高中物理的学习中会有很多关于守恒的定律,下面学习啦的小编将为大家带来能量守恒的定律介绍,希望能够帮助到大家。
高中物理的能量守恒定律介绍
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。
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:内能包括摩擦生热与焦耳热两种形式,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,光电效应方程与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。
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?
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
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。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。
高中物理动量守恒定律的知识点
动量守恒定律的内容
如果一个系统不受外力或所受外力的矢量和为零,那么这个系统的总动量保持不变,这个结论叫做动量守恒定律。
还可以表述为,当没有外界的力作用时,系统内部不同物体间动量相互交换,但总动量之和为固定值。
动量守恒定律是自然界中最重要最普遍的守恒定律之一,它既适用于宏观物体,也适用于微观粒子;既适用于低速运动物体,也适用于高速运动物体。
提醒同学们,动量也是矢量。如静止的铀核发生α衰变,反冲核和α粒子的动量的动量变化大小相同,方向相反,动量变化的矢量和是零,但两个动量在数量上都增大了。
动量守恒定律的公式
基本公式:m1v1+m2v2= m1v1′+m2v2′;此公式为两个物体动量守恒的表达式,多个物体碰撞可以写成:
m1v1+m2v2+……= m1v1′+m2v2′ +……
公式还可以写成p1+p2=p1′+p2′,或者Δp1+Δp2=0,Δp1=-Δp2(动量变化量守恒)
下面,我们来探究动量守恒定律的条件是什么?
动量守恒定律的条件
用一句话来说动量守恒的前提条件:在规定的方向上,系统不受“外力”。
这句话共有三个要素:1方向;2系统;3外力。
(1)关于方向的说明:
在探究动量是否守恒的时候,要首先明确方向,一般规定碰撞或运动所在的直线对应的方向(正负两个方向均可)。
(2)对“外力”的理解:
这个“外力”指的是“外界的力”,与研究系统内部的力无关,什么是内部的力呢?举个例子,比如两个人在理想冰面互推的“推力”,等等。而外力呢?对于这两个人来说,墙给某个人的力就是(这个系统)外界的力。
(3)系统的说明:
使用动量守恒定律,必须是两个或两个以上的物体构成的系统,或者爆破为两个物体的整体。总之一句话,我们研究动量的对象是多个物体组成的系统。
(4)需要记忆的动量守恒定律模型:
给大家一个总结:“光滑面两球相撞”、“冰面互推”、“两个弹簧链接的物体”、“斜面上滑动小物块”、“子弹射入木块”、“火箭发射”、“人在船面上走动”、“二起脚空中爆破”、“粒子裂变”等。
严格意义上来说,动量守恒定律的条件有如下四个,满足其中之一系统动量守恒:
(1)系统不受外力或者所受外力之和为零;
(2)系统受外力,但外力远小于内力,可以忽略不计;(子弹打木块、列车撞接等。)
(3)系统在某一个方向上所受的合外力为零,则该方向上满足动量守恒定律。(物块沿斜面下滑不计任何摩擦力时,水平方向动量守恒。)
(4)全过程的某一阶段系统受的合外力为零,则该阶段系统满足动量守恒定律。
如果你仔细研究的话,就会发现,这句话:在规定的方向上,系统不受“外力”,对动量守恒定律前提条件的总结很到位吧。
关于动量是否守恒的一个思考题
如图所示,质量分别为m和2m的物体A与B中间用弹簧连接(焊接),放置于光滑地面的墙角处,用力把B向左推,使得弹簧具有E的弹性势能,并保持B处于静止,然后撤去外力,问A离开墙后弹簧所具有的最大弹性势能为多少?
大家可以做一下这个题。在解决这个问题的时候,首先要高明白的就是,在各个运动过程中,动量是否守恒?
