师:同学们好,今天我们一起来学习能量守恒,本节课内容有两个:第一,运用功能关系解决问题;第二,运用能量守恒定律解决问题。
首先来看第一个内容,通过新课学习我们知道,功是能量转化的量度,计算力所做的功就能找到相应能量的变化。比如重力做正功时,重力势能减少;重力做负功时,重力势能增加,所以(W_{G}=-\Delta E_{P})。同样,通过弹力做功能得到弹性势能的变化,(W_{弹}=-\Delta E_{P弹}) 。动能定理表明,合外力的功等于动能的变化。
在这一章,我们还学了一个新概念,机械能的变化用什么功来衡量呢?除弹簧弹力和重力以外,其他力的功引起机械能的变化,写成(W_{其他}=\Delta E_{机}) 。接下来通过一道例题认识功能关系。
质量为(m)的球在距离地面高为(h)处下落,加速度是(\frac{1}{3}g)。这说明小球下落过程除受重力,还受空气阻力作用。根据牛顿第二定律,可算出空气阻力为(\frac{2}{3}mg) 。
来看选项,A选项,根据功的定义式,空气阻力做负功,(W_{f}=-Fh = -\frac{2}{3}mgh),A选项正确。B选项,重力势能减少量为(mgh),所以B选项错误,也可利用重力做功求重力势能减少量,小球下落过程重力做功(mgh),重力势能减少(mgh) 。C选项,求动能增量有两种方法,一是求出小球末速度,二是利用功能关系求合外力做功。合外力是(ma),做功为(mah),把(a = \frac{1}{3}g)代入,可得动能变化是(\frac{1}{3}mgh),C选项正确。
D选项,求机械能变化量,机械能等于动能加势能,其变化量等于动能变化量加重力势能变化量,动能变化量是(\frac{1}{3}mgh),重力势能变化量是(-mgh),加起来是(-\frac{2}{3}mgh),D选项正确。也可通过功能关系求,除重力外其他力(这里指摩擦力)做的功等于机械能变化量,摩擦力做功(-\frac{2}{3}mgh),也等于机械能变化量。所以这道题选A、C、D。
通过以上例题,我们认识了功和能的关系。接下来看今天的第二个内容——能量守恒定律。能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种形式转化为另一种形式,或者从一个物体转移到另一个物体,在转化或转移过程中总量保持不变。其表达式可写成系统初能量等于系统末能量,或者写成系统增加的能量等于减少的能量。通过一道例题理解这两个表达式。
质量为(0.6)千克的物体,以初速度(V_{0})从(a)运动到(b),再从(b)返回(a)。物体上滑到离斜面(h = 2.5)米时,机械能减少了(3)焦,这表明除重力外还有其他力做功,所以要对物体受力分析,它受到重力、斜面支持力以及沿斜面向下的滑动摩擦力,说明滑动摩擦力做的功等于机械能变化量,为(-3)焦。
看第一个问题,求物体向上运动时加速度大小,要找出合外力。把重力分解,可得(f + mg\sin\alpha = ma) ,要求(a)需先求(f),根据摩擦力做功可求出(f)。摩擦力的功(W_{F}=-fs),(s)是物块运动位移,(s)可通过(h)除以(\sin30^{\circ})求得,最后算出摩擦力(f = 0.6)牛。再根据牛顿第二定律,(f + mg\sin\alpha = ma),求出(a = 6)米每二次方秒。
接着看第二问,求物体向上运动过程中系统因摩擦产生的内能。目前还没学求内能表达式,借助能量守恒来求。从(a)运动到(b)过程涉及重力势能、动能和内能。
第一种表达式,系统初能量等于末能量。在(a)位置,重力势能为(0),动能是(\frac{1}{2}mV_{0}^{2}),还没产生内能;末状态在(b)位置,速度为(0),重力势能是(mgh),动能为(0),产生内能(Q) ,(h)是(a)、(b)间高度差,可利用匀变速直线运动公式(\frac{V_{0}^{2}}{2a})求出(a)、(b)位移,进而求出(h)。
第二种表达式,系统增加的能量等于减少的能量。从(a)到(b),重力势能增加(mgh),动能减小(\frac{1}{2}mV_{0}^{2}),产生内能(Q) ,写成(\frac{1}{2}mV_{0}^{2}=Q + mgh)。
