“动能定理”解决的是“功”与“能”的问题。功是一个过程,能是结果变化。它是解决在运动过程中遵循的规律。这节课来学习新的思想——“守恒”。什么是守恒?就是不变,如:“质量守恒”,化合价的守恒等。今天接触的是“能量守恒”,并由此升华为定律——“机械能守恒定律”。
一、推导通过两个例子定性分析:动能与势能的相互转化规律。
例1:具有一定初速度的物体,由于惯性在空中竖直上升:重力做负功,速度减小,物体的动能减少。同时,由于高度增加,它的重力势能增加。这表明:通过重力做负功,物体原来具有的动能转化成了重力势能;相反,物体自由下落:重力对物体做正功,物体的重力势能减少。减少的重力势能到哪里去了?这一过程中物体的速度增加,物体的动能增加了。这表明:通过重力做正功,物体原来的重力势能转化成了动能。
例2:不仅重力势能与动能可以相互转化,弹性势能也可以与动能相互转化。被压缩的弹簧具有弹性势能。弹簧恢复原长,弹力做正功,弹性势能减小,同时跟它接触的物体也被弹出去得到一定的速度,动能增加。这表明:通过弹力做正功,弹性势能转化为动能;相反,当物体位移超过探弹簧原长后,弹力做负功,弹性势能增加,由于受到回拉的弹力,速度减小,即动能减少。这表明:通过弹力做负功,物体原有的动能转化成了弹性势能。
从上面的讨论可以看出:重力势能、弹性势能与动能之间有密切联系,把它们合体,统称机械能:物体做机械运动所具有的能量。通过重力或弹力做功,机械能可以从一种形式转化成另一种形式。
动能与势能的相互转化是否存在定量的关系呢?
可见:在只有重力或弹簧弹力做功的物体系统内,动能与势能可以相互转化,而总的机械能保持不变,这就是“机械能守恒定律”。通过以上推导过程,我们隆重得出了它的表达式。从形式上看,是否与能量守恒定律相似吗?因此可以认为是在机械运动领域内的能量守恒。
变式 理解条件在宏观机械运动中:单质点系:1、2;多质点系:3