力学中能量守恒定律的作用与意义分析

2022-03-27 08:23:39 | 浏览次数：

摘要：针对力学中能量守恒定律的作用及意义问题，结合能量守恒的应用范围，分别对能量守恒的规律性、优越性以及高效性进行深入分析，探索能量守恒定律对我们日常生活的意义所在，使读者更好地理解能量守恒定律，同时，可以更好地应用能量守恒定律。

关键词：力学能量守恒定律规律性高效性

引言

自能量守恒定律提出以来，在我们日常的生活中就得到了广泛的应用，目前，从高中物理开始，我们就对能量守恒定律进行研究，人类对该定律的重视程度表明了该定律的重要性。^[1]为了使得能量守恒定律得到更好的应用和推广，十分有必要对该定律的作用及意义进行深入分析，因此，在本次研究中，笔者将从该定律的规律性、优越性以及高效性出发，对其作用和意义进行深入研究，为该定律的进一步推广和应用奠定基础。

一、能量守恒定律规律性分析

能量守恒定律具有很强的规律性，例如，假设存在两个物体，这两个物体的质量分别是m和M，如果使用轻绳把两者相互连接，同时，轻绳具有不可伸缩性，轻绳与物体之间的连接借助了没有摩擦力的滑轮，物体m存于斜面上，斜面与地面之间的夹角为θ，物体与斜面之间的摩擦因子为μ，物体m与物体M之间的垂直距离为h，在物体M重力的作用下，物体M会带动物体m运动，此问题最终需要对物体M落到物体m位置时所需要的速度进行求解。对于该问题，应用能量守恒定律的过程中，可以把物体与地球之间看作是一个力学范畴的系统，这个系统的内力就等于两个物体所受到的重力，系统所受到的外作用力就是物体m所受到的支撑力以及摩擦力，在两个物体运动的过程中，绳子会对物体M做负功，对物体m做正功，系统所做的总功为0，也就是整个系统可以看作是不做功。如果假设物体m所处的位置为参考面，此时，整个系统末态时的总机械能就可以用[（M+m）v²/2+mghsinθ]表示，在物体运动的过程中，机械能向内能转化了μmghcosθ，根据能量守恒中的动能定理可得Mgh=（M+m）v²/2+mghsinθ+μmghcosθ，进而可以得到物体M落到物体m位置时所需要的速度v=[2Mgh-2mgh（sinθ+μcosθ）/（M+m）]^1/2

二、能量守恒定律优越性分析

能量守恒定律也具有很强的优越性，例如，假设存在一块木板，并将其定义为A，其质量为m_A=1kg，存在一块物体，将其定义为B，其质量也为m_B=1kg，在初始时间，我们用手托住B，将A放置在位置O，并使其保持静止状态，A与B之间用绳子连接，放开B以后，B将做落体运动，同时也将带动A运动，当A的滑行距离达到s₁时，木板A达到了E点，此时在木板上放置物体C，其质量为m_C=5kg，在接下来的运动中，A与C之间也将会产生滑行，当两者之间的滑行距离达到d时，A与C将不再滑行，而是保持相对静止，最后，两者达到位置F以后两者都将停止运动，C与A以及A与桌面之间的摩擦因子都为μ，最后需要对EF之间的距离进行求解。对于此问题，我们可以首先将这些物体和地球同时看作是一个力学范畴的系统，在该系统中，外力只是A做的摩擦力功，在系统的内力中，包含B的重力功以及AC之间的摩擦力功，A与C之间的高度没有变化，即没有重力功，因此，可以将两者之间的重力功定义为0，将运动停止时物体B所处的位置作为参考面，此时，整个系统在起始位置处的机械能可以用E₁=m_Bg（s₁+s_EF）表示，在终点位置处的机械能可以用E₂=0表示，在物体运动的过程中，机械能向内能的转化量为△E=um_Ags₁+u（m_A+m_B）gs_EF+um_cgd，根据能量守恒中可以得到E₁-△E =E₂，将所有的公式进行联立就可以求得s_EF。在对该问题进行求解的过程中，物体从初始状态对终点状态过程中的机械能变化可以通过摩擦力功以及重力功的形式进行表示，因此，应用能量守恒定律就可以很好地进行求解，这表明该定律具有很强的优越性。^[3]

三、能量守恒定律高效性分析

能量守恒定律也具有很强的高效性，例如，假设存在一块木板A，将其放置于光滑的平面上，在其上方的右端放置小木块B，在外力F的作用下，A向右移动了距离s，由于受到的外力相对较小，所以A和B之间并没有产生滑动，A与B之间存在的摩擦力定义为f₁，然后对A施加的外力增大，A与B产生的滑动，滑动的距离为△s，两者之间的摩擦力增大到了f₂，在这个过程中，需要对A与B的动能增加量以及能量增加量进行求解，同时，还需要對整个系统的总功进行求解。在A受到的外力相对较小时，f₁属于静摩擦力，根据能量守恒定律可以得到B的动能增加量△E_kB=fs，A的动能增加量△E_kA=Fs-fs，整个系统的动能增加量△E_k=△E_kA+△E_kB=Fs。当A受到的外力较大时，f₂属于动摩擦力，根据能量守恒定律可以得到B的动能增加量△E_kB=f₂（s-△s），A的动能增加量△E_kA=Fs-f₂s，整个系统的动能增加量△E_k=△E_kA+△E_kB=Fs-f₂△s，进而可以得到Fs-△E_k=f₂△s。在这一系列的计算公式中，Fs就是外力对整个系统所做的功，△E_k就是整个系统的动能增加量，在两个物体运动的过程中，受到摩擦力的影响，系统的内能也会产生一定的变化，其内能的增加量可以用Fs-△E_k表示，同时，其内能的增加量也等于f₂△s。摩擦力对B所做的功属于正功，其为f₂（s-△s），对A所做的功属于负功，其为-f₂s，总的内能变化就为W_f=f₂（s-△s）-f₂s=-f₂△s。通过对该问题进行深入分析可以发现，外力对系统做的功就是系统与外界之间的能量交换，机械能的变化量主要受到了摩擦力功以及物体位置变化的影响。该问题本身属于一项相对较为复杂的问题，应用能量守恒定律可以使得问题简单化，进而使得求解过程更加高效。