推论:质点系的内力不能改变质心的运动状态
动量问题是力学的重要难点之一。
动量守恒还有一个推论:一个质点系的内力不能改变质心的运动状态。这个推论包含如下的三层含义:
(1)若一个质点系的质点原来是不动的,那么在无外力作用的条件下,这个质心的位置不变。
(2)若一个质点系的质心原来是运动的,那么在无外力作用的条件下,这个质点系的质心将以原来的速度做匀速直线运动。
(3)若一个质点在某一外力作用下做某种运动,那么内力不改变质心的这种运动,比如原某以物体做抛体运动时,突然炸成两块,那么这两块物体的质心仍然继续做原来的抛体运动。这种情况就是导弹在空中爆破的动力学分析问题了。
系统质心位置不变的问题,常考的是船在水中,人在船上走的运动模型。同学们可以结合一些题,来验证上述结论。
弹性碰撞的结论
碰撞的问题总是用动量守恒定律来解决。在很多考题中,我们总是会遇到弹性碰撞的概念。
什么是弹性碰撞呢?弹性碰撞指的是两个物体碰撞过程中没有能量损失的碰撞过程。这样的碰撞实际上是一种理想模型。
弹性碰撞中满足机械能守恒(水平面内重力势能没有改变即简化为动能守恒),也满足动量守恒,其结论我们整理如下:
上述的结论,我们物理网的编辑并不建议同学们记住。不过是怎么推导过来的,用的是哪些方程,同学们要牢记。
动量守恒定律实验
当系统不受外力或所受合外力为零时,系统的动量守恒,但在处理碰撞一类的问题时,也认为系统的动量守恒,因为在此过程中,虽然系统所受合外力不为零,但此时系统内力远大于系统的外力,外力可忽略,近似认为系统动量守恒,这种做法是否正确,尚需进一步的实践证明,下面我们用实验来研究这个问题:动量守恒定律实验的验证。
动量守恒定律实验实验原理
验证公式:m1·OP=m1·OM +m2·ON
验证公式的推导过程;即为什么上述式子成立就说明系统的动量守恒了。下面是具体的推导过程。
让质量较大的小球m1从斜槽上滚下,与放在斜槽末端的质量较小的小球m2发生正碰,碰前m1的入射速度为υ1,两球总动量为m1υ1.碰撞后,入射小球m1的速度为υ1′,被碰小球m2的速度为υ2′,两球总动量为队m1υ1′+m2υ2′,根据动量守恒定律,应有
m1υ1=m1υ1+m2υ2
如果测出两球的质量m1和m2及两球在碰撞前后的速度υ1、υ1′、υ2′,代入上式,就可以验证动量是否守恒.
用天平可测出两球质量m1、m2.
用平抛运动知识可以测出其速度:因它们下落的高度相同,故飞行时间相同,设为t,则它们飞行的水平距离s=υt,在图中有
OP=υ1t……① OM=υ1′t ……② ON=υ2′t ……③
如果实验中测得的m1、m2,OP、OM、ON满足关系
m1·OP=m1·OM +m2·ON
把①②③代入上式后消去t可得到mυ1= m1υ1′+ m2υ2′
就验证了动量守恒定律。
其中,公式m1·OP=m1·OM +m2·ON使我们要验证的主要公式。
动量守恒定律实验注意事项
多次测量确定小球平均落点的方法
(1)先不放上被碰小球,让入射小球从斜槽上某一高度处滚下,重复10次,用尽可能小的圆把所有小球落点圈在里面,圆心P(如图8.6-1所示)就是小球落点的平均位置;
(2)把被碰小球放在斜槽前端边缘处,让入射小球从原来的高度滚下,使它们发生碰撞,重复10次,用上述方法找出碰后入射球平均落点位置M和被碰小球平均落点位置N;
(3)要调节好实验装置,使固定在桌边的斜槽末端点的切线水平,使小支柱与槽口间距离等于小球直径,而且两球相碰时处在同一高度,碰撞后的速度方向在同一直线上;
(4)应使入射小球的质量大于被碰小球的质量;
(5)应使入射小球每次从槽上相同位置由静止滚下.可在斜槽上适当高度处固定一挡板,使小球靠着挡板,然后释放小球;
(6)白纸铺好后不能移动。