能量守恒定律在高中物理解题中的应用研究

摘 要：能量守恒是高中物理常见的一个定律.本文主要对能量守恒及其学习方法进行探讨，并总结出能量守恒定律在高中物理解题中的应用策略.

关键词：高中物理；能量守恒；解题；应用

中图分类号：G632   文献标识码：A   文章编号：1008-0333（2023）21-0071-03

收稿日期：2023-04-25

作者简介：叶新美（1981.6-），女，本科，中学一级教师，从事高中物理教学研究.

能量守恒作为极其重要的一种定律，将其运用于物理学科，能有效解决相关物理问题，是物理解题中常见的一种方法.

1 能量守恒概述

能量守恒的准确定义是能量不会凭空产生，也不会凭空消失，是由一个物体转移到另一个物体，或者是从一种形式的能量转化成另一种形式的能量，在转移或转化的过程中，总能量保持不变.比如，物体由高空下落，重力势能会转变成内能与动能等.本定义当中，有两个基本点，即传递和转换.能量传递的基础要求就是物质之间存在着互相作用，类似于高中物理中的力学问题、力学有关的热力学、电磁学问题等［1］.比如，在摩擦过程，能量会转变成热能，弹簧发生收缩形变.而能量转换的基础问题则是转换能量的形式，如煤燃烧之后，会释放出热量，能够取暖；可通过生产蒸汽，推动蒸汽机转变成机械能，促使汽轮发电机转化成电能.

2 高中物理能量守恒的学习方法

2.1 理解基础定律

从物理学角度，人类是生活在满是电磁场物质的一个空间中，电磁场是人们通过肉眼看不见的，但其作用却可以使我们真切的体会到能量守恒，其中包含的范围是极其广的.高中时期，电磁场的能量守恒属于能量守恒定律中的一种，物体在实际运动过程的能量守恒，也是能量守恒定律中的一种.由于能量守恒所涉及到的内容有很多，所以，需对每个部分进行细致探讨，力学作为高中物理当中的重要

内容，在力学的学习中，能量守恒更多体现在各种能之间的转化，其主要分析各种能量的具体转化，也就是通过哪些力达成的［2］.比如，在分析子弹由枪口中射出能量发生了什么转变，并在头脑中形成子弹连续射出并落地的画面，接着，伴随子弹运动加以分析：第一，人扳动开关，启动子弹发射的按钮，接着，火药进行燃烧将化学能转化为燃烧气体的内能；第二，部分内能促进子弹的运动，转变成子弹动能，因为子弹位于空气当中受到了摩擦阻力，产生相应的热能，子弹机械能逐渐减少；第三，落到地面，完成了子弹运动过程能量守恒与转化的分析.

2.2 熟悉能量守恒的转变

能量守恒是一个基本定律，是通过精炼且简单的语言，把自然界能量守恒总结成一句话，但是，简单的依据能量守恒，可转化成许多个问题，面对多种多样、形式不同的问题，学生很少能掌握到学习的好方法，部分学生也无法充分理解与掌握教师讲解的物理问题，更多只会做某类或某部分的试题.鉴于此，物理教师在教学时，需引导学生准确把握相关物理定律，经过不断学习，对相关物理问题进行归纳总结和系统学习［3］.比如，光学的能量守恒则是指金属当中的电子会吸收光能量，部分会克服原子核引力并逸出，另一部分是电子获取到充足的动能而远离金属表面.

2.3 理清定律应用的题型

高中阶段，学生要理清解题思路，会分析题型，以提高自身的解题能力.高中物理可分成热学、力学、光学、电磁学、原子物理学等，部分章节的题型相对固定.力学部分，学生要能够通过功能关系加以解题，总功能通过动能变化实施量度，重力做功能够通过重力势能具体减少量实施量度，除了弹簧弹力以及重力，其它的力做功都能通过机械能的具体增加量实施量度，并明确功和能存在的对应关系，以实现高效解题的效果.而光学部分，需对原子在光照射以后所激发出的电子能量变化问题进行解决，对于光学知识来说，其通常是无法看见与摸着的，但通过能量守恒，则能实现有效解决［4］.电磁学部分，则需解决电子或金属导体位于磁场、电场、电磁场相联合的运动状態及能量转变.在后期的复习中，常见的都是各个部分结合的综合类题型，这就需学生们注重基础知识的理解与掌握，以此为后期学习与考试奠定扎实的基础.

3 高中物理解题中能量守恒的应用策略

3.1 解决机械运动问题

物体进行机械运动时，会出现相应的能量转移，如摩擦力会使机械能转换成热能，依据功能原理显示：外力做功和系统内部的保守内力所做功的和与系统机械能产生的变化量是相等的，其也适用多质点的机械运动状况.当不存有外力作用，系统内部的多质点保守内力的做功没有产生机械能朝着其它形式的能量转变［5］.不论是哪种机械运动，都能符合能量守恒的要求，并依据能量的转化过程中呈现的参数变化，对能量变化实施量化，通常包含了位移、距离、速度等.

