谈中学物理中的能量观点及其应用，本文主要内容关键词为：及其应用论文,能量论文,观点论文,中学物理论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
能量的转化和守恒定律是物理学的基本原理，从能量的观点分析物体的运动与相互作用规律是物理学常用的一种重要的研究问题的方法，因此在中学物理中不论是力学、热学还是电磁学中都涉及到一些需要用能量观点进行分析和解决的物理问题.由于这样的问题需要学生有较高的思维起点，以及对物理过程进行全面、深入分析的能力，所以这种问题成为近年来物理高考中考查学生能力的好素材.那么，怎样才能较好地运用能量的观点来分析、解决有关的物理问题呢？
一、建立完整的能量观点
我们知道，能量与物质运动的状态相对应.在物体间发生相互作用的过程中，物体的运动状态通常要发生变化，所以物体的能量也要发生变化，而引起变化的原因一般要通过做功来实现，这就是我们常说的“功是能量变化的量度”的物理本质.那么，什么功对应着什么能量的变化呢？这是建立完整的能量观点的基础.在中学物理中我们通常会遇到如下一些做功与能量变化的关系：
1.外力对物体所做的总功等于物体的动能增量，即W总=△E[，k]（动能定理）.
2.重力（或弹簧弹力）对物体所做的功等于物体重力势能（或弹性势能）增量的负值，即W重=-△E[，p]（或W弹=-△E[，p]＇）.
3.电场力对物体所做的功等于物体电势能增量的负值，即W电=-△E电.
4.除重力和弹簧弹力以外的力对物体所做的功等于物体机械能的增量.这个结论也可以从动能定理来理解，即
W总=W重+W弹+W其他=△E[，k]，而由于W重=-△E[，p]，W弹=-△E[，p]＇，所以有：
-△E[，p]-△E[，p]＇+W其他=△E[，k]，即W其他=△E[，k]+△E[，p]+△E[，p]＇.
可见，当除重力和弹簧弹力以外的力对物体所做的功为零时，则有△E[，k]+△E[，p]+E[，p]＇=0，即物体的机械能守恒.
5.一对相互作用力做功与能量转化的关系
一对相互作用的力如果分别对两个物体做功，这两个功的代数和如果等于0，说明这一对力做功的结果使机械能从一个物体转移到另一个物体，但机械能并没有与其他形式的能量发生转化；如果这两个功的代数和不等于0，说明这一对力做功的结果除了使一部分机械能从一个物体转移到另一个物体，还有机械能与其他形式能量间的转化.
若一对相互作用力对两物体做功的代数和为正值，表示有其他形式的能量转化为机械能.如在空中水平飞行的炮弹炸裂成两块（或重核衰变）的过程中，它们之间的相互作用力对两块炮弹碎片（或衰变后的两个新核）均做正功，这是化学能（或核能）转化为机械能的过程.
若一对相互作用力对两物体做功的代数和为负值，则表示有机械能向其他形式的能量转化.如木块在木板（木板原来静止在光滑水平面上）上滑行.它们之间的一对滑动摩擦力所做功的代数和一定是负值，它表示除了有机械能在两个物体间转移以外.还有一部分机械能转化为其他能，即内能，这就是“摩擦生热”的过程.
6.能量转化和守恒.对于所有参与相互作用的物体所组成的系统，其每一个物体的能量的数值及形式都可能发生变化，但系统内所有物体的各种形式能量的总和保持不变.
二、用能量观点分析、解决问题举例
[例1] 如图1所示，传送带与水平面之间的夹角为30°，其上A、B两点间的距离为5m，传送带在电动机的带动下以v=1m/s的速度匀速运转.现将一质量为m=10kg的小物体（可视为质点）轻放在传送带的A点，已知小物体与传送带之间的动摩擦因数为μ=
/2，则在传送带将小物体从A点传送到B点的过程中，求：（1）传送带对小物体做了多少功.（2）为传送小物体，电动机额外需做多少功.（g取10m/s[2]）
分析与解答：（1）由上述的观点4可知.传送带对小物体做的功使得小物体的机械能增量，即W=△E=△E[，k]+△E[，p].而小物块从A到B的过程中，其速度增大，所以动能增加；同时高度升高，其重力势能增加.
