试析高中物理中能量转化题

高中物理分为几大块，包括力学、热学、电学、光学、原子物理。其中我最喜欢的是能量这个物理量，在物理学中，“能量”为一个间接观察到的物理量，其往往被视为某一个物理系统对其他它物理系统做功的能力。对应于不同形式的运动，“能量”分为机械能、分子内能、电能、化学能、原子能等，又简称为“能”。高中部分主要探讨的有机械能、电势能，这两种能有着于必修部分里，核能有着于选修部分中，所占分值略低。我以事高中教学以来，一直喜欢用动能定理或机械能守恒定律来解题。这样的解题策略少了很多中间历程，解题步骤简单而又快捷，易于掌握。

一、动能定理

动能定理的内容是：“合外力做功等于物体动能的变化量。”对于这个定理应该这样理解，合外力做功可以理解为外力做功之和或者是先求出合外力再求合外力做的功。动能变化量指的是初末状态动能的差值。关于做功这里要强调一下，定义指的是力与力的方向上的位移的乘积。但是在高中部分我们可以总结如下：（1）重力、弹力做功仅与初末位置差有关。以重力做功为例，将一个小球以高处释放，它与地面多次碰撞，最后停在地面上，求小球的重力做功，只要知道小球的初末位置的高度差就可以，重力做功转化为重力势能。对于弹力做功高中部分要求较低，虽然我在讲课的历程中也讲了弹力做功的公式，但是近几年在高考题中没有出现求弹力做功的题。因为考纲中不要求掌握这个公式，只要掌握弹力做功的特点及弹力做功与弹性势能之间的联系就行。在电学中电场力做功与电势差有关，与实际经过的路径无关，如果一个电荷在等势面上移动，那么电场力对这个电荷不做功，只要知道电势差的大小就知道了电场力做功的大小，电场力做功转化为电势能。洛伦兹力始终与电荷的运动方向相垂直，所以洛伦兹力不做功。以上的这几个力有着显著的特点，掌握了这些特点求做功会简单得多。（2）摩擦力做功：摩擦力做功与路径有关，滑动摩擦力的方向与物体之间相对运动方向相反，所以滑动摩擦力可以做正功也可以做负功，例如：将A物体轻轻地放在运动的B物体上，当两个物体达到共同速度之前，摩擦力对A物体做正功，B受到的摩擦力做负功。静摩擦力与相对运动方向相反，但是这不代表静摩擦力不做功，不但如此静摩擦力可以做正功：如A物体放在B物体上，两个物体相对静止一起加速前进，这时A物体受到的静摩擦力对A做正功。当然静摩擦力也可以做负功或不做功。比如：汽车在转弯的时候静摩擦力提供向心力，此时静摩擦力与相对运动方向垂直所以不做功。如果是静摩擦力做功只涉及能量的转移不涉及机械能和内能的转化，如果是滑动摩擦力做功，转化成的内能等于滑动摩擦力和两物体相对位移的乘积。
例1：如图1所示，倾角为θ的斜面上，有一质量为m的滑块距挡板P为S处以初速度v沿斜面上滑，滑块与斜面间动摩擦因数为μ，μ＜tanθ，若滑块每次与挡板碰撞时没有机械能损失，求滑块在整个运动历程中通过的总路程。图1
解：由于滑动摩擦力
f=μmgcosθ＜mgsinθ
所以物体最终必定停在P点处，由功能联系有
-（μmgcosθ）S=0-（mgSsinθ+mv）
S=
阻力做功也是与路径有关，但它不同于摩擦力，它只能做负功，转化为内能，动能定理中对于动能的变化应记住一点就是，初末状态应该选择同一个参考系。
二、机械能
机械能是动能与部分势能的总和，这里的势能分为重力势能和弹性势能。决定动能的是质量与速度；决定重力势能的是高度和质量；决定弹性势能的是劲度系数与形变量。动能与势能可相互转化。机械能只是动能与势能的和。机械能是表示物体运动状态与高度的物理量。守恒指一个历程中某个量一直保持不变，而并非只是初、末两状态相同。机械能守恒定律的内容：在只有重力和弹簧的弹力做功的情况下，物体的动能和势能才发生相互转化，但机械能的总量保持不变。对守恒条件的理解：（1）仅有重力或弹力做功。物体不受其他外力的作用。（2）除重力和弹力外物体受其他力，其他力不做功。（3）除重力和弹力外，物体受的其他力做功的代数和为零。
对机械能守恒定律的理解：
（1）系统在初状态的总机械能等于末状态的总机械能。
即E=E或1/2mv+mgh=1/2mv+mgh
（2）物体（或系统）减少的势能等于物体（或系统）增加的动能，反之亦然。
即-ΔE=ΔE
（3）若系统内只有A、B两个物体，则A减少的机械能E等于B增加的机械能ΔE，即：-ΔE=ΔE
重力、弹力以外的力做正功，机械能增加；重力、弹力以外的力做负功，机械能减少。通常在不涉及时间和加速度的情况下，运用机械能守恒定律解题较为简便。要注意：机械能守恒定律是针对系统而言的，即便我们平时说某个物体具有重力势能，实际上也是指由该物体和地球组成的系统所具有的重力势能。
例2：长为L的均匀链条，放在光滑的水平桌面上，且使其长度的1/4垂在桌边，如图2所示，松手后链条以静止开始沿桌边下滑，则链条滑至刚刚离开桌边时的速度大小为多大？图2
剖析：链条下滑时，因桌面光滑，没有摩擦力做功。整根链条总的机械能守恒，可用机械能守恒定律求解。设整根链条质量为m，则单位长度质量（质量线密度）为：m/L
设桌面重力势能为零，由机械能守恒定律得.
-?g?=mv-mg
v=
电荷只有电场力做功时，电场能和动能守恒。
例3：图3中虚线所示为静电场的等势面1、2、3、4，相邻的等势面之间的电势差相等，其中等势面3的电势为0.一带正电的点电荷在静电力的作用下运动，经过a、b点的动能分别为26eV和5eV.当这一点电荷运动到某一位置，其电势能变为－8eV时，它的动能应为（）
A.8eVB.13eVC.20eVD.34eV
答案为C［先求出等势面3上的动能，即可得出电荷的总能量］。
能量是物理学中描写一个系统或一个历程的一个量。一个系统的能量可以被定义为以一个被定义的零能量的状态转换为该系统近况的功的总和。一个系统到底有多少能量在物理中并不是一个确定的值，它随着对这个系统的描写而变换，在高中部分重点探讨的是能量的转化，一旦掌握了这一个知识，物理题做起来就会简单得多。