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高中物理功动能的相对性的探讨

时间:2015-5-29栏目:物理论文

  高中物理功动能的相对性的探讨

  晏小华

  (四川省成都市第四十九中学校)

  摘 要:功和动能之间虽然有一定的差距,但两者相互联系,相互促进,若一方面对质点做了功,质点动能则会发生相应的变化,且动能变化量与合力做的功是对等的,两者具有相对性。

  关键词:高中物理;功;动能;相对性

  随着新课改的大力实施,传统的教学模式已不能满足现代化教学的需求,这就对教育工作者的教学方法提出了更高的要求。高中物理教师应在深入钻研教材内容的基础上,全面掌握教材内容中的实质联系,明确事物之间的相对关系,培养学生举一反三、融会贯通的学习能力,进而提升物理教学效率。在这一背景下,深入探讨高中物理中功、动能的相对性势在必行,且具有十分重要的作用和意义。

  一、功的相对性

  (一)相关概述

  1.功的概念

  如果一个物体受到力的作用,且在力的方向上发生一定距离的位移,就可以说这个力对物体做了功。做功有两个不能缺少的条件:一是受到力的作用,二是在力的方向上发生位移。

  2.功的计算式

  功的计算式为:W=Fscosα。将力的大小、位移的大小、力和位移的夹角的余弦三者相乘,可得力对物体所做的功的大小。

  3.功的单位

  在国际单位制中,功的单位为焦耳(J),简称焦。即1J是指物体受到1N的力作用,在力的方向上发生了1m的位移,在这一过程中力对物体所做的功。

  (二)功与冲量的比较

  一方面,功和冲量都属于过程量,功主要用来表示空间上力的积累效果,而冲量是用来表示力在时间上的积累效果;另一方面,功是标量,正表示动力对物体做功,负则表示物体在克服阻力时所做的功。而冲量是矢量,正、负号都表示方向,物理学中在计算冲量时,应首先规定正方向;除此之外,做功多少直接由位移、力的大小及位移夹角来决定。冲量的大小由时间和力的大小来决定。结合功的定义可得,功是力、力的方向上发生位移的乘积。然而,在力的实际应用中,学生往往会混淆这一概念。

  例如,将木块A叠放在木块B的左上方,采用恒力F将木块A拉至木块B的右端,第一次将木块B固定于地面上,F做功为W1;第二次,木块B在光滑水平面上滑动,F做功为W2,比较两次做功应有()。

  A.W1<W2 B.W1>W2

  C.W1=W2 D.无法比较

  由题意可知,第一次物体B静止时拉力F做功为W1,这是将静止不动的地面作为参照物,其第二次做功为W2,仍旧是相对于静止的地面来说的。两次过程中物体B都是将地面作为参照物,且拉力相同,因此需根据物体的位移对功的大小进行判断,即W1<W2。部分学生将B作为参照物,认为相对于物体B而言,物体A两次的位移相等,因此做功相等,于是选择答案C。但是要比较两次做功的大小,参照物就应当相同。而第一次物体B静止,第二次物体B运动,这并不属于同一个参照物,因此不能将物体B作为参照物比较功的大小。

  由此可见,功具有相对性。

  二、动能的相对性

  (一)相关概述

  1.动能的概念

  物体在运动过程中产生的能量,称为物体的动能。动能的大小定义为物体质量与速度平方乘积的二分之一。因此,若物体质量相同,则运动速度越大,动能越大;若物体运动速度相同,则质量越大,其动能就越大。

  2.动能的表达式及意义

  动能是标量,没有方向只有大小,恒为正值。动能的变化属于过程量,且动能具有相对性,动能的值与参考系的选取相关,一般选择地面作为参考系。动能的表达式为:Ek=1/2mv2。即物体的动能等于物体质量与速度平方乘积的二分之一。

  3.动能的单位

  在国际单位制中,动能单位为kg·m2/s2,是由动能的质量单位与速度单位确定的。

  4.动能的特点

  由于在某一个时刻,物体在运动的过程中具有一定的速度,因此动能具有瞬时性。同时,对于不同的参考系,物体的运动速度有不同的瞬时值,因此具有相对性。在动能的定理中,物体的位移、始末动能都必须相对于同一参照系。在一般情况下,将地面作为参考系对物体的运动进行研究。且动能定理研究的对象通常是单一的物体,或者可以将其看作单一物体的物体系。在对动能进行计算时,力可以是分段作用,也可以是同时作用,只需求出各个力的正负代数和。

  (二)动能的相对性

  在高中物理课堂上,一般将地球作为参照系建立动能定理。如果选择其他参照系,则物体的位移数值与速度数值都会产生变化,并且与速度、位移相关的功、动能都会产生变化。由于物体运动的速度具有相对性,且跟参照物的选取相关,因此,动能无疑与参照物的选取有关,由此可见,动能具有相对性。我在讲授该内容时,曾有学生提出问题,“既然动能具有相对性,那么同步卫星与地球处于相同的角速度,好像在地球赤道平面的正上方静止不动,那么相对于地球而言,同步卫星是否具有动能?”要回答这个问题,则首先需要对同步卫星的高度以及地球的半径这两个常量进行了解。已知,同步卫星的运行周期是24h。经过计算,得知同步卫星高度与地球半径分别约为3.6×104km与6.4×103km。可以发现,同步卫星的高度约为地球半径的5.6倍。由于同步卫星的角速度与地球的角速度相同,但是线速度不同,地球自转的线速度约为465m/s,而同步卫星的线速度约为赤道上地球自转线速度的6.6倍,因此其线速度约为3069m/s。假设同步卫星的质量为x,在计算过程中如果不对地球自转的影响进行考虑,则同步卫星的动能则可计算为:Ek=1/2mv2=4.7x×106J。但是如果将地球作为参照物,则应当在计算过程中将地球自转的影响进行综合考虑,此时同步卫星的线速度(v同=5.6v自),相对于地球的线速度而言,同步卫星的线速度约为2604m/s。在这一情况下,同步卫星相对于地球所具备的动能为:Ek=1/2mv2=2.1x×106J。由此可知,当参照物选取的物体不同,其动能也不相同。

  综上所述,功和动能具有相对性,这就要求在将两者进行对比时,应分别针对不同物体的功和动能进行对比,且应选择相同的参照物。在这一条件下,功和动能的对比才有实际意义。

  参考文献:

  魏仁凤。高中物理功、动能的相对性的探讨[J]。读写算:教研版,2013(11)。

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