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能量守恒定律|能的轉化與守恒定律

王尚老師微信

能的轉化與守恒定律是一個博大精深的定律,它不僅僅適用于力學,也適用于電磁學、原子物理學、光學、機械振動等領域。本文主要從能量守恒定律的內容,與其他定理定律關系來進行分析。

能量守恒定律內容

能量守恒定律也稱能的轉化與守恒定律。

其內容:能量既不會憑空產生,也不會憑空消失,它只能從一種形式轉化為其他形式,或者從一個物體轉移到另一個物體;在轉化或轉移的過程中,能量的總量不變。

能量守恒定律

 

高中物理都研究了哪些形式的能量?

研究能量守恒定律,要搞明白咱們主要研究哪些能量呢?

從解高中物理題的角度來分析,我們主要分析的是這五種形式的能量:

動能彈性勢能重力勢能內能、電勢能。

注:內能包括摩擦生熱焦耳熱兩種形式,高中不考磁能。動能、彈性勢能、重力勢能這三種形式能量之和稱之為機械能。

當然,上述五種形式的能量,是力學與電磁學常考到的。

選修內容中的機械振動也是具有能量的,還有光子能量,核能等等,這些都不在本文討論范圍內,不過同學們需要知道,光電效應方程波爾能級方程也都是能量守恒定律的推導。

能量守恒定律的公式

E1=E2

即,初始態的總能量,等于末態的總能量。

或者說,能量守恒定律,就是說上文提到的五種形式的能量之和是恒定的。

能量守恒定律

機械能守恒定律與能量守恒定律關系

機械能守恒定律是能的轉化與守恒定律的特殊形式。兩者大多都是針對系統進行分析的。

(1)在只有重力、彈力做功時,系統對應的只有動能、彈簧彈性勢能、重力勢能三種形式能量之間的變化。

(2)在有重力、彈簧彈力、靜電場力、摩擦力、安培力等等,眾多形式的力做功時,系統對應的有動能、彈簧彈性勢能、重力勢能、電勢能、摩擦熱、焦耳熱等等眾多形式的能量變化,而這些能量也是守恒的。

從上述對比中不難看出,機械能守恒是能量守恒的一種特例。

因此,在熟練掌握能的轉化與守恒定律內容的基礎上,我們可以使用能量守恒來解決機械能守恒的問題。

或者說,能量守恒掌握的非常棒了,我們就可以把機械能守恒忘掉了。

能量守恒定律的前提條件

問:什么情況下能用能量守恒定律解題? 

王尚老師:下面的回答,我們是建立在解物理題技巧的基礎上的。

系統的能量,未必什么時候都守恒。當我們研究的系統,外界的力并沒有對其做功(或外界力做功代數和為零),且沒有其他能量導入這個系統時(即沒有熱交換),系統的總能量(各種形式能量和)是守恒的,這種情況下,我們才可以使用能量守恒定律解題。這時,系統內的能量,只是內部各組成部分能量的轉移,或不同能量形式間的轉化。

舉個例子,牛頓第二定律驗證實驗中,小車及其裝載的砝碼,能量就不守恒。因為外界的拉力(托盤和砝碼提供)在對這個系統做功,讓其能量增加。

補充一句,在上述案例中,如果你認為拉力做的功,屬于能量的注入,等于系統能量的增加量,也是可以的,這當然也算是能量守恒定律的推廣式了。

能量守恒定律

能量守恒定律的推導

便于同學們更為深入的理解能量守恒,我們布置兩道作業題,有興趣的同學可以課下自己推導下。

(1)系統內存有摩擦力做功的能量守恒定律的推導過程

(2)安培力做功的能量守恒定律推導過程

推導過程鏈接http://www.n8178.com/zongjie/kaodian/480427.html

能量守恒定律、動能定理與機械能守恒定律的解題使用

下面我把與能量守恒定律相關的公式(動能定理、機械能守恒)在解物理題題中的技巧,或者說,遇到問題的第一切入點進行系統的整理。如下:

(1)單獨一個物體,或多個物體組成的整體(彼此沒有相對運動)二話不說就先嘗試動能定理。(注意動能定理的第二表達式,各個力做功代數和等于動能改變量,考這個公式的題更多。)

(2)題中有多個物體的運動過程,且滿足只有重力、彈力做功,大部分情況下在考機械能守恒定律。

(3)摩擦力出現,一般否掉機械能守恒定律,考的十之八九是動能定理。要是設計多個物體,比如某個物塊沖上木板車,還可能考能量守恒定律。

(4)常見的能量有五種,動能+重力勢能+彈性勢能+內能(摩擦熱與焦耳熱)+電勢能。對高一學生而言,電勢能還沒學;原文作者王尚老師。能量守恒的表達式,就是這五種形式能量加起來是不變的。

