機(jī)械能不變就是機(jī)械能守恒嗎

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1、機(jī)械能不變就是機(jī)械能守恒嗎鎮(zhèn)江丹徒高級(jí)中學(xué)——牛亮物理學(xué)是一門豐富多彩、用途廣泛卻又極其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)，而高中物理教材涵蓋了物理學(xué)中的力、熱、電、光、原等五大部分的基本內(nèi)容，學(xué)習(xí)高中物理，這對(duì)于中學(xué)生認(rèn)識(shí)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(yuǎn)的影響。因此，在物理知識(shí)的傳授和學(xué)習(xí)過(guò)程中要抱著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度對(duì)待每一個(gè)物理過(guò)程和物理概念。下面我們討論的問(wèn)題就是物理學(xué)習(xí)過(guò)程中的一個(gè)常見(jiàn)而又容易混淆的概念——機(jī)械能不變與機(jī)械能守恒。在學(xué)習(xí)機(jī)械能守恒定律時(shí)，有這樣一個(gè)很常見(jiàn)的問(wèn)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(yùn)動(dòng)，這個(gè)物體的機(jī)械能是否守恒？GfNFF圖1圖2面對(duì)這個(gè)大家

2、既熟悉又不易說(shuō)清楚的問(wèn)題，立刻引起了學(xué)生的關(guān)注。一部分學(xué)生認(rèn)為，這個(gè)物塊的動(dòng)能和重力勢(shì)能都沒(méi)有發(fā)生變化，它的機(jī)械能總量也沒(méi)有改變，因而機(jī)械能是守恒的。另一部分學(xué)生則認(rèn)為，物塊在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，它的動(dòng)能與勢(shì)能之間沒(méi)有發(fā)生相互轉(zhuǎn)化，因而機(jī)械能是不守恒的。這些觀點(diǎn)中誰(shuí)對(duì)誰(shuí)錯(cuò)呢？下面我談一下自己的看法。實(shí)際上，如圖2所示，物塊在運(yùn)動(dòng)過(guò)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(duì)它的摩擦力等四個(gè)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(duì)物體做功必然引起系統(tǒng)的機(jī)械能跟外界其他形式能量之間的轉(zhuǎn)化。因而，機(jī)械能是不守恒的。無(wú)獨(dú)有偶，還有這樣一個(gè)問(wèn)題：如圖

3、3所示，在一個(gè)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)到斜面頂端的過(guò)程中機(jī)械能守恒嗎？NFfG圖3有的同學(xué)這樣分析：首先對(duì)物體進(jìn)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(guò)程中有三個(gè)力對(duì)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(fù)功，重力G做負(fù)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(dāng)于物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中只有重力做功，并且物體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成重力勢(shì)能，機(jī)械能總量保持不變，所以物體的機(jī)械能守恒

4、。上述的整個(gè)分析過(guò)程都是正確的，但是由此即得出物體的機(jī)械能守恒的結(jié)論就不科學(xué)了。在該問(wèn)題中，確實(shí)是重力做功使物體的動(dòng)能和勢(shì)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(huì)使物體的機(jī)械能跟外界其他形式的能發(fā)生轉(zhuǎn)化。事實(shí)上，物體克服摩擦力做功機(jī)械能將減小，減小的機(jī)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(jī)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(jī)械能的增加量剛好補(bǔ)充了物體克服摩擦力做功時(shí)機(jī)械能的減小量，因而物體的機(jī)械能在數(shù)值總量是保持不變的。但這只能說(shuō)明物體的機(jī)械能不變而不能說(shuō)明機(jī)械能守恒。實(shí)際上，我們所說(shuō)的機(jī)械能守恒就是機(jī)械能守

5、恒定律的全部描述，中學(xué)物理教材中對(duì)機(jī)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(dòng)能與勢(shì)能可以相互轉(zhuǎn)化，而總的機(jī)械能保持不變。在這個(gè)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(diǎn)是“動(dòng)能與勢(shì)能可以相互轉(zhuǎn)化，而總的機(jī)械能保持不變”。只有在這個(gè)前提條件下成立的基礎(chǔ)上，討論能量的轉(zhuǎn)化和機(jī)械能總量不變才有意義。普通物理學(xué)中對(duì)機(jī)械能守恒定律的表述是：如果一個(gè)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(dòng)能和勢(shì)能可以相互轉(zhuǎn)化，但機(jī)械能的總值不變。在這個(gè)表述中，有三個(gè)方面的內(nèi)涵需要注意：一是機(jī)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(jī)械能就一定不守恒。二是當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)的各物體的動(dòng)能和勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化才有必要談機(jī)械能守恒，如果沒(méi)有物體間動(dòng)能和勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化，各物體的機(jī)械能本來(lái)就是不變的。例如，靜止在水平面上的物體，根本沒(méi)有能量之間的轉(zhuǎn)化，這時(shí)談機(jī)械能守恒就沒(méi)有意義了；三是機(jī)械能的總值保持不變，這只是機(jī)械能守恒過(guò)程中初、末機(jī)械能數(shù)量關(guān)系的一種反映，它并不代表機(jī)械能守恒定律的全部?jī)?nèi)容。只有同時(shí)具備以上的三個(gè)因素，談起機(jī)械能守恒才是有意義的。由此看來(lái)，在第一個(gè)問(wèn)題的討論中，一部分學(xué)生所說(shuō)的物塊的機(jī)械能守恒，實(shí)際上只是物體機(jī)械能不變的一種情形，沒(méi)有包含機(jī)械能守恒的全部含義；而另一

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