系統機械能守恆應用典例剖析:豎直彈簧問題

2020-12-14 高中物理聽領電流在叫

高中階段我們系統學習了機械能守恆定律,那麼機械能包括哪些能?是如何定義的?應用的條件如何?我們如何快速準地判定機械能守恆呢?高考改革後學科素養培養下的機械能這一塊如何考查呢?

下面我們就結合這道高考模擬題目,將問題細化、分解。糾一糾我們在解決問題上比較容易出現混淆的地方。

機械能包括:

動能

重力勢能

彈性勢能

這裡我們要特別注意,摩擦生熱能、電熱能、等等其他能量統統不屬於機械能這個家庭。但是我們要注意,這麼多能雖然不屬於機械能,但是他們可以轉化為機械能。

判定機械能守恆條件時,我們首先要看問題中的研究的對象是單體還是系統,或者你自己在分析問題時研究的是誰。通俗來說,一個單體(一個系統)在某一個物理過程中的機械能沒有變化,就叫這個單體(或這個系統)在此過程中機械能守恆。

單體:只有重力對此單體做功。

系統:只有重力和系統內部彈力對系統內各物體做功。

新的高考從教材、教法以及考查方式上均進行了同步改革,對學生核心素養的培養是此次改革的基調,也就是考查時,以學生為主體,糅合新情境,探究思考將是考查的新趨勢。今年北京高考的實驗考查已經突出體現了自主探究能力的考查,而就能這一塊的考查我想題目會更加注重生活情境,細節的處理,比如投籃,過山車,蹦極等等,包括物理實驗的過程設計。

給出的這道歷年高考模擬題目:

(1)情境是彈跳杆運動,一個為質量為M質量為M小孩站在彈跳杆跳板上,處於靜止時,彈簧壓縮了x0。

我們對小孩此刻受力分析列出:M g = k x0,第一問就出來了。

下面我們按照題意畫簡圖。

狀態(1)我畫出彈簧原長狀態,題中告知彈簧自身質量不計。

(2)狀態,孩子靜止站在彈簧上,M g = k x0

從(2)到(3)狀態小孩自己發力,使勁下壓彈簧最終彈簧被壓縮了3x0,

這一過程把小孩和彈簧作為一個系統,系統的機械能是否守恆呢?

回答是否定的,不守恆。因為小孩吃了飯有了能量,但是這個能量不屬於機械能。想一想,如果把一塊質量為M 的豬肉壓掛在彈簧上,會有上面的效果嗎?回答也是否定的!

但是從(3)到(4)到(5)這個過程系統機械能守恆。

從(3)到(4)小孩自身不再發力,小孩在彈力和重力作用下做加速度減小加速運動,直至狀態(4)時小孩合力為零,此刻速度最大。

從(4)到(5)小孩所受彈力越來越小,做加速度增大的減速運動。

1.通過此題要注意畫圖,如何快速簡潔分段畫圖。找到臨界點。

2.謹慎判斷機械能守恆條件。

比如,人跳水,踢球等涉及人做功時要注意。

3.受力分析能力要在平時熟化練習。動態分析過程我在公眾號前面有一期有講解。

4.注意彈簧彈力求解

5.彈簧彈性勢能在高考時公式會以已知信息方式給出,注意細節。

後面兩個狀態這裡不仔細緻探討了。涉及動量守恆。

此圖來源於網絡

思考題目:

光滑水平地面上有一靜止但不固定的斜面體b ,斜面體b 表面光滑,現將一個物塊a輕輕放在b 的上端,探討:

(1)在a 下滑過程中,a 的機械能是否守恆?

(2)在a 下滑過程中,b的機械能是否守恆?

(3)在a 下滑過程中,系統的機械能是否守恆?

如果機械能不守恆,機械能有了變化,又如何求機械能的變化呢?

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