对《机械能守恒定律》教学的三点探讨
来源: | 作者:jxncyz | 发布时间: 2014-12-15 | 16137 次浏览 | 分享到:

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一、机械能守恒定律的研究对象是系统

平常的习题中提到的大都是某个物体的机械能,久而久之,学生误以为机械能是具体某个物体的,认为研究对象可以是单一物体。动能和势能(重力势能和弹性势能)统称为机械能,计算机械能时应该包括重力势能这一项,需要选择参考平面确定重力势能,即使在某些情况下重力势能为,或者重力势能没有发生变化,重力势能也是具有意义的一项,包含于机械能。而重力是地球与物体之间的相互作用力,也就是说,倘若没有地球,就谈不上重力,重力成为地球与物体所组成的物体“系统”的“内力”。所以,严格说来,重力势能是地球与物体所组成的物体“系统”所共有的,而不是地球上的物体单独具有的。可见,机械能守恒定律的研究对象不是单一物体,而是物体系统。

、“系统、内力和外力”编排在哪里合适

明确了机械能守恒定律的研究对象是系统后,我们讨论“系统、内力和外力”编排在哪里合适?;的苁睾愣衫锾峒啊跋低场?,关于“系统”,在学习机械能守恒定律之前,人教版新课程物理必修2《重力势能》一节“势能是系统所共有的”板块涉及到“系统”两字,但是未解释什么是“系统”;在学习机械能守恒定律之后,“系统、内力和外力”的知识在人教版新课程物理选修3-5教材里《动量守恒定律》一章中被详细提到。

通过学习,学生对具体问题中判断机械能守恒条件是否满足还有一定困难。研究系统问题,区分系统内和系统外、内力和外力非常重要,造成困扰,误把系统外和弹簧有关的外力也算在系统内,对守恒条件依然错误认识。机械能守恒的比较严格的说法应该为“系统所受外力和系统内部非保守力不做功”。但这样的说法,对一般高中生来说,是很难理解的。人教社编者意图是,对学有余力的学生可以进行这样的分析。教科书提到,“在只有重力或弹力做功的物体系统内,动能与势能可以相互转化,而总的机械能保持不变?!毖唤崴伎?/span>什么是“系统”、什么是“系统内”,系统外?诸如这些问题。讲授《机械能守恒定律》一节时,大多数教师一般也会有意识地将“系统、内力和外力”的知识提前学习,相当于把编排在物理选修3-5教科书中的知识提前到物理必修2教科书中?!跋低?、内力和外力”编排在哪里合适?

、如何理解机械能守恒定律里的弹力

机械能守恒定律里的弹力指什么?是特指肉眼看得见弹性形变产生的弹力吗?对于肉眼看不见的微小形变而产生的力又该如何理解呢?例如,如图1所示中绳子和重物的相互作用力、如图2所示中滑块和光滑斜面的相互作用力。

图1中绳子和重物的相互作用力、图2中滑块和光滑斜面的相互作用力是不是保守力呢?于是出现种认识,第一种认可绳子、重物、滑块和斜面会发生微小形变,他们均是弹性体(只允许发生微小形变),由于形变非常非常微小,储存的的形变势能几乎为零,忽略不计,不影响系统的机械能守恒,弹力是保守力;第二种视绳子不可伸长,重物、滑块和斜面在任何情况下形状大小都不发生变化,处理为理想化刚体模型,此时追究“弹力”来源无意义,更谈不上弹性势能的存在,这时“弹力”成为非保守力。认同前者,正好符合高中物理教科书关于弹力的相关理论;认同后者,绳子和重物,滑块和斜面相互作用时,一对非保守弹力因为大小相等方向相反,相互作用的两个物体始终接触,在“弹力”的方向上产生的位移大小相等,这对非保守弹力是一对内力时,它们做功代数和,仍然满足机械能守恒定律的条件。例如,图2假设表面光滑的斜面放在光滑地面上,在斜面上轻放一个滑块,在滑块和斜面相互作用的过程中,滑块与斜面之间的这对弹力各自都做功了,但是做功代数和为,滑块、斜面以及地球组成的系统机械能守恒。需要特别指出的是,非弹性碰撞问题里,除了弹力还有摩擦力,存在相对运动、或者不能够完全恢复的形变,有机械能损失,不可简单处理为一对弹力的相互作用。

通过分析看出,具体情况下的弹力是否理解为保守力,均不影响机械能守恒定律里“弹力”两字的普遍意义?;谎灾?,机械能守恒定律里的弹力不特指肉眼看得见弹性形变的弹簧、橡皮筋和弹性金属片之类的弹性物体产生的弹力,也可以泛指相互接触挤压时产生的普遍意义的弹力。

 

本文刊登于《中学物理教学参考·上半月》2014年第1期,有删改

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