高中物理教学中能量与做功的对应关系分析

刘广平

(山西省宝鸡市渭滨中学 721000)

对高中物理教学而言，力学部分除了牛顿力学外最为关键的就是从能量和做功的角度思考相关问题.了解当前高中生学习情况可知，由于基础知识奠定不扎实，亦或是学习能力不强，都会影响实际问题的解决.在这一背景下，为了实现预期教学目标，提高课堂教学效率，教师必须要整合研究相关问题，并提出具有针对性的解决对策.因此，下面以人教版为例，对高中物理教学中包含的能量与对应的力做功之间的关系进行简单总结，以期为课堂教学优化奠定基础，促使学生可以在构建完善知识体系的同时，具备正确的理解与解题能力.

一、合外力做功与动能

简单来讲，动能定理是指所有外力对物体总功，也可以称为合外力的功，其等于物体的动能的变化.在合外力对物体做正功的情况下，物体动能会提高；而在合外力对物体做负功的情况下，物体动能会降低.由此可知，两者关系为合外力做功与动能的增加相等.

例1一辆车通过一根跨过定滑轮的绳PQ提升井中质量为m为物体，如图1所示.绳的P端拴在车后的挂钩上，Q端拴在物体上.设绳的总长不变、绳的质量、定滑轮的质量和尺寸，滑轮上的摩擦都忽略不计.开始时，车在A点，左右两侧绳都已绷紧并且是竖直的，左侧绳绳长为H.提升时，车加速向左运动，沿水平方向从A经过B驶向C.设A到B的距离也为H.车过B点时的速度为vB.求在车由A移到B的过程中，绳Q端的拉力对物体做的功.

图1

分析由于在提升过程中，物体只受到了拉力和重力的作用，因此结合物体速度变化和上升高度，得出功与功能的变化关系.

图2

二、重力势能与重力

若重力做正功，相应的重力势能会降低；但若是重力做负功，重力势能也会随之提高.由此可知，重力势能的改变与重力所做功相等.

例2如下图3所示，让相同物体以四种不同方式从同一高度运动到地面，下列正确的是( ).

图3

A.a图中国的物体重力做功最少

B.四幅图中重力做功相同

C.d图中物体重力做功最多

D.四幅图中重力做功多少无法比较

分析在研究这一问题时，不要被情景所迷惑，相反只要明确重力做功只于初位置和末位置有关即可，这样就可以得到本题答案为B.

三、弹簧弹力与弹簧弹性势能

如果弹力做正功，相应的弹性势能会降低；反之弹力做负功，那么弹性势能会提高.由此可知，弹簧弹性势能的改变与弹簧弹力所做功相等.

例3，在“蹦极跳”的运动中，质量为m的游戏者，身系一根绳长为L，弹性良好的轻质柔软橡皮绳，从高处由静止开始下落1.5L时达到最低点.如果在下落时不计空气阻力，那么下列说法正确的是( ).

A.速度先增大后减小 B.加速度先增大后减小

C.动能增加了mgLD.重力势能减小了mgL

分析A、橡皮绳绷紧后，开始阶段，拉力小于重力，游戏者向下做加速运动，当拉力大于重力后，游戏者做减速运动，即速度先增大后减小．故A正确；B、设橡皮绳的拉力为F，游戏者的质量为m，加速度大小为a.橡皮绳绷紧前，游戏者做自由落体运动，加速度不变.橡皮绳绷紧后，开始阶段，拉力小于重力时，由牛顿第二定律得：mg-F=ma，F增大，a减小.当拉力大于重力时，F-mg=ma，F增大，a增大，所以加速度先不变，后减小，再增大.故B错误；C、由静止开始下落1.5L时到达最低点，游戏者动能增加量为零.故C错误；D、游戏者动能增加量为零，重力势能减小1.5mgL，而橡皮绳的弹性势能增加，则机械能的减少量小于1.5mgL.故D错误.

四、其它力做功与机械能

需要注意的是，此时的其它力是指除了系统内弹力和重力外的其它力.如果其它力做正功，机械能会提高，反之其它力做负功，机械能会降低.

例4下列各种情况中做功的是( )

A.用竖直向上的力提水桶在水平面行走

B.用水平力推重物在水平地面上行走

C.运动员举高1800N的杠铃坚持10s

D.水球重50N，沿光滑水平面运动10m

分析应该选B.首先要明确做功的条件，一方面要有力作用在物体表层上，另一方面这一物体要在力的方向上通过了一段距离.由此研究其他三个选项：A提水桶的力是竖直向上的,而运动方向是水平的,所以没有做功；C重力竖直向下,则支持力竖直向上,但是在十秒内杠铃没有向上运动,所以没有做功；D“光滑”说明没有阻力,水球没有克服阻力做功.

五、摩擦生热

分析Q=f×S相对=E损可知，f代表滑动摩擦力大小，S表示相对路程或位移，E损代表系统损失的机械能，Q表示系统增加的内能.在实际运动中，改变内能与克服摩擦力相同.需要注意的是，此时改变的内能是由克服摩擦力带来的.

例5一个物体温度升高，则下列哪一项正确( ).

A.它含有的热量会增加 B.它吸收了热量

C.一定对物体做了功 D.它的内能会增加

分析由于热量是指在热传递中传递能量的多少，所以不能说物体“含有热量高”，因此A选项错误；改变物体内能的方法有两种，一种为做功，另一种为热传递，两者对改变物体的内能是等效的，因此不能直接肯定是否做功或热传递，由此B和C也是错误的.而随着物体温度的提高，其分子运动一定会加快，内能也会随之提高，因此D是正确的.

六、安培力做功与电能

电磁感应作为高中物理教学的重难点，学生在学习及解题过程中经常遇到不同类型的难题.研究安培力做功与电能的对应关系可知，在安培力做负功的情况下，其它形式的能量都将转变为电能；而在安培力做正功的情况下，电能将会转变为其它形式的能量.

图4

例6电阻可忽略的光滑平行金属导轨长S=1.15m，两导轨间距L=0.75m，导轨倾角为30°导轨上端ab接一阻值R=1.5Ω的电阻，磁感应强度B=0.8T的匀强磁场垂直轨道平面向上.阻值r=0.5Ω，质量m=0.2kg的金属棒与轨道垂直且接触良好，从轨道上端ab处由静止开始下滑至底端，在此过程中金属棒产生的焦耳热Qr=0.1J.(取g=10m/s2)求：金属棒在此过程中克服安培力的功.

解析在下滑中，安培力的功就是在电阻上产生的焦耳热，因为R=3r，因此QR=3Qr=0.3 J，所以W安=Q=QR+Qr=0.4 J.

综上所述，由于上述几种能量及对应力的做功关系是高中物理教学的重点，也是功能关系的直接展现，因此不管是教师还是学生都要加大对这方面内容的探究.通过准确掌握它们的关系，不仅能更快处理相关问题，而且可以构建完善的物理知识体系，以此为后续知识学习奠定基础保障.在我国教育革新背景下，相信随着基础知识的巩固与深化，高中生在学习物理知识时将会变得变得更加容易和简单，这样既能解决以往课堂教学中遇到的难题，又能充分激发学生学习热情.