根据牛顿第二定律可知，小物体在传送带上向上运动的加速度为a=g/4，所以当它的速度达到v=1m/s时的位移为s=v[2]/（2a）=0.2m，即小物体将以v=1m/s的速度完成后4.8m的路程.所以W=△E[，k]+△E[，p]=255J.
（2）由于小物体与传送带之间有相互的滑动摩擦力做功，根据上述的观点5可知，为传送小物体，电动机需要做的功为一方面使小物体的机械能增加，另一方面由于小物体与传送带之间有相对滑动而产生热量，即W电=W+Q=W+μmgcosθ·s相.
其中s相=vt-s，而由v=at可知，t=v/a=0.4s，所以s相=0.4-0.2=0.2m.
所以 W电=W+Q=W+μmgcosθ·s相=270J.
[例2] 如图2所示，在光滑的绝缘水平面上有A、B两个带同正电的小球相向运动，A球的质量为m、速率为v；月球的质量为2m、速度为2v.若两带电球不会相撞，求运动到A的速率再次达到v时，两球所组成的系统电势能的改变量.
分析与解答：本题直接计算电势能的改变量有一定困难，但我们注意到，两球相互作用过程中，只有电场力做功，所以根据上述的观点4可知，两球组成的系统.机械能的损失量等于电势能的增量.
以B球的运动方向为正，并设当A球速率再次为v时，月球运动的速度大小为v＇.根据动量守恒定律有：2m2v-mv=mv+2mv＇.解得v＇=v.
两球组成的系统的机械能损失量为：
△E[，k]=[1/2·mv[2]+1/2·2m（2v）[2]]-（1/2·mv[2]+1/2·2mv＇[2]）
=3mv[2]
即△E电=△E[，k]=3mv[2]
[例3] 如图3所示，光滑、平行的弧形轨道，处于方向竖直向上、磁感应强度为B的匀强磁场中，轨道两端分别接有阻值为R[，1]=R[，2]=2R的电阻.现有一质量为m、电阻为R的金属杆以一定的速度冲上轨道，若金属杆上滑的最大高度为h、R[，1]上产生的热量为Q[，0]，不计轨道的电阻，求金属杆冲上轨道时的初速度大小.
分析与解答：本题所涉及的过程中金属杆的速度大小及其与磁感线之间的夹角在不断变化，导致金属杆所受安培力的情况较为复杂，若用一般的思路（电磁感应与电路知识及力和运动的观点）进行分析，则无法求解.从能量观点进行分析，则可以避开对金属杆复杂的受力情况的分析.根据上述的观点6可知，在金属杆上滑过程中，损失的机械能将全部变为电路中的焦耳热，所以有：
1/2·mv[2][，0]-mgh=Q总=Q[，1]+Q[，2]+Q
根据电路特点可知，Q[，1]=Q[，2]=Q/4所以Q总=6Q[，0]，即1/2·mv[2][，0]-mgh=6Q[，0]
可解得v[，0]=
[例4] 在如图4所示的电路中，电源电动势为E=6V、内电阻r=1Ω，电阻R[，1]=9Ω，R[，2]=2Ω，电容器的电容C=2μF.开始时开关S闭合，且电路处于稳定状态.现将开关S断开，求在S断开后.待电路再次达到稳定状态的过程中，电源释放的能量.
分析与解答：电源释放的能量一部分用来给电容器继续充电，另一部分用来在R[，1]上发热，但由于通过R[，1]上的电流是变化的，所以用此思路计算有困难.
若用上述的观点6进行分析，考虑到包括电源在内的全部电路器件为研究对象，断开S后电源释放的能量的来源是由电源内部的非静电力做功，而此功值的大小为W=E△q.可见，只要求出断开S后，电容器上带电量的变化，问题就迎刃而解了.
开关闭合时，电容器所带电量为
q[，1]=CU[，2]=CER[，2]/（R[，1]+R[，2]+r）
开关断开后，电容器所带电量为q[，2]=CE
所以△q=CE-CER[，2]/（R[，1]+R[，2]+r）=CE（R[，1]+r）/（R[，1]+R[，2]+r）
因此W=E△q=CE[2]（R[，1]+r）/（R[，1]+R[，2]+r）=6×10[-5]J
可见，建立功与能量变化相对应的观点，在分析解决有关的物理问题时，可以避开相互作用过程中复杂的受力情况和变化电流的计算.有利于我们从整体上把握物体的运动和相互作用，因此为我们分析和解决相应的物理问题提供了一条便捷的思路.