例如，图1所示水平面放置两个物体，分别是A、B，二者通过轻质弹簧进行连接，现有mA＝2mB，且物体A与墙壁紧贴，对物体B施加相应的外力F，F方向指向A物体，力F对于轻质弹簧的做功是W，撤掉外力F时，求A物体在离开墙壁时最大的弹性势能是多少？

图1 物块简图

解析 为了优化分析步骤，可以把A、B作为整个系统，依据能量守恒可知，物体A、B有着相同的速度.

解 设物体A离开墙壁花费的时间是t0，物体B的速度设为v0，依据能量守恒可知：

W=12mBv20①

当物体A、B的速度均是v时，依据机械能守恒可知：

W=12（mA+mB）v2+Epmax②

依据动量守恒可知：

（mA+mB）v=mBv0③

将①、②、③加以变换后，可得：

Epmax=W3.

本题直接采用机械能守恒实施求解是有较大难度的，其还包含了动量守恒的相关内容，这就需多次运用能量守恒，才可以求解得到最大的弹性势能Epmax.

3.2 解决分子热运动问题

分子实施热运动的时候，会产生相应的内能，内能和其它形式的能量經过做功以及热传递等多种形式实施转化.

例如，某个质量是M kg金属块（铜）被固定到地面，狙击手把质量是m kg的铜弹头射进金属块，其温度都会增加，通过温度计测量以后，会发现其温度共上涨12 ℃，请问，将金属块置于光滑表面，把弹头以同样的速度射进金属块，其温度上升至11 ℃，求：金属块和铜弹头质量比是多少？

解析 依据热力学定律可求解得到物体内能产生的变化，并通过能量守恒定律，把减少的机械能和内能产生的变化量进行对应，以构建相应的等量关系.

解 把铜弹头初速率设成v0，第二次光滑的平面射击时，两者次最终速度是v，第一次温度上升12 ℃，第二次温度上升11 ℃，有物体比热容表可知，其比热容是C，通过能量守恒，可构建以下等量关系：

第一次：12C（M+m）＝12mv20；

第二次：mv0＝（M＋m）v，同时，12C（M+m）＝12mv20-12（M＋m）v2，由此则能计算得出取金属块和铜弹头质量比是M∶m＝11.

3.3 解决相对运动问题

做功和能量之间的变化有着紧密关联，是能量转变的量度.通过能量守恒对相对运动的问题进行分析时，需注意由做功作为入手点.通常来说，除了弹簧弹力或者重力，其它外力对物体做的正功会导致机械能增加［6］.因此，解题时，需与题干给出的情境相结合，对板块的运动状态进行整体判断，并对板块受力进行分析，确定其受力大小及受力方向、做功正负.

例如，如图2，光滑水平面放置了一个长木板A，在某时刻，物块B以水平速度v0冲上A之后，因为摩擦力作用而停止于A上.下述分析是正确的（  ）.

图2 物块长木板模型简图

A.物块B的动能减少量与系统损失机械能是相等的

B.物块B克服了摩擦力的功和系统内能增加量是相等的

C.物块B损失掉的机械能与木板A获取的动能和系统损失机械能的和是相等的

D.摩擦力对于物体B做的功与对木板A做的功之和与系统内能增加量是相等的

解析 物块B在滑上了木板之后，受摩擦力影响做匀减速运动，摩擦力则对其做负功.木板A受摩擦力影响做匀加速运动，摩擦力做正功.需注意，木板A的速度没有和物块B的速度保持一致，就由于木板A和物块B之间的相对滑动，产生相应的热量.依据能量守恒，木块B由于受摩擦力动能逐渐减小，减少的部分动能转变成A的动能，且部分因为摩擦而转变成内能，故本题选C.

综上所述，能量守恒是自然界中最常见的一种定律，在物理问题的分析过程中广泛运用.因此，高中物理的解题教学中，教师需注重能量守恒的讲解，引导学生通过能量守恒进行物理习题解答，从而使学生充分掌握能量守恒的同时，实现解题效果的优化.

参考文献：

［1］ 王智荣.能量守恒在高中物理解题中的运用探究［J］.试题与研究，2022（30）：19-21.

［2］ 蒋金团.落实能量观 提升学科素养：浅谈能量守恒定律在高中物理解题中的应用［J］.教学考试，2020（49）：68-71.

［3］ 马彦平.能量守恒在解决高中物理问题方面的应用探讨［J］.课程教育研究，2020（05）：182.

［4］ 林湘睿.试析如何使用能量守恒定律分析高中物理问题［J］.高考，2019（03）：266.

［5］ 牛国光.能量守恒定律在高中物理解题中的应用［J］.高中数理化，2018（24）：23-24.

［6］ 邱国民.能量守恒在高中物理教学中的应用分析［J］.文理导航（中旬），2018（12）：48-49.

［责任编辑：李 璟］