摘要：机械能守恒定律是高中物理学中的重要定律。机械能守恒思想它也是高中生在解答物理问题时常用的一种解题思想。本文从机械能的定义与机械能守恒定律入手，对与之相关的直、曲线运动机械能守恒分析问题与电场或磁场参与的运动问题进行了探究。
关键词：机械能守恒定律；高中物理学；微粒运动
前言：机械能守恒定律对物理学的发展有着积极的促进作用。它是能量守恒在力学领域的反映。对于高中生而言，与机械能守恒定律有关的内容是我们日常学习中经常遇到的问题。对机械能守恒定律在高中物理学中的适用范围进行探究，可以让我们更好地了解与机械能守恒定律有关的知识。
一、相关理论概述
1.1机械能的定义
根据高中物理教材的相关内容。机械能主要由重力势能和弹性是能构成。其中，弹性势能多用于指代发生弹性形变的物体各部分之间在弹力相互作用下所具有的势能。重力势能是物体被举高以后所具有的能[1]。
1.2机械能守恒定律
机械能守恒定律与物体在重力场中运动时的动能与势能有关。根据高中物理教材的相关内容，物体在不受其他外力作用时或者是对物体做功时的力只有重力或视力。物体的重力势能和弹性是能虽然会出现相互转化，但是机械能的总量始终保持不变。
二、直、曲线运动机械能守恒分析
2.1普通的直线运动
就我们在高中阶段接触到的物理知识而言，匀变速直线运动可以被看作是普通直线运动的代表因素。在匀变速直线运动中，物体的加速度始终保持不变，速度变化与时间之间存在正相关关系；位移变化与时间之间也可以呈现出正相关关系。根据我们在高中物理课堂上掌握的知识，力学领域的守恒定律主要涉及到了以下内容：一是，动量守恒定律；二是能量转换与守恒定律；三是角动量守恒定律。普通直线运动过程可以被看作是质点的运动过程。通过对一个质点在运动过程中所受的合外力进行分析，作用于物体之上的合外力的冲量与物体动量的增量之间具有一致性，故而质点的动量定理验证了普通直线运动中的机械能守恒。在普通的直线运动模式下，分布于孤立化的力学系统中的各个质点的动量可以交换，但是系统的总动量会保持不变，故而机械能守恒定律适用于普通的直线运动。动量守恒定律可以被看作是机械能守恒定律的重要组成部分。
2.2有摩擦力的直线运动
现实生活中的直线运动多以有摩擦力的直线运动为主。摩擦力可以被视为一种外力。在物体受到外力作用的情况下，其所获得的加速度大小与合外力大小之间存在有正比关系。加速度大小与物体的质量成反比。此时作用力与反作用力会成为研究者所关注的内容[2]。根据牛顿第三定律的相关内容，作用力与反作用力具有一一对应的特点，它们虽不是一对平衡力，但是属于同一性质的力。但是在相对论效应不能忽略的情况下，动量守恒定律会取代牛顿第三定律。
2.3平抛运动
高中阶段所接触的平抛运动的普通规律是物体围绕水平方向进行匀直线运动。在竖直方向，物体会进行均价速度直线运动。根据平抛运动的特点，物体在进行平抛运动时，其在空中运行的时间与下落的高度之间存在一定的联系，下落高度与物体在空中运动的时间之间存在正相关关系。
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2.4圆周运动
2.4.1匀速圆周运动
根据我们在高中阶段所学习的知识，圆周运动物理量主要与角速度和线速度等内容有关。角速度多用于指代物体在时间中经过的圆弧长度，线速度主要指的是物体在时间中围绕圆心所转过的角度。机械能守恒可以被看作是匀速圆周运动的基础要素。在匀速运动进行过程中物体沿着圆心运动的合外力大小并不会产生改变，合外力可以匀速圆周运动过程提供向心力，物体只有在合外力与其所需要的向心力相等时，会进行匀速圆周运动，故而机械能守恒定律可以被看作是匀速圆周运动中的基础要素，与之相关的守恒定律为角动量守恒定律。
2.4.2不匀速圆周运动
