对机械能守恒定律的解读

王刚

机械能守恒定律是属于高中物理的主干知识之一，也是每年高考必考内容. 它是能量守恒定律的特例，在只有重力或弹力做功的条件下，系统内的动能和势能（重力势能、弹性势能）相互转化，机械能总量保持不变. 可从两个角度理解：（1） E初=E末（即ΔE=0），系统的机械能保持不变，体现的物理意义是：初状态机械能=末状态机械能；（2） ΔEk=-ΔEp，即在系统内动能的增加来源于势能的减少（或势能的增加来源于动能的减少），体现的物理意义是：“变”与“不变”的统一构成了“守恒”，即机械能守恒是动能与势能相互转化的动态过程. 除深入理解上述两点外，还应把握：条件性、系统性、相对性. 这是灵活运用机械能守恒定律的关键.

1. 条件性充分理解“只有重力或弹力做功”的含义：（1） 对某一个物体系统（这是指一个物体和地球、弹簧组成的系统），只有重力或弹簧弹力做功，其它力不做功或做功的代数和为零. （2） 对多物体系统（包括地球、弹簧），系统内只有重力或弹力做功，其它内力和外力不做功或做功的代数和为零. 但有时多物体系统内力（非重力，弹力）确实做功（有正功，负功），其功的值不易判断，这时可用能量守恒加以判断，系统除了动能和势能外，看看是否有其它形式能产生，若有其它形式能产生则系统机械能就不守恒，反之则守恒. 所以，运用机械能守恒定律解答问题的关键是判断系统守恒的条件性.

■ 例1如图1所示，长为L的轻质硬棒的底端和中点各固定一个质量为m的小球A、B，为使轻质硬棒能绕转轴O转到最高点，求：A小球在图示位置应具有的最小速度？

■ 解析虽杆对两小球分别都做了功（功值难判断），但因系统除机械能外，没有其它形式的能产生，所以系统的机械能守恒. 因为小球转到最高点的最小速度为0，且最低点时，vB=vA/2，设最低点A球最小速度为v，有：

■mv2+■m■2=mgL+mg×2L

得：v=■=■

2. 系统性势能是系统的概念，只有系统才具有势能，而且存在于保守力场中，如：重力势能（属于地球和物体系统所有）、弹簧的弹性势能（属于弹簧和与之连接的物体所组成的系统所有）、静电场中的电势能（属于电场和电荷系统所有）、分子势能（属于相互作用的分子系统），例1中系统的机械能即为两球的动能与重力势能的总和. 多物体系统的机械能守恒表达式，常常用ΔE=0，更简单明了.

■ 例2如图2所示，质量为m1的物体A经一轻质弹簧与下方地面上的质量为m2的物体B相连，弹簧的劲度系数为k，A、B都处于静止状态. 一条不可伸长的轻绳绕过轻滑轮，一端连物体A，另一端连一轻挂钩. 开始时各段绳都为伸直状态，A上方的一段沿竖直方向. 现在挂钩上挂一质量为m3的物体C，由静止释放C，A上升，最后B刚要离开地面，但没有向上运动. 若将C换成另一个质量为（m1+m3）的物体D，仍从上述初始位置由静止状态释放，则这次B刚离地时D的速度的大小是多少？已知重力加速度为g.

■ 解析开始时，B静止，设弹簧的压缩量为x1，则

kx1=m1g

挂C后，当B刚要离地时，设弹簧伸长量为x2，有

kx2=m2g

此时，A和C速度均为零. 从挂C到此时，根据机械能守恒定律，弹簧弹性势能的改变量为ΔEp

ΔEp-m3g（x1+x2）+m1g（x1+x2）=0

将C换成D后，有

ΔEp+■（m1+m3+m1）v2-（m1+m3）g（x1+x2）+m1g（x1+x2）=0

联立以上各式可以解得

v=■

3. 相对性机械能包含动能和势能，Ek=■mv2中涉及到参考系的选择，这里只能选惯性参考系. Ep=mgh中涉及到零势能位置（参考平面）的选取，（弹性势能的零势能位置为弹簧的原长处），因此相对于不同的参考系和零势能面描述的结果不相同，涉及多个物体组成的系统或发生多个物理过程，要选取统一的惯性参考系和零势能面.

■ 例3如图3所示，将质量均为m、厚度不计的两物块A、B用轻质弹簧相连接. 第一次只用手托着B物块于H高度，A在弹簧弹力的作用下处于静止，现将弹簧锁定，此时弹簧的弹性势能为Ep，现由静止释放A、B，B物块刚要着地前瞬间弹簧瞬间自动解除锁定（解除锁定无机械能损失），B物块着地后速度立即变为0，在随后的过程中B物块恰能离开地面但不继续上升. 第二次用手拿着A、B两物块，使得弹簧竖直并处于原长状态，此时物块B离地面的距离也为H，然后由静止同时释放A、B，B物块着地后速度同样立即变为0. 求：

（1） 第二次释放A、B后，A上升至弹簧恢复原长时的速度v1.

（2） 第二次释放A、B后，B刚要离地时A的速度v2.

■ 解析（1） 第二次释放A、B后，A、B做自由落体运动，B着地后，A和弹簧相互作用至A上升到弹簧恢复原长过程中，弹簧对A做的总功为零.

对A从开始下落至弹簧恢复原长过程，对A由机械能定律有mgH=■mv21

解得v1=■方向向上.

（2） 设弹簧的劲度系数为k，第一次释放AB前，弹簧向上产生的弹力与A的重力平衡.

设弹簧的形变量（压缩）为Δx2，有Δx2=■

第一次释放AB后，B刚要离地时弹簧产生向上的弹力与B的重力平衡

设弹簧的形变量（伸长）为Δx2，有Δx2=■

第二次释放AB后，在B刚要离地时弹簧产生向上的弹力与B的重力平衡

设弹簧的形变量（伸长）为Δx3，有Δx3=■

由上得：Δx2=Δx2=Δx3

即这三个状态，弹簧的弹性势能都为Ep.

在第一次释放AB后至B着地前过程，对A、B和弹簧组成的系统由机械能守恒有

2mgH=■×2mv2

从B着地后到B刚要离地的过程，对A和弹簧组成的系统，由机械能守恒有

■mv2+Ep=mg（Δx1+Δx2）+Ep

第二次释放后，对A和弹簧系统，从A上升至弹簧恢复原长到B刚要离地过程，由机械能守恒有■mv21=mgΔx3+Ep+■mv22

由以上得：v2=■.