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能量守恒定律|能的转化与守恒定律

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能的转化与守恒定律是一个博大精深的定律,它不仅仅适用于力学,也适用于电磁学、原子物理学、光学、机械振动等领域。本文主要从能量守恒定律的内容,与其他定理定律关系来进行分析。

能量守恒定律内容

能量守恒定律也称能的转化与守恒定律。

其内容:能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种形式转化为其他形式,或者从一个物体转移到另一个物体;在转化或转移的过程中,能量的总量不变。

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,要搞明白咱们主要研究哪些能量呢?

从解高中物理题的角度来分析,我们主要分析的是这五种形式的能量:

动能弹性势能重力势能内能电势能

注:内能包括摩擦生热焦耳热两种形式,高中不考磁能。动能、弹性势能、重力势能这三种形式能量之和称之为机械能。

当然,上述五种形式的能量,是力学与电磁学常考到的。

选修内容中的机械振动也是具有能量的,还有光子能量,核能等等,这些都不在本文讨论范围内,不过同学们需要知道,光电效应方程波尔能级方程也都是能量守恒定律的推导。

能量守恒定律的公式

E1=E2

即,初始态的总能量,等于末态的总能量。

或者说,能量守恒定律,就是说上文提到的五种形式的能量之和是恒定的。

能量守恒定律

机械能守恒定律与能量守恒定律关系

机械能守恒定律是能的转化与守恒定律的特殊形式。两者大多都是针对系统进行分析的。

(1)在只有重力、弹力做功时,系统对应的只有动能、弹簧弹性势能、重力势能三种形式能量之间的变化。

(2)在有重力、弹簧弹力、静电场力、摩擦力、安培力等等,众多形式的力做功时,系统对应的有动能、弹簧弹性势能、重力势能、电势能、摩擦热、焦耳热等等众多形式的能量变化,而这些能量也是守恒的。

从上述对比中不难看出,机械能守恒是能量守恒的一种特例。

因此,在熟练掌握能的转化与守恒定律内容的基础上,我们可以使用能量守恒来解决机械能守恒的问题。

或者说,能量守恒掌握的非常棒了,我们就可以把机械能守恒忘掉了。

能量守恒定律的前提条件

问:什么情况下能用能量守恒定律解题? 

王尚老师:下面的回答,我们是建立在解物理题技巧的基础上的。

系统的能量,未必什么时候都守恒。当我们研究的系统,外界的力并没有对其做功(或外界力做功代数和为零),且没有其他能量导入这个系统时(即没有热交换),系统的总能量(各种形式能量和)是守恒的,这种情况下,我们才可以使用能量守恒定律解题。这时,系统内的能量,只是内部各组成部分能量的转移,或不同能量形式间的转化。

举个例子,牛顿第二定律验证实验中,小车及其装载的砝码,能量就不守恒。因为外界的拉力(托盘和砝码提供)在对这个系统做功,让其能量增加。

补充一句,在上述案例中,如果你认为拉力做的功,属于能量的注入,等于系统能量的增加量,也是可以的,这当然也算是能量守恒定律的推广式了。

能量守恒定律

能量守恒定律的推导

便于同学们更为深入的理解能量守恒,我们布置两道作业题,有兴趣的同学可以课下自己推导下。

(1)系统内存有摩擦力做功的能量守恒定律的推导过程

(2)安培力做功的能量守恒定律推导过程

推导过程链接http://gaozhongwuli.com/zongjie/kaodian/480427.html

能量守恒定律、动能定理与机械能守恒定律的解题使用

下面我把与能量守恒定律相关的公式(动能定理、机械能守恒)在解物理题题中的技巧,或者说,遇到问题的第一切入点进行系统的整理。如下:

(1)单独一个物体,或多个物体组成的整体(彼此没有相对运动)二话不说就先尝试动能定理。(注意动能定理的第二表达式,各个力做功代数和等于动能改变量,考这个公式的题更多。)

(2)题中有多个物体的运动过程,且满足只有重力、弹力做功,大部分情况下在考机械能守恒定律。

(3)摩擦力出现,一般否掉机械能守恒定律,考的十之八九是动能定理。要是设计多个物体,比如某个物块冲上木板车,还可能考能量守恒定律。

(4)常见的能量有五种,动能+重力势能+弹性势能+内能(摩擦热与焦耳热)+电势能。对高一学生而言,电势能还没学;原文作者王尚老师。能量守恒的表达式,就是这五种形式能量加起来是不变的。

(5)出现时间t和加速度a的问题,大多题,既不是考动能定理,也不是考机械能守恒,而是在考察牛顿动力学(牛二定律+直线运动三方程)。

(6)摩擦生热的公式是Q=μN△x,△x指的是相对位移。这个是Q的定义式,考试可以直接用。用在哪里?当然是能量守恒定律啦。

以上六句话,不是看了就理解的,就记住了,就会用了。搞懂这些,需要同学们课下好好品味下。而且,这些要点,还会延续、贯穿整个高考物理重要模块,特别是高二上学期要学到的静电场、磁场、电磁感应与交流电。

能量守恒定律的一些现象解释

(1)自然界中不同的能量形式与不同的运动形式相对应:物体运动具有机械能、分子运动具有内能、电荷

一种永动机的运动具有电能、原子核内部的运动具有原子能等等。

(2)不同形式的能量之间可以相互转化:“摩擦生热是通过克服摩擦做功将机械能转化为内能;水壶中的水沸腾时水蒸气对壶盖做功将壶盖顶起,表明内能转化为机械能;电流通过电热丝做功可将电能转化为内能等等”。这些实例说明了不同形式的能量之间可以相互转化,且是通过做功来完成的这一转化过程。

(3)某种形式的能减少,一定有其他形式的能增加,且减少量和增加量一定相等.某个物体的能量减少,一定存在其他物体的能量增加,且减少量和增加量一定相等。

能量守恒定律的重要意义

能量守恒定律,是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。从物理、化学到地质、生物,大到宇宙天体。小到原子核内部,只要有能量转化,就一定服从能量守恒定律。

从日常生活到科学研究、工程技术,这一规律都发挥着重要的作用。人类对各种能量,如煤、石油等燃料以及水能、风能、核能等的利用,都是通过能量转化来实现的。

能量守恒定律是人们认识自然和利用自然的有力武器。

力、功、能的关系

通过上文的分析,我们能更深入的理解能的转化与守恒定律。力与功、能息息相关。

各种不同的力,通过做功的过程,可以改变系统内不同形式的能量的大小。

功与能之间的关系还需要进一步通过这篇文章来理解。

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高考物理20个必考点:http://gaozhongwuli.com/zongjie/kaodian/32195.html

机械能守恒定律:http://gaozhongwuli.com/zongjie/kaodian/43172.html

动能定理的推导过程:http://gaozhongwuli.com/zongjie/kaodian/43171.html

功能关系:http://gaozhongwuli.com/zongjie/kaodian/43174.html

参与本文编辑与修改的作者们

物理网A组王尚,小泽,小宁;物理网B组苏阳;物理网D组老高。

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