动量守恒定律和机械能守恒定律(以下简称为“两守恒”)是自然界中的两条普遍规律,在高中物理教材中占有重要的位置。判断“两守恒”是否满足守恒的条件,是运用“两守恒”解决问题的先决条件,这是教材的重点,也是难点。运用“两守恒”解决问题,可以不必研究分析相互作用的中间过程,就能解出正确结果,所以处理复杂问题时显得简捷方便。因而学会运用“两守恒”是我们解决力学问题的一个很重要的方法。在平时的教学中,碰到较为简单的问题时,学生一般能作出正确判断和解答,造成失误。根据平时的教学经验体会,我觉得通过比较教学的方法很有效,有助于指导学生揭开复杂的表象,理清思路,掌握知识要点。下面从四个方面就此作一些初步探索。
一、注意比较“两守恒”条件的区别
根据动量定理可知,两个相互作用的物体,系统的内力不会改变它们的总动量。因为一对相互作用力大小相等、方向相反、作用时间相同,决定了这一对力的总冲量必为零。只有外力的冲量,才能改变系统的总动量。如果没有外力或合外力为零时,系统的总动量便不会改变,这是动量守恒的条件。
大家知道,系统的内力所做的总功不一定为零。所以不能把“只有内力作用”作为机械能守恒的条件。必须对内力加以甄别,当内力是滑动摩擦力时,由于总功为负,造成一部分机械能转化为内能;当内力又是爆炸力时,一部分化学能转化成机械能。总之,只要内力是耗散力一类时,就会造成系统的机械能变化。只有当内力是重力(或弹性力)做功时,才会使系统内的动能和势能相互转化。这是机械能守恒的条件。
从上述可知,机械能守恒对内力的要求是“只有重力(或弹性力)”,而动量守恒对内力没有要求,这说明机械能守恒对内力要求严于动量守恒。再看它们对外力的要求,由于有力必有冲量,有力不一定做功,所以动量守恒的条件是不能有外力作用(或合外力为零),机械能守恒却只要求外力不做功(或外力的净功为零),这说明机械能守恒对外力要求宽于动量守恒。
二、注意比较“两守恒”判定方法的不同
动量守恒在以下三种情况下适用:1、物体不受外力或所受合外力为零。如在光滑水平面上的两个物体之间发生碰撞时,它们均受重力和支持力作用,但动量守恒。2、始果系统所受合力不为零,但外力远远小于系统内物体间的相互作用力。如两辆行驶的火车在平直轨道上挂接时,虽然车与铁轨之间有摩擦力,但摩擦力较二车相撞时的作用力小得多,动量“仍”守恒。3、物体受外力作用,但在某一方向上,物体所受的合外力为零。那么,在这个方向上系统的动量守恒。
机械能守恒呢?
1、对某一系统,若只有重力或弹力做功,其它(耗散)力不做功,物体间只有动能和势能的相互转化。例如,物体作平抛运动时,物体与地球组成的系统只有重力做功,机械能守恒。2、对某一系统,若有内、外(耗散)力做功,当它们的净功为零。例如,物体沿粗糙的斜面下滑,若给物体施加一个与摩擦阻力大小相等方向相反的一个恒力,由物体在下滑过程中虽有摩擦力做功,而恒力也做功,且它们的净功为零,所以机械能是守恒的。
三、注意比较物体系选取的不同
“两守恒”的使用对象都是对物体系而言的,对于单个物体无所谓“守恒”。能否运用“两守恒”与物体系的选取有关,选取的物体系不同,得到的结果也不同。即在某一问题中,对某一物体系则满足一个守恒,不满足另一个守恒,而对另一物体系可能同时满足“两守恒”或均不满足。例如,在图1所示的装置,质量为mA的小车静止在光滑的水平面上,在小车侧固定一长为L的不可伸长的细绳悬挂一质量为mB的木块,现有一质量为mC的子弹C以速度VO水平射穿B后速度变为V,试求B向械摆动的最大高度。析这,若选B、C为物体系,子弹射穿B经历时间很短,小车来不及动,细绳仍处于竖直状态,则B、C物体系的动量守恒。(即mCVO=mCV+mBVB)而机械能却不守恒了(因一部分机械能转化为系统的内能)。当B获得速度VB后将向左减速上升,小车A加速向左,当它们具有相同速度时,B能摆到最大高度。此时若选A、B与地球为物体系,由系统的动量守恒【mBVB=(mA+mB)V′。V′为B到达最大高度时A、B的共同速度】。而物体B向左上升的过程中,绳的弹力除对B做负功外,还对A做正功,且对系统的净功为零,所以系统的机械能也是守恒的。【即: (mA+mB)V′2+mBgh= mBVB2】。
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