高中物理有关能量守恒教学探究,该文是关于高中物理类硕士学位毕业论文范文与能量守恒和高中物理和教学类硕士学位论文范文.
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【摘 要】本文论述保守力系统中的机械能、热力学系统中的能量、电磁学系统中的能量及相对力学系统中的能量转换与守恒方式等教学问题,以便高中生进一步理解和掌握力学相关知识.
【关键词】高中物理 能量守恒 能量转换
【中图分类号】G 【文献标识码】A
【文章编号】0450-9889（2018）04B-0095-03
高中物理学习的重点和难点有两个,一是力学分析,二是能量守恒,力学分析是学习能量守恒的前提,能量守恒是力学分析的必然结果.能量守恒的方式多种多样,单纯的机械守恒,热力学定理,电磁学守恒,还有广义的相对力学.对高中生来说,学会并能灵活运用守恒定律,是学好高中物理的基础.能量守恒的定义众所周知,不再累述.我们日常生活接触到很多的能量守恒,比如骑自行车,人体内能转换成机械能；空调的使用,电能转换为热能,等等.现实生活中单纯的能量转换很少,我们在指导学生学习能量的时候,要注意从整体意识入手,将多个物体化零为整组成一个能量系统.能量系统分析的关键,是清楚认识物体的运动过程和运动规律,系统内单个物体如何运动如何转换,整体运动如何转换,模型之间内在联系.当学生掌握最基本的过程之后,教师加以引导,学生便会融会贯通.
一、保守力系,机械能守恒
机械能守恒是最基本的守恒定律,也是学生最先接触的一种能量守恒方式.这种方式意味着整个系统只有动能和势能,势能包括重力势能和弹性势能.在机械能守恒系统中,动能和势能二者之间相互转换,不存在内能、电能等其他能量方式,动能和势能的和保持不变.在机械能守恒体系中,除动能和势能之间可以转换外,势能之间的能量也可以转换,但能量总和保持不变.
〖例 1〗如图 1 所示,细绳长 L,一端固定于 O 点,质量为 m 的小球系在绳的另一端,细绳能承受的最大拉力是 7 mg.现将小球拉伸至水平,由静止释放.O’处有小钉.要求小球下落后可以绕 O’在竖直平面内做圆周运动,球 OO’的长度 d 与角度 θ 之间的关系.
图1
〖分析〗本问题涉及的问题很多,除了机械能守恒,还有圆周运动.因此要逐个分析,并在分析研究中一定要注意小球运动的临界条件.能完成圆周运动,意味着 OO’的长度不能太短也不能太长.圆周运动的分析一般从最高点 D 和最低点 C 入手.
〖解〗设圆周运动半径为 r,OO’长度为 d,小球在 D 点的速度为 vD ,根据公式有
①
以 O 点的重力势能点为零势能位置,则
mvD2等于mghD等于mg［d cosθ-（L-d）］等于mg（d cosθ-L+d） ②
由式①和②可得
细绳的拉力最大不超过 7 mg,小球运动到最低点 C 时绳受力最大,设小球在 C 点的速度为 vc,有以下公式：
③
由机械能守恒定律知
mvC2等于mghC等于mg［d cosθ+（L-d）］等于mg（d cosθ+L-d） ④
由式③和④可得
所以,OO’的长度 d 应该满足
〖总结〗高中考试题型中单纯的机械能守恒很少,一般都是跟各种运动类型结合出现的.圆周运动的重点是向心力与运动方向垂直,不做功,在小球整个圆周旋转运动过程中,只有重力做功.借此条件,让学生自己重新分析,以便学生能更好地掌握方法.比如可更改题目要求,如果,Fmax等于6 mg ,有解么等,让学生分析.
二、热力学系,内外能转换
热力学系统,能量的表达方式不仅仅是功,还有内能和热量.热力学第一定律反映的是能量守恒和转换时应该遵从的关系,是热力学系统中各能量形式之间转化的定律.公式表示为 ΔU等于W＋Q,其中,当 W>0 时,外界对物体做功；当 W<0 时,物体对外界做功；当 Q>0 时,物体从外界吸收热量；当 Q<0 时,物体对外界释放热量；当ΔU>0 时,物体内能增加；当 ΔU<0 时,物体内能减少.
〖例 2〗如图 2 所示,密闭钢框,活塞密闭绝热,且具有一定的质量,活塞上部是密封着的气体,下部是真空,活塞上下运动与器壁的摩擦忽略不计.弹簧连接活塞与容器.先将弹簧压缩并用细绳扎紧,此时弹簧具有弹性势能 EP（弹簧处于自然长度时弹性势能为 0）,现突然剪短细绳,弹簧推动活塞向上运动,再向下收缩,多次反复后,活塞静止,气体达到平衡状态,经过此过程（ ）
图2
A．EP 全部转换为气体的内能
B．EP 一部分转换为活塞的重力势能,其余的是弹簧的弹性势能
C．EP 全部转换为活塞的重力势能和气体的内能
D．EP 一部分转换为活塞的重力势能,一部分为气体内能,其余的是弹簧的弹性势能
〖解析〗细绳断开,弹簧必定释放弹性势能,推动活塞运动,同时对气体做功.到最后静止时,由于活塞本身具有一定质量,故会将弹簧压缩一些,根据能量转化和守恒定律可知,选 D.