不匀速圆周运动主要指的是除圆周运动的一种特殊表现形式。根据不匀速圆周运动的特点，物体所受的合理的方向并没有与其速度方向位于同一个曲线。在解决变速圆周运动问题的过程中，人们不仅需要对向心加速度进行关注，也需要关注切向加速度。一般情况下，机械能守恒率也可以适用于不匀速圆周运动方面。如根据机械能守恒定律的相关内容表，系统的机械能在保守内力做功的情况下，会表现出机械能不变的特点，所谓的机械能守恒定律主要与以下因素有关：一是，系统与外界之间的无机械能的交换；二是，系统内部无机械能与其他能量形式之间的转换。在系统机械能处于守恒状态以后，保守内力做功可以表现出以下特点：第一，它是系统动能与势能之间的转化手段；第二，它可以被看作是系统势能与动能转化过程中的度量。通过对圆周运动的特点进行分析，质点的角动量多用于表述质点相对于圆心的矢径与质点动量之间的实际。不论是在我们高中阶段接触物理知识领域，还是在更为尖端的研究领域，质点的角动量定理均可以视为与力矩有关的概念。根据我们在高中课堂上学习到的牛顿定律，质点角动量定理涉及到了力矩对时间的积累作用。质点对固定点的角动量定理与作用于质点的力矩有关，在圆周运动中，此力矩与质点角动量对时间的变化率之间存在一定的相似性。在圆周运动领域，如果质点所受外力对某固定点的力矩为0，此时质点对该固定点的角动量守恒。故而守恒定律也适用于圆周运动领域。
三、电场或磁场参与的运动问题
3.1有电场力作用的微粒运动
微粒运动也是力学研究领域所关注的内容。有电场力作用的微粒运动主要与静电场有关，在微粒运动研究方面，恒定电流等因素可以被看作是与机械能守恒定律有关的内容。在初高中阶段电学知识学习过程中，我们已经对电荷守恒定律及库仑定律等内容有所了解。电势的概念、等势面的概念与电势差概念是我们了解电场性质的主要工具。根据电学知识的相关内容，微观带电粒子在不同物体之间及物体内部的转移，是物体带电现象的本质。恒定电流是我们在解决有电场力作用的微粒运动问题时所要关注的内容。等效法在微粒运动问题解决过程中的应用，也间接表明机械能定律适用于有电场力的微粒运动问题的解决过程之中。如等效法应用于相关问题解决过程以后，我们可以根据力的独立作用原理，对每一种力对物体的作用效果进行分析，并在此基础上求取电场力与重力的合力。这一解题方式可以发挥出降低解题难度的作用。
3.2有磁场力作用的微粒运动
由磁场力作用的微粒运动与磁场因素之间具有一定的联系。质点的守恒定理在与之相关的微粒运动中具有一定的应用价值。可以说，中心电流、环形电流与螺线管电流等因素可以被看作是磁感应强度的主要影响因素。与之相关的守恒定律与动量守恒定律为主，如在有磁场力作用的微粒运动中，系统的总动量仍然可以保持不变，在同一惯性参考系中，微粒运动会处于动量守恒状态之中[3]。
四、结束语
机械能守恒定律涉及到了电荷守恒定律与角动量守恒定律等多种因素，在相对论效应不能忽略的情况下，动量守恒定律会取代牛顿第三定律。一般情况下，直线运动、曲线运动的机械能守恒与电磁场和磁场参与的运动问题是机械能守恒定律的主要适用领域。对于高中生而言，在学习物理知识以后，对这一部分的知识内容进行及时梳理，有助于更好地了解等相关定律的解题突破点。
参考文献：
[1]江子川.机械能守恒定律在高中物理解题中的应用[J].中国高新区,2018(11):71.
[2]沈瑞嘉.高中物理运动学中的加速度研究[J].环渤海经济瞭望,2017(09):170.
[3]冯震东.高中物理曲线运动的关键知识点[J].农家参谋,2017(14):55.
论文作者:王太铭
论文发表刊物:《科技研究》2018年9期
论文发表时间:2018/11/19
标签：机械能论文; 守恒定律论文; 质点论文; 物体论文; 微粒论文; 动量论文; 角动量论文; 《科技研究》2018年9期论文;