(5)出現時間t和加速度a的問題,大多題,既不是考動能定理,也不是考機械能守恒,而是在考察牛頓動力學(牛二定律+直線運動三方程)。

(6)摩擦生熱的公式是Q=μN△x,△x指的是相對位移。這個是Q的定義式,考試可以直接用。用在哪里?當然是能量守恒定律啦。

以上六句話,不是看了就理解的,就記住了,就會用了。搞懂這些,需要同學們課下好好品味下。而且,這些要點,還會延續、貫穿整個高考物理重要模塊,特別是高二上學期要學到的靜電場、磁場、電磁感應與交流電。

能量守恒定律的一些現象解釋

(1)自然界中不同的能量形式與不同的運動形式相對應:物體運動具有機械能、分子運動具有內能、電荷的運動具有電能、原子核內部的運動具有原子能等等。

(2)不同形式的能量之間可以相互轉化:“摩擦生熱是通過克服摩擦做功將機械能轉化為內能;水壺中的水沸騰時水蒸氣對壺蓋做功將壺蓋頂起,表明內能轉化為機械能;電流通過電熱絲做功可將電能轉化為內能等等”。這些實例說明了不同形式的能量之間可以相互轉化,且是通過做功來完成的這一轉化過程。

(3)某種形式的能減少,一定有其他形式的能增加,且減少量和增加量一定相等.某個物體的能量減少,一定存在其他物體的能量增加,且減少量和增加量一定相等。

能量守恒定律的重要意義

能量守恒定律,是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。從物理、化學到地質、生物,大到宇宙天體。小到原子核內部,只要有能量轉化,就一定服從能量守恒定律。

從日常生活到科學研究、工程技術,這一規律都發揮著重要的作用。人類對各種能量,如煤、石油等燃料以及水能、風能、核能等的利用,都是通過能量轉化來實現的。

能量守恒定律是人們認識自然和利用自然的有力武器。

力、功、能的關系

通過上文的分析,我們能更深入的理解能的轉化與守恒定律。力與功、能息息相關。

各種不同的力,通過做功的過程,可以改變系統內不同形式的能量的大小。

功與能之間的關系還需要進一步通過這篇文章來理解。

能量守恒定律學習問題與王尚老師回復

王尚老師答疑

學生問題:王尚老師您好,我看您的視頻講解中提到,動能定理、機械能守恒、能量守恒定律都成立的時候,優先考慮動能定理,這是為什么呢?

王尚老師:這個問題你題的很好,確實很值得進一步探究。在我的物理自診斷配套視頻中為了講題進度,僅僅是說了結論。遇到物理題,特別是比較綜合的解答題,很多同學分不清楚什么時候用動能定理,什么時候用機械能守恒?到底如何抉擇呢?王尚老師的這篇文章是您需要仔細揣摩的。當然啦,有時候我們的物理考卷上一道題既可用機械能守恒做的,也能用動能定理來做。如果都成立,我個人還是喜歡用動能定理,這是因為動能定理不用規定零勢能面,少一個步驟,節省了書寫漢字的十幾秒鐘時間。動能定理、機械能守恒定律與能量守恒,在解題上的選擇:

(1)單獨一個物體,或多個物體組成的整體(彼此沒有相對運動)二話不說就先嘗試動能定理。(注意動能定理的第二表達式,各個力做功代數和等于動能改變量,考這個公式的題更多。)

(2)如果物理考題中有多個物體(含彈簧)的運動過程,且滿足只有重力、彈力做功,大部分情況下在考機械能守恒定律。

(3)摩擦力出現,一般否掉機械能守恒定律,這道題考的十之八九是動能定理。要是設計多個物體,比如某個物塊沖上木板車,還可能配合能量守恒定律來求解。

(4)常見的能量有五種,這篇文章有詳細介紹,這里做一個列舉:動能+重力勢能+彈性勢能+內能(包括兩類:摩擦熱與焦耳熱)+電勢能。對高一學生而言,電勢能還沒學;原文作者王尚老師。能量守恒的表達式,就是這五種形式能量加起來是不變的。

(5)如果一道力學綜合題中,出現時間t和加速度a的問題,這類題十之八九不是考動能定理,也不是考機械能守恒,而是在考察牛頓動力學(牛二定律+直線運動三方程)。當然了,輔助去列動能定理或機械能守恒定律方程,也是可以的。

(6)摩擦生熱的公式是Q=μN△x,△x指的是相對位移。這個是Q的定義式,考試可以直接用。用摩擦生熱的方程,能量守恒定律。因為此時機械能不守恒,摩擦生熱對應的是內能,動能定理不包括這個因子。

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參與本文編輯與修改的作者們

作者:王尚,責任編輯:齊思源,蘇陽。版權歸屬高中物理網(www.n8178.com),禁止轉載。

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