机械能守恒的条件的实质

2019-10-26 22:28:59

  在高中物理课本中,机械能守恒的条件讲得非常简单,清楚:在只有重力做功时,物体的机械能保持守恒。这还用说吗?但是在接着的后面又出现在弹簧弹力做功时,机械能也守恒。联系在一起,就是在只有重力和弹力做功时,物体的机械能保持守恒!

  这样说就正确了吗?且看事例:

  用一根弹簧,下面悬挂一重物,沿竖直方向向上(也可以向下)运动(不论是加速、匀速、减速都行),如果是弹簧的上端点不动,那么在这个过程中,重物的机械能守恒,这个没有什么可说的(实际上是由弹簧和重物组成的系统的机械能守恒)。问题是如果弹簧的上端也是在竖直方向运动的,那么,重物的机械能显然就不守恒了。如果是向上匀速运动时,其机械能是增加的!这显然与:在只有重力或弹力做功时,物体的机械能保持守恒不相符合了。

  要真正弄清机械守恒的条件,首先要弄清机械能守恒的实质。这就要首先清楚机械能的基本概念:

  机械能是物体的运动动能和重力势能、弹性势能的统称,或者说,机械能包括动能、重力势能、弹性势能。

  下面再考虑机械能守恒的条件也就比较容易了。

  在只有重力做功时,那是物体的动能与重力势能之间的转化问题,而重力势能和动能又都属于机械能,这是机械能内部形式之间的转化问题,因此,总的机械能当然守恒了。

  同样,在一端固定的弹簧、另一端固定物体(比如在固定架上固定一弹簧,下面挂起一重物,使物体在竖直方向做上下自由掉振动)时,那是重力势能、动能、弹性势能之间的转化过程,在这个过程中,同样是机械能内部之间的转化,总的机械能也是守恒的。但是如果上面的例子中,弹簧的上端是用手(或者是掛在沿竖直方向运动的升降机中)的沿竖直方向运动的,那么,在整个运动过程中,手将会对弹簧和重物组成的系统做功,系统的机械能将要变化了。如果手对系统做了正功,系统的机械能就要增加,如果是做了负功,系统的机械能就会减少,此时,系统的机械能就要变化了。在这种条件下,如果仍然简单地说:机械能守恒的条件是只有重力或弹力做功,显然就不正确了。

  那么怎样才能正确地、准确地理解机械能守恒的条件呢?

  除了上面的对机械能的理解以外,还要清楚,机械能的对象:系统!机械能守恒实际上并不是指哪个物体的机械能,而是指一个系统的机械能守恒。如果能够理解到这一点,再说机械能守恒的条件:只有重力或弹力做功,就没有什么问题了。

  另外还可以从初中课本上的功的意义上来说明:功是能量转化或转移的量度。做了多少功,就意味着有多少能量发生了转化或转移。这个功如果只是机械能之间的动能、重力势能、弹性势能之间的转化,而没有其它形式的转化,则总的机械能就守恒,如果有其它形式的能量转化,如用手向上拉时,手就对系统做正功,这个过程中就牵涉到人的化学能转化为系统的机械能了,因此系统的机械能就不再守恒。

  总之,要真正弄清一个概念,首先就要弄清这个概念的基本内容的完整性,而不是简单地记住结果。