能可以相互转移,所以也就没有相互转换的现象,因此系统的机械能是守恒的.以物块和斜面系统为研究对象,很明显,在物块的滑动过程中,斜面上会有向左下倾斜的压力,而斜面向左移动,斜面的机械能就会增加,所以物块的机械能转换为斜面的机械能,进而能够证明这个物块的机械能是处于不断减少的状态.在由物块和斜面组成的这个完整的系统中,没有将机械能转换为其它形式的能量,因此系统的机械能守恒.机械能的守恒也可以通过定义分析来判断,即各种形式的机械能的增加或减少直接用于分析.假设,在一个系统中,其动能与势能同时增加或同时减少,那么可以明确的是:机械能不守恒.当然,这一内容可以对一些机械能明显不守恒的问题进行直接判断,但是假设系统内的动能增加而势能减小,那么就不可以直接使用这一观念进行判断.

2 解决单物体机械能守恒问题

机械能守恒问题中,无非需要对单个物体或多个物体的机械能守恒问题进行解决.针对单个体的机械能守恒问题,教师需要引导学生在解答具体例题时,对问题进行分析,并对整个运动过程进行判断.假设题目中出现“刚好”“恰好”等关键性词语,教师就需要指导学生结合这些关键性词语进行解题.与此同时,只有明确了每个物体运动的特点,以及运动过程中力和能量之间的转化,才能够积极地列出相应的物理方程式,并准确找到解决问题的突破口.单物体机械能守恒问题中所设计到的题型主要有:阻力不计的抛体类、固定的光滑斜面类、固定的光滑圆弧类、悬点固定的摆动类[1].

例3如图3所示,在一个半径为R的圆形光滑轨道中,已知在竖直的平面内A、B是固定的,并且O是这圆形轨道的圆心,现在已知OA与水平方向呈现出30°的夹角,并且OB处在竖直的方向,假设有一个可以看作质点的小球从O点正上方的某一个位置以某一水平初速度向右抛出,并且这个小球在没有碰撞的情况下从A点顺利进入了轨道内侧,之后再以固定的运动方式到达B点.(在这其中,空气阻力可忽略不计)

图3 轨道模拟图

(1)试着求出小球的初速度是多少;

(2)试着求出小球运动到B点的过程中对轨道产生了多大的压力.

3 解决多物体机械能守恒问题

学生在学习物理的过程中要付出足够的精力和时间来学习机械能守恒定律.首先,这一定律的重要性是不言而喻的,它不仅是考试的重点,而且机械能守恒也将被用于物理应用问题.只有学生学习好知识点,才能成功地完成力学内容的学习.其次,该方法所涉及的能量转换可以帮助学生优化自己的知识结构和解决问题的思路.最后可以促进学生归化思维水平的提高,进而全面提高学生的思维能力和学习能力.为了解决多物体机械能守恒问题,教师需要让学生学会对系统中各个物体的运动进行分析,并找到这些物体运动之间的关系.当然,在解题时,可以根据题目中给出的已知条件和实际情况完成从整体到局部解题视角的切换,找出题目信息中的已知条件,并利用机械能守恒定律列出解题的方程式[2].

例4如图4,跨过同一高度的光滑小定滑轮通过细线两端连接着相同质量的物体,分别是A、B,已知A物体处于光滑的水平杆上,连接A物体的细绳与水平杆之间形成的夹角θ=53°,且定滑轮距离水平杆0.2 m.由静止释放A,已知B不会与水平杆相碰,在运动过程中,A所能获得的最大速度为多少?(sin53°=0.8,cos53°=0.6,g取10 m/s2)

图4 滑轮模拟图

综上所述,在高中物理教学中,教师需要通过例题讲解的方式引导学生学习具体的解题技巧,促使学生能够在相应的物理问题中使用正确的解题方法.所以,针对机械能守恒问题,教师需要先带领学生对机械能守恒的条件进行学习,然后利用具体的例题加深学生的理解,整个教学活动对培养学生物理思维具有重要意义.因此,教师需要在课前选好讲解的例题,引导学生发展自己的思维,理清解题思路,找准解题的突破口,使学生快速且高效地完成学习任务,增强其学好物理课程的自信心.