高中物理:功能关系与机械能守恒


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功能关系与机械能守恒是让很多同学头疼的概念。下面将这两者做一个深入的解析,如下:

 

1.功能关系的概念

高中物理课本中,有这样一句不起眼的话:做功的过程是能量转化的过程,功是能的转化的量度。这就是功能关系的表述。需要强调的是:功是一种过程量,它和一段位移(一段时间)相对应;而能是一种状态量,它个一个时刻(或者状态)相对应。

两者的单位是相同的(都是J),但不能说功就是能,也不能说功变成了能。

能量转化和守恒定律是自然界最基本的定律之一。在不同形式的能量发生相互转化的过程中,功扮演着重要的角色。

或者说,能量是一个”点”,而功是从一个点到另一个点之间的”线”。在不同形式的能量发生相互转化的过程中,功扮演着重要的角色,但不能说功就是能,也不能说”功变成了能”。

功能关系并没有一个严谨的方程来描述,针对不同的做功和能量转化,对应不同的方程。一个力做功,总是要引起能量的改变的,到底变为什么能了,这就是功能关系。举个例子来帮助同学们理解。比如,某个力推着小车在粗糙的平面上加速,这个力所做的功,一部分转化为了小车的动能,而另一部分,就是摩擦生热。如果写一个方程的话,那么就是W=△Ek+△Q;

 

2.机械能守恒定律

概念:在只有重力或弹力做功的物理系统内,动能与势能可以相互转化,总的机械能能够保持不变。

机械能不是一种能量,而是三种能量之和,机械能=动能+弹性势能+重力势能。

重力势能可正可负,其具体数值与零势能面的选择有关。

 

机械能守恒定律的两种表述:

(1)在只有重力、弹力做功的情形下,物体的动能和势能发生相互转化,但机械能的总量保持不变。

(2)如果没有摩擦和介质阻力,物体只发生动能和势能的相互转化时,机械能的总量保持不变。

 

机械能守恒定律的表达形式

定义式:Ek+E重+E弹=恒定量;或者写成Ep+Ek=Ep’+Ek’(其中Ep包括重力势能和弹性势能wuli.in)

机械能守恒定律我们还可以这样表述。ΔEp+ΔEk=0;ΔE1+ΔE2=0;∑E增=∑E减;

用定义法表述时,需要规定重力势能的参考平面。用第二种表述的时候,由于考虑的变化量,所以不必规定重力势能的参考平面(重力势能的改变量与参考平面的选取没有关系),在解题中推荐同学们优先考虑使用第二种方法。

 

小结:机械能守恒是有前提的,即只有重力和弹力做功的过程。我们研究的是在满足前提条件下,这样的过程中动能、重力势能、弹性势能之间的转化,即能量之间的转化。

功能关系并没有前提条件。功能关系研究的是某个力所做的功,引起的(好几种)能量变化。