〖扩展〗如同机械能守恒习题一样,热力学题目中不可能单独出现单纯的吸热、放热题目.将热力学和机械结合是命题的基本形式,因为机械运动是物体最基本的运动方式和形式.因此在这种结合的题目中,需要先了解物体的运动情况,再根据各个守恒定律汇总能量变化方式.
三、电磁力学,电机互动
电磁力,就是电磁场产生的力.在电磁力中,有楞次定律.该定律揭示感应电流与原磁场的关系,符合能量守恒.电磁力学本质是感性电流产生磁场,该磁场产生的磁通量与原磁场的磁通量相互对立,结果将部分能量转化为电能,感应电流形成回路,转化为动能、势能等.也就是说,感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化.但阻碍并不是阻止,只是延缓了磁通量的变化快慢,这种变化将继续进行,最终结果不受影响.
电机就是利用电磁感应原理制作.在讲解这个原理时,一般是这样：在磁场中转动一个紫铜做的圆盘,在圆心处固定一个摇柄,圆盘的边缘和圆心处各与一个黄铜电刷紧贴,导线连接电刷和电流表,转动摇柄,铜盘转动,电流表指针变动,这意味着产生了电流.由此生成了许多习题.
〖例 3〗如图 3 所示,铜管 P 内壁光滑,上下开口,Q 是塑料管,与 P 平行竖直放置,小磁块先后在两管中从相同高度由静止释放,落至底部,则小磁块（ ）
图3
A．在 P 和 Q 中都为自由落体运动
B．下落过程都机械能守恒
C．在 P 中的时间比 Q 中的长
D．落至底部时在 P 中的下落时间比 Q 中的大
〖解析〗小磁块在铜管中下落,产生感应电流.由楞次定律的推广含义知,磁块受到与运动方向相反的阻力,下落过程必然不是自由落体运动,塑料管不存在电磁感应,故在 P 中下落慢.
〖扩展〗电磁定律的学习万变不离其宗,我们的日常生活也经常遇到,衣服卖场、超市卖场的磁性商标,付款消除,等等.我们甚至可以利用电磁感应原理制作小灯,将实验留给学生自己尝试.
四、相对力学,质能守恒
经典力学的描述中,能量和质量相互独立,但在相对论中,质量和能量是物体力学性质的两个不同属性,在一定程度上是可以相互转换的.爱因斯坦狭义相对论提出质能公式 E等于mc2,E 表示能量,m 是物体质量,c 为光速.物质不灭定律,指物质的质量不灭,能量守恒定律,指物质的能量守恒.物体的质量越大,具有的能量越大,质量越小,具有的能量越小.质能守恒指的是质量的变化产生能量的变化.这种守恒广泛应用于微观世界.
〖例 4〗（2014 年北京理综）质子、中子和氘核的质量分别为 m1,m2 和 m3,当一个质子和一个中子结合成氘核时,释放的能量是（ ）
（下转第112页）
（上接第96页）
A．（m1＋m2－m3）c
B．（m1－m2－m3）c
C．（m1＋m2－m3）c2
D．（m1－m2－m3）c2
〖解析〗此核反应方程为 ,根据爱因斯坦的质能方程得 ΔE等于Δmc2等于（m1＋m2－m3）c2,故选 C.
〖扩展〗我们能感受到太阳带给我们的温暖,主要是因为在太阳中心,密度为 1.5×105 kg/m3,热核反应（核聚变）将氢转变为氦.每秒钟有 3.9×1045 个原子参与核反应.产生的能量以光和热的形式从太阳表面散发出去.地球只获得了太阳总辐射量的 22 亿分之一.所以太阳蕴含了巨大能量,太阳发热的过程导致太阳质量在不停地减少,也有不少科学家为人类世世代代的生存发展计算太阳的寿命,太阳上的氢至少还可以供给太阳继续辉煌闪耀 50 亿年.
世间万事万物遵从能量守恒定律,永动机是否能实现成为无数研究员研究的重点,我们暂且不予以讨论.总的来说,高中物理能量守恒的观点是分析状态和过程,计算方式是正确把握运动初始状态和最终状态.我们在指导高中生学习的过程中,注意宏观把握,微观调整,将各个知识点融会贯通,才能达到学好高中物理的目的.
【参考文献】
［1］刘晟铭．能量守恒在高中物理中的应用［J］．科技展望,2017（2）
［2］潘学良．广义能量守恒定律及其应用［J］．应用技术,2016（4）
［3］罗希越．运用能量守恒解决物理问题［J］．教育讨论,2015（11）
（责编 卢建龙）
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