高中物理中机械能守恒定律问题的解题策略

刘海平

摘 要：机械能守恒定律是高中阶段常用的一个物理知识，也是教师教学的重点内容，同时，这一内容对于学生们来说学习的难度较大.教师要从知识的形成以及学生的认知过程等角度进行分析，引导学生更好地利用机械能守恒定律来解决问题，本文就简要的分析了这一教学任务.

关键词：高中;物理;机械能守恒定律;解题;策略

中图分类号：G632文献标识码：A文章编号：1008-0333（2020）22-0087-02

在高中阶段的物理学习过程中，机械能守恒定律一直是学习的重点和难点，其中主要利用了力学和能量学知识.但是学生对于这一定律的掌握效果并不理想，教师需要帮助学生分析问题、善于总结相关的知识点，遵循一定的解题思路和策略，灵活的用于题目的分析和解决中来.

一、利用机械能守恒定理，做出基本判断

为了解决机械能守恒类的教学问题，首先要对相应的定律等知识形成深刻的认知，结合实际的情况，对研究的对象是否属于守恒状态进行判断.首先这一点，主要可以以以下三个途径进行判断：首先，是直接判断法，其次是间接判断法，最后是能量判断法.学生首先要明确机械能守恒的基本条件，这一定律是指两个或两个以上的系统之间存在相互作用，在高中阶段的研究对象中，主要的机械能是动能和势能，势能又可以分为弹性势能和重力势能.因此，只有从根本上了解了机械能守恒定律，才能够有效的建立起物理关系结构.

例如，如图1，在某水平光滑地面上搁置一个三角形斜面，其上面搁置一个小木块，已知斜面表面、木块表面也都为光滑面，那么在小木块下滑的过程中，其机械能是否保持守恒？如果将木块和斜面看作是一个系统，那整个系统的机械能是否守恒呢？首先，判断这一题目的机械能是否守恒，先将木块和斜面看作是一个完整的系统，根据以上提到的三个判断方法.基于已知条件可知，上述物体相互接触的面都是光滑的，所以小木块在沿着斜面下滑时不会存在摩擦力，其不会做功，这符合机械能守恒的基本条件，所以在斜面与小木块二者共同构成的系统中，机械能是保持守恒的.而小木块给斜面施加了垂直向下的作用力，所以其对斜面是做正功的，这使得斜面的机械能表现为增加的情况.但是，由于整个系统已被验证是能量守恒的，而斜面机械能增加，意味着木块的机械能是减少的，因此当木块作为单独的研究对象分析时，其机械能是不守恒的.

二、利用机械能守恒定理，研究单个物体

在機械能守恒定律的应用中，主要可以分为两个不同的研究对象，一个是单独物体的机械能守恒，另一个是系统的机械能守恒.针对于单个物体的机械能守恒，主要可以分为四种不同类型的题目，即：基于阻力不计的抛物类型题、以固定光滑圆弧为基准的滑动类型题、以某固定点为摆动点摆动类型题、以斜面为基础的运动类型题.针对不同的类型题分析，都可以在确定研究对象的基础上，灵活运用机械能守恒定理进行解题.

例如，以基于阻力不计的抛物类型题为例，现位于距离地面高度为H的楼层位置处，以V0水平抛出一个小球，试求解小球落地后的速度？（注：忽略空气阻力）.在分析这一问题时，机械能守恒定律是一个非常方便的解题策略.首先，需要选择一个恰当的零势能面，设定该平面的势能为0，在这个题目中，选择地面当成零势能面最佳.小球在抛落过程中仅有重力做功，具体就是重力势能和动能二者之间相互转换，所以机械能守恒，可以列出抛出时刻与着地时候的对应机械能守恒，即：mgH+mV20/2=mV2t/2，这样就可以快速求解出所求问题的正确答案.学生们只需要将题目给出的信息代入，就能够很快的计算出来，落地时的速度.再比如，如图2：高度为h的位置斜向上抛出一个质量为m的物体，初速度为V0求解小球落地时的速度.这一题目与上衣题目类似，不同点在于抛出小球时的方向，这一点很容易误导学生，但是仔细分析题目，这一点与机械能守恒定律的应用并不相关，因此还可以按照上一题目进行列式，得到答案为Vt=V20+2gh.

三、利用机械能守恒定理，研究系统能量

与单个物体的机械能量守恒相比，系统的能量守恒较为复杂，涉及到的方面更加广泛，包括了轻杆连接、绳子连接、在水平面上自由摆动等几种类型.以绳子连接为例题，如图3，在一个表面光滑的定滑轮上面绕过一根轻绳，其两端分别悬挂重量为M和N的长方形铁块，并且已知M>N.在开始运动的时候，首先握住铁块M，使其保持在图示的位置处.求当物块M从静止状态释放，在下落距离起始位置为h处的下落速度？假定高度h正好是M从静止状态下落到地面的高度，那么N上升的高度又是多少呢？（绳子与滑轮重力不计，高度h<<绳子长度.）在这一道题目的分析过程中，必须要将M和N看做一个整体，那么做功的仅为重力，所以满足机械能守恒的基本条件，此时铁块N对应的机械能为mgh+2mV2/2，呈现为逐步增加的变化，而铁块M的机械能为Mgh-mV2/2，会相应地减小.基于机械能守恒定律可知，铁块N增加的机械能恰好等于铁块M减少的机械能，因此联立两个式子，得到速度v的大小.第二个问题，需要注意不需要确定零势能面，只需要按照M的机械能减少量等于N的机械能增加量即可解决.

总之，在高中阶段的物理学习过程中，机械能守恒定律是一个非常重要的教学内容，需要学生熟练的应用这一定律于不同的情境中，并且选择好研究对象，是单独物体还是系统，从而提高解题效率.

参考文献：

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[2]丁珂，钱长炎.显化科学方法，强化思维教育——以高中物理“机械能守恒定律”一节为例[J].物理教师，2019，40（06）：5-8.

[3]卞学兰.基于深度学习的高中物理教学探讨——以“机械能守恒定律”为例[J].湖南中学物理，2019，34（03）：85-87.

[责任编辑：李 璟]