機械能不變就是機械能守恒嗎

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1、機械能不變就是機械能守恒嗎鎮(zhèn)江丹徒高級中學——牛亮物理學是一門豐富多彩、用途廣泛卻又極其嚴謹?shù)目茖W，而高中物理教材涵蓋了物理學中的力、熱、電、光、原等五大部分的基本內(nèi)容，學習高中物理，這對于中學生認識自然現(xiàn)象、掌握自然規(guī)律有著指導(dǎo)性的作用以及深遠的影響。因此，在物理知識的傳授和學習過程中要抱著嚴謹?shù)膽B(tài)度對待每一個物理過程和物理概念。下面我們討論的問題就是物理學習過程中的一個常見而又容易混淆的概念——機械能不變與機械能守恒。在學習機械能守恒定律時，有這樣一個很常見的問題：如圖1所示，用一水平拉力F拉著一物體M在粗糙的水平面上做勻速直線運動，這個物體的機械能是否守恒？GfNFF圖1圖2面對這個大家

2、既熟悉又不易說清楚的問題，立刻引起了學生的關(guān)注。一部分學生認為，這個物塊的動能和重力勢能都沒有發(fā)生變化，它的機械能總量也沒有改變，因而機械能是守恒的。另一部分學生則認為，物塊在運動過程中，它的動能與勢能之間沒有發(fā)生相互轉(zhuǎn)化，因而機械能是不守恒的。這些觀點中誰對誰錯呢？下面我談一下自己的看法。實際上，如圖2所示，物塊在運動過程中受到重力G、水平面的支持力N、水平拉力F和水平面對它的摩擦力等四個力的作用。其中的重力和支持力不做功，4但拉力和摩擦力做功。這里的拉力和摩擦力屬于外力，外力對物體做功必然引起系統(tǒng)的機械能跟外界其他形式能量之間的轉(zhuǎn)化。因而，機械能是不守恒的。無獨有偶，還有這樣一個問題：如圖

3、3所示，在一個粗糙斜面上，一物塊m在平行于斜面向上的推力Ｆ的作用下，以一定初速度v0從斜面底端運動到斜面頂端，F(xiàn)的大小與物塊所受斜面的摩擦力大小相等。則該物塊從斜面底端運動到斜面頂端的過程中機械能守恒嗎？NFfG圖3有的同學這樣分析：首先對物體進行受力分析，物體受到了重力G、支持力N、推力F和摩擦力f。根據(jù)做功的定義，判斷物塊在沿斜面上升的過程中有三個力對物體做功，分別是WF，Wf和WG，其中推力F做正功，摩擦力f做負功，重力G做負功。根據(jù)已知條件F=f，得出，既推力和摩擦力做功之和為零。故相當于物體運動過程中只有重力做功，并且物體的動能轉(zhuǎn)化成重力勢能，機械能總量保持不變，所以物體的機械能守恒

4、。上述的整個分析過程都是正確的，但是由此即得出物體的機械能守恒的結(jié)論就不科學了。在該問題中，確實是重力做功使物體的動能和勢能發(fā)生了相互轉(zhuǎn)化，但是物體受到的外力（推力和摩擦力）仍然在做功，這些外力做功的結(jié)果就會使物體的機械能跟外界其他形式的能發(fā)生轉(zhuǎn)化。事實上，物體克服摩擦力做功機械能將減小，減小的機械能都4轉(zhuǎn)化成了物體的內(nèi)能。而由于推力F的作用物體的機械能增加，由于推力F與摩擦力f大小相等，推力F的作用使物體機械能的增加量剛好補充了物體克服摩擦力做功時機械能的減小量，因而物體的機械能在數(shù)值總量是保持不變的。但這只能說明物體的機械能不變而不能說明機械能守恒。實際上，我們所說的機械能守恒就是機械能守

5、恒定律的全部描述，中學物理教材中對機械能守恒定律的描述是：在只有重力或彈力做功的物體系統(tǒng)內(nèi)，動能與勢能可以相互轉(zhuǎn)化，而總的機械能保持不變。在這個表述中，前提條件是“在只有重力或彈力做功的物體系統(tǒng)內(nèi)”，特點是“動能與勢能可以相互轉(zhuǎn)化，而總的機械能保持不變”。只有在這個前提條件下成立的基礎(chǔ)上，討論能量的轉(zhuǎn)化和機械能總量不變才有意義。普通物理學中對機械能守恒定律的表述是：如果一個系統(tǒng)內(nèi)只有保守力①②做功，其他內(nèi)力和外力都不做功，則系統(tǒng)內(nèi)各物體的動能和勢能可以相互轉(zhuǎn)化，但機械能的總值不變。在這個表述中，有三個方面的內(nèi)涵需要注意：一是機械能守恒的條件為只有系統(tǒng)內(nèi)的保守力做功，其他內(nèi)力和外力都不做功，如果

6、有保守力（如重力和彈簧的彈力）以外的內(nèi)力或外力做功，系統(tǒng)的機械能就一定不守恒。二是當系統(tǒng)內(nèi)的各物體的動能和勢能的相互轉(zhuǎn)化才有必要談機械能守恒，如果沒有物體間動能和勢能的相互轉(zhuǎn)化，各物體的機械能本來就是不變的。例如，靜止在水平面上的物體，根本沒有能量之間的轉(zhuǎn)化，這時談機械能守恒就沒有意義了；三是機械能的總值保持不變，這只是機械能守恒過程中初、末機械能數(shù)量關(guān)系的一種反映，它并不代表機械能守恒定律的全部內(nèi)容。只有同時具備以上的三個因素，談起機械能守恒才是有意義的。由此看來，在第一個問題的討論中，一部分學生所說的物塊的機械能守恒，實際上只是物體機械能不變的一種情形，沒有包含機械能守恒的全部含義；而另一

7、部分所說的物塊的機械能不守恒，4雖然結(jié)論是正確的，但說出的原因是片面的，他只強調(diào)了機械能守恒的必要性，沒有突出機械能守恒的本質(zhì)條件。那么對于對于此類問題到底應(yīng)該如何描述呢？筆者認為，應(yīng)該首先說明物體在運動過程中，存在著除了重力和彈力以外的外力對物體做功，所以不滿足機械能守恒定律的前提條件，故機械能不守恒。但是這些外力對物體的做功之和為零，所以物體在運動過程中機械能總量是不變的。這里一定要強調(diào)，切記