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能的轉化與守恆定律是一個博大精深的定律,它不僅僅適用於力學,也適用於電磁學、原子物理學、光學、機械振動等領域。本文主要從能量守恆定律的內容,與其他定理定律關係來進行分析。
能量守恆定律內容
能量守恆定律也稱能的轉化與守恆定律。
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。
高中物理都研究了哪些形式的能量?
研究能量守恆定律,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:內能包括摩擦生熱與焦耳熱兩種形式,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。
能量守恆定律的公式
E1=E2
即,初始態的總能量,等於末態的總能量。
或者說,能量守恆定律,就是說上文提到的五種形式的能量之和是恆定的。
機械能守恆定律與能量守恆定律關係
機械能守恆定律是能的轉化與守恆定律的特殊形式。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,而這些能量也是守恆的。
從上述對比中不難看出,機械能守恆是能量守恆的一種特例。
因此,在熟練掌握能的轉化與守恆定律內容的基礎上,我們可以使用能量守恆來解決機械能守恆的問題。
或者說,能量守恆掌握的非常棒了,我們就可以把機械能守恆忘掉了。
能量守恆定律的前提條件
問:什麼情況下能用能量守恆定律解題?
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,未必什麼時候都守恆。當我們研究的系統,外界的力並沒有對其做功(或外界力做功代數和為零),且沒有其他能量匯入這個系統時(即沒有熱交換),系統的總能量(各種形式能量和)是守恆的,這種情況下,我們才可以使用能量守恆定律解題。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,能量就不守恆。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,屬於能量的注入,等於系統能量的增加量,也是可以的,這當然也算是能量守恆定律的推廣式了。
能量守恆定律的推導
便於同學們更為深入的理解能量守恆,我們佈置兩道作業題,有興趣的同學可以課下自己推導下。
(1)系統記憶體有摩擦力做功的能量守恆定律的推導過程
(2)安培力做功的能量守恆定律推導過程
能量守恆定律、動能定理與機械能守恆定律的解題使用
下面我把與能量守恆定律相關的公式(動能定理、機械能守恆)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)二話不說就先嚐試動能定理。(注意動能定理的第二表示式,各個力做功代數和等於動能改變數,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恆定律。
(3)摩擦力出現,一般否掉機械能守恆定律,考的十之八九是動能定理。要是設計多個物體,比如某個物塊衝上木板車,還可能考能量守恆定律。
(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。能量守恆的表示式,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,也不是考機械能守恆,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。用在哪裡?當然是能量守恆定律啦。
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組,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。
能量守恆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:“摩擦生熱是透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;電流透過電熱絲做功可將電能轉化為內能等等”。這些例項說明了不同形式的能量之間可以相互轉化,且是透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。
能量守恆定律的重要意義
能量守恆定律,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,就一定服從能量守恆定律。
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,都是透過能量轉化來實現的。
能量守恆定律是人們認識自然和利用自然的有力武器。
力、功、能的關係
透過上文的分析,我們能更深入的理解能的轉化與守恆定律。力與功、能息息相關。
各種不同的力,透過做功的過程,可以改變系統內不同形式的能量的大小。
功與能之間的關係還需要進一步透過這篇文章來理解。
能量守恆定律學習問題與王尚老師回覆
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影片中為了講題進度,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麼時候用動能定理,什麼時候用機械能守恆?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恆做的,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、機械能守恆定律與能量守恆,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)二話不說就先嚐試動能定理。(注意動能定理的第二表示式,各個力做功代數和等於動能改變數,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恆定律。
(3)摩擦力出現,一般否掉機械能守恆定律,這道題考的十之八九是動能定理。要是設計多個物體,比如某個物塊衝上木板車,還可能配合能量守恆定律來求解。
(4)常見的能量有五種,這篇文章有詳細介紹,這裡做一個列舉: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。能量守恆的表示式,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,也不是考機械能守恆,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恆定律方程,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,能量守恆定律。因為此時機械能不守恆,摩擦生熱對應的是內能,動能定理不包括這個因子。
參與本文編輯與修改的作者們
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3 # 物理看世界老木同學
能量只能轉移,而不會消失,其實同理物質不滅,只是互相轉化,並不會消失。
那麼說運動消耗,從兩方面來說,一方面是能量損耗,一方面是不穩定物質轉化成另一種穩定物質。運動會產生機械能,這些機械能可以做工,如果沒有做工也會有損耗,摩擦生熱,如果移動物體,會轉換成被移動物體的勢能。物質間轉化就是一種不穩定物質容易產生化學反應釋放能量,但是釋放出能量後還會生成一種新的物質,這個新的物質也是含有能量的,只不過新的物質可能比較穩定。在轉換過程中可能放熱,也可能吸熱。
當然如果只是自己跑了一圈,消耗的能量也會在周圍轉化成其他能量。最首先熱能,運動會熱,會排汗散發在空氣裡。其次運動產生肌肉,普通脂肪含有能量是沒有肌肉多的。還有運動會加速新陳代謝,這些都需要能量。
回覆列表
把自身看成一個物體,你在運動過程當中給自己產生的動能,你感覺到熱,散發的熱能,這些都是能量的轉化和轉移。
能量守恆有一個最基本的前提條件就是你要選定你研究的系統。在一個系統裡守恆,而不是廣泛意義的守恆。當然,如果你把宇宙看成一個系統,能量也是守恆的。