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浅谈机械能守恒定律“背后”的功能关系

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   【摘要】在一个物体系统内除重力或弹力做功以外，其它力做功不为零，机械能发生改变。机械能的改变与外力做功之间存在一定的关系。本文通过具体的物理情景做了推导，并且通过例题的解答说明了这个结论的使用方法。
　　【关键词】机械能；改变；外力做功
　　“在只有重力或弹力做功的物体系统内，动能和势能可以相互转化，而总的机械能保持不变”，这是机械能守恒定律的内容。机械能守恒定律的适用条件是“只有重力或弹力做功的物体系统。”由这个条件可以推理出：在系统内若还有其它力做功，并且做功不为零，那系统的机械能就不守恒。
　　例如“一架吊车吊起一质量为m的重物并上升”这一物理过程，从力做功的角度看，在重物上升的过程中除了重力做功以外吊车对重物的拉力也做了功，所以重物的机械能不守恒。从能量转化的角度来看，在这一过程中除了动能与势能的相互转化以外，还存在其它形式能向机械能的转化，所以物体的机械能不守恒。
　　再例如：一轻质弹簧一端固定在竖直的墙上，另一端与一质量为m的物体相连，放在粗糙的水平面上，先压缩弹簧然后释放。弹簧与物体组成的系统在整个运动过程中，除了弹簧的弹力做功以外还存在物体与水平面的摩擦力做功，在摩擦力做功的同时系统的一部分机械能转化为内能，所以系统的机械能不守恒。
　　由此可知，在一个物体系统内，除了重力或弹力做功以外其它力做功不为零，则系统的机械能将发生变化。那么机械能的变化与外力（除了重力或弹力以外的力，后面都称为“外力”）做功存在什么关系呢？下面我们通过推导来寻找。
　　一架吊车用力F把质量为m的物体吊起，当物体距地面高度为h1时速度为v1，当距地面高度为h2时速度为v2，求物体从h1到h2过程中拉力F做的功
　　解析：物体上升的过程中受到重力和拉力，并且两个力都做功，由动能定理得：
　　W-mg（h2-h1）=12MV22-12MV21
　　所以W=12MV22-12MV21+mg（h2-h1），
　　或者W=（12MV22+mgh2）-（12MV21+mgh1）
　　其中12MV22+mgh2为物体末状态的机械能，12MV21+mgh1为初状态的机械能。这个公式说明：在一个物体系统内，外力做功等于系统机械能的变化量。
　　通过上面的内容可以得到这样一个结论：在一个物体系统内除了重力或弹力以外的力做功不为零，则系统机械能不守恒，外力做功等于机械能的变化量。当外力做正功时，机械能增加，增加的机械能等于外力所做的功；当外力做负功时，机械能减少，减少的机械能等于物体克服外力所做的功。有了这个结论，在一些题目中就可以直接运用。
　　例1，质量为m的物体，从静止开始以g/2的加速度竖直下落h的过程中，以下说法正确的是（）
　　A．物体的机械能守恒。B．物体的机械能减少mgh/2
　　C．物体的重力势能减少mghD．物体克服阻力做功为mgh/2
　　解析：由物体下落的加速度可知物体下落时受到重力和一外力（阻力），并且这两个力都对物体做功不为零，所以物体的机械能不守恒；阻力对物体做负功，由上面的结论可知物体的机械能减少。由牛顿第二定律可得阻力f=mg/2，所以物体克服阻力做功mgh/2，物体机械能减少mgh/2；重力做功mgh，所以重力势能减少mgh。所以本题目答案是BCD。
　　例2，如图所示，具有一定初速度的物体，沿倾角为30。的粗糙斜面向上运动的过程中，受一个恒定的沿斜面向上的拉力F的作用，这时物块的加速度大小为4m/s2，方向沿斜面向下，那么在物块向上运动过程中，正确的说法是（）
　　A．物块的机械能一定增加 B．物块的机械能一定减少
　　C．物块的机械能可能不变 D．物块的机械能可能增加也可能减少
　　解析：本题中的物体受到重力、斜面的支持力、摩擦力和拉力，其中除了支持力不做功外，其它力都对物体做功，摩擦力做负功，拉力做正功。若两个力的功的代数和为零，则物体的机械能不变，若不为零物体的机械能就发生变化。所以这个题目转化为比较摩擦力和拉力的大小。对物体由牛顿第二定律可得mgsin30。+f-F=ma
　　所以 F=mgsin30。+f-ma
　　由已知条件可得拉力大于摩擦力，所以拉力与摩擦力的合力做正功，物体的机械能增加，答案是A。
　　这种题目在力学中经常出现，即便在静电场中也时有出现，例如：（例3）一质量为m的带电小球，在竖直方向的匀强电场中以速度v0水平抛出，小球的加速度大小为2g/3，则小球在下落高度h过程中（）
　　A.动能增加了2mgh/3B.电势能增加了mgh/3
　　C.重力势能减少了2mgh/3 D.机械能减少了mgh/3
　　此题与例1类似，只是研究对象的受力环境发生了变化，还是根据上面的结论确定机械能的变化。
　　通过上面几个例题可以看出，对"除了重力或弹力以外的力做功改变系统的机械能"的考查往往与其它的功能关系同时出现在选择题中。因此学生只要掌握了这些功能关系，这类题目就迎刃而解了。

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