刍议高中物理中的动能定理

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  摘 要:高中物理的动能定理学习既是高中物理学习的重点和难点,也是高考中物理学科考试的必考考点,对于学生来说具有重大意义。本文通过动能定理的学习目标、动能定理的知识点总结与应用以及相关解题思路作为探索方面,简要分析高中物理动能定理的学习方法和学习手段。
  关键词:动能定理;高中物理;机械能
  一、 前言
  高考物理对于机械能的考查十分青睐,这在于动能原理相较于其他内容更具有实际意义,也与人们的日常生活息息相关。其中物体的直线、曲线运动以及恒力做功或变力做功都是动能原理的现实体验,也是现实中常见的运动现象。然而在高中物理的动能定理学习中,学生们往往存在知识点掌握和解题思路无法形成對接的现象,导致利用动能定理解题时屡屡出错。
  二、 高中物理动能定理的学习目标
  (一) 课程标准对高中物理学习的要求
  动能定理是高中一年级物理必修的学习内容,根据《普通高中物理课程标准》中对于物理必修内容的学习要求可以看出。物理必修需要学生能够通过物理课程的学习掌握运动规律以及机械能能源的物理学核心内容,并通过物理学的探究活动,了解物理学的特点和研究方法,同时结合生产生活,了解物理对社会发展的影响。此外,学生还需要能够通过科学实践活动尝试运用物理原理,解决实际问题。从中可以看出,高中物理的学习,学生除了需要具备物理理论知识,还需要拥有实践能力和运用物理学知识解决实际问题的能力。
  (二) 动能定理的学习目标
  动能定理在高中物理学习中十分重要,学生在学习过动能定理之后,需要能够了解到物体动能变化和恒力做功之间存在的关系,从而能够解释和探究生活中的动能现象。例如利用牛顿第二定律探究出动能原理。学生在学习中不仅要对动能原理知识做到充分的理解,还需要能够结合实际情况分析其隐含的动能原理。
  三、 高中物理动能定理重要知识点
  (一) 定理表达式
  动能定理内容为:合外力对物体所做功等于物体动能变化。在物理学中,通常会将物体的质量与它运动的速度的平方乘积的一半定义为物体的动能,因此有公式Ek=1/2mv2,其中Ek为物体动能。而合外力对物体做功时物体动能的增量是所有对于物体做功的代数和的外力合成,因此可以根据物体所受到的外力求和再进行计算。
  (二) 注意事项
  物体无论以何种形式进行运动,无论以何种方式受力,都会产生相应的动能,因此动能定理使用范围并没有限制。在应用和计算过程中,学生需要根据物体所受到各个方向上的力对力进行区分,分清楚每个方向上的力的内容,是摩擦力、弹力还是重力,从而判断出各个方向上力的做功情况,是正功、负功还是没有做功。避免出现“错功”“丢功”现象,影响计算分析结果。动能是标量,也是状态量,国际单位中动能的基本单位为焦耳(J),因此末动能和初动能的顺序不可以颠倒,一定要是末动能减去初动能。此外,物理学中一切定理的成立基于所有物体处于同一参考系之中,动能定理的应用也需要考虑参考系的选择,保证参考系一致。在高中物理学习中,参考系一般为地面。
  四、 动能问题的解题思路和解题方法
  在高中阶段,高中物理的动能问题无外乎给出初状态和末状态动能利用动能定理求做功,或者在变力做功中通过动能定理求做功,以及通过恒定做功的已知条件运用动能定理求位移等几种类型。其考查的主要方面主要在于状态动能和研究对象的受力分析,因此高中物理解题思路需要集中在这里。
  (一) 求做功
  以某动能习题为例,习题题干为:足球运动中,运动员进行点球时,静止质量0.4 kg的足球被运动员施加200 N的平均作用力后,足球踢出时速度达到30 m/s,足球在滚出30 m后停下,求足球运动员对足球的做功。这道题相对简单,是一道求合力做功的题目。已知条件中对于位移、作用力和速度条件都已经给出,并且在高中阶段不必计算空气阻力,因此在这道题的解题中,就可以通过将已知数值导入到定理方程中,通过方程计算得出结果。而在另一道习题中,重达500 t的机车以恒定功率从静止出发,5 min行驶距离为2.25 km,速度最高时速为54 km/h,求机车功率。这道题为加速度做功的题目,随着速度的不断增加,牵引力会逐渐减小,因此机车的运动为变加速运动,因此即便机车的牵引力是变力,但是机车以恒定功率启动到达最大速度这一过程是加速度的过程,所以阻力恒定,可以利用牵引力做功求出机车的功率。
  (二) 求受力状态下位移过程
  这种类型的题目是给出物体运动的过程和方式,求物体位移。习题中质量为0.5 kg的小球从5 m高度竖直向上抛出,其抛出时初速度为20 m/s,在向上运动的过程中,小球受到介质阻力为0.2mg,且阻力恒定,且小球在与地面接触过程中设定为无机械能的损耗,求小球位移总路程。这一题目给出了小球运动的状态以及阻力的大小,并且明确了初、末状态和受力方向。学生免去了受力分析,但是学生解题的难点在于动能增量的方程应用,因此此类题目相对而言更加困难。因此在解题过程中,学生需要对机械能守恒和非重力以外做功的特点十分了解,从而计算得出机械能消耗克服介质阻力做功,计算出小球经过的总路程。因此这一类的题目解题思路主要集中在对机械能守恒定理的了解和对初、末状态的判断之上,学生只要能够对这两个方面的知识融会贯通,就可以很好地解决这一类型的题目。
  五、 结论
  综上所述,动能定理在高中物理的教学中占据相当重大的比重,学生需要通过动能定理知识的学习,将机械能、能量守恒以及功率等方面的知识融会贯通,从而更好地进行解题。面对问题时,学生往往缺乏精准的解题思路,一方面是对已知内容在题目当中的作用不够了解,另一方面则在于知识点缺少应用的锻炼,无法扎实地体现在解题过程中。因此高中物理的动能定理学习,需要具有针对性地进行解题,从而促进解题思路的形成。
  参考文献:
  [1]张军.浅谈高中物理中的动能定理[A].《现代教育教学探索》组委会,2012:2.
  [2]王德成.分析动能定理在实际问题中的应用[J].学周刊,2014,(7):181.
  作者简介:
  朱乾玺,辽宁省朝阳市,辽宁省朝阳市第二高级中学。
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