高中物理功动能的相对性的探讨

1 / 6 高中物理功动能的相对性的探讨 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2 / 6 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=Fscos。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，3 / 6 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（）。 W2 W2 =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 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。 4 / 6 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5 / 6 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 104km 与 103km。可以发现，同步卫星的高度约为地球半径的倍。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= 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 =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= 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