淺議功、動能定理與參考系在高中階段的理解

1、    淺議功、動能定理與參考系在高中階段的理解    摘 要：動能定理作為高中物理重要的一個組成部分，作為教師，需要更加深刻理解動能定理的內(nèi)涵及外延，本文嘗試從大學(xué)物理層面探究動能定理、功與參考系的選取是否有關(guān)。以增強(qiáng)物理教師的學(xué)科素養(yǎng)，更好地服務(wù)于課堂，為學(xué)生解決疑惑。關(guān)鍵詞：動能定理；功；參考系一、 相關(guān)概念界定在探討動能定理、功與參考系的關(guān)系之前，需要先了解相關(guān)物理概念的界定。參考系的定義：高中物理必修1中這樣描述參考系，要描述一個物體的運(yùn)動，首先要選定某個其他物體作參考，觀察物體相對于這個“其他物體”的位置是否隨時間變化，以及怎樣變化。這種用來

2、做參考的物體稱為參考系。描述一個物體的運(yùn)動時，參考系可以任意選擇。但是選擇不同的參考系觀察同一個物體的運(yùn)動，其結(jié)果會有所不同。由于運(yùn)動的相對性，凡提到運(yùn)動，都應(yīng)該先確定參考系。功的定義：一個物體受到力的作用，并在力的方向上發(fā)生了一段位移，這個力就對物體做了功。動能定理在高中物理必修2中有明確的定義：力在一個過程中對物體做的功，等于物體在這個過程中動能的變化。即力對質(zhì)點(diǎn)所做的功等于質(zhì)點(diǎn)動能的增量，即w=ek-ek0。動能的表達(dá)式為ek=12mv2，因此，動能定理的表達(dá)式為w=12mv2-12mv20。二、 功的大小與參考系的關(guān)系根據(jù)高中物理中說道，當(dāng)我們的研究對象是做低速運(yùn)動的宏觀物體時，不需要

3、考慮相對論效應(yīng)。這時牛頓的運(yùn)動定律是成立的。如果慣性參考系相對于另一慣性參考系以恒定的速度沿坐標(biāo)軸x軸正方向運(yùn)動，那么質(zhì)點(diǎn)在這兩個參考系中的速度分別為v和v，以及位移x和x滿足伽利略變換：v=v+，x=x=t。由此可見，兩個參考系中質(zhì)點(diǎn)所受的力是相同的，但質(zhì)點(diǎn)的位移是不同的。根據(jù)功的定義可以看出，在這兩個參考系中力對質(zhì)點(diǎn)所做功的大小是不同的。三、 動能定理在不同參考系中的適用情況質(zhì)量為m的質(zhì)點(diǎn)速度大小為v時，它的動能是ek=12mv2。在不同參考系中，物體質(zhì)量不會改變，但速度由上文看出是不同的，因此動能也是不等的。根據(jù)動能定理的定義，等式左邊的功既然與參考系的選取有關(guān)，那么等式右邊動能的改變量

4、應(yīng)該也隨之改變。那么是否動能定理只適用在某些特殊的參考系中使用，一旦變換參考系就不適用呢？為了對功和動能定理在不同參考系中特性的認(rèn)識，筆者嘗試從一個簡單的例子入手研究。如圖，長為l的汽車以速度勻速在水平地面向右前進(jìn)，車內(nèi)地面完全光滑，一小滑塊質(zhì)量為m，在水平恒力f的作用下由靜止開始從車左壁向右壁運(yùn)動。試求不同參考系中恒力對小滑塊做功及動能變化的情況。解：先選取汽車為參考系，木塊的位移就是汽車的長度l，根據(jù)已知條件可列出關(guān)系式求出恒力f所做的功為w=fl。設(shè)木塊運(yùn)動時間為t，則l=12at2=f2 mt2，可得t=2 mlf。初、末速度分別為v0=0、v=at=2flm。代入公式可算出動能的增量

5、為ek-ek0=12mv2-12mv20=fl，即w=ek。若取地面為參考中恒力f所做的功為w=f（l+t）=fl+2mfl。初、末速度分別為v0=、v=v+=2flm+。動能增量為ek-ek0=12m（v+）2-12m2=fl+2mfl，即w=ek。由上文分析，可見在兩個參考系中恒力f做功量是不等的，動能的增量也是不同的；但在相同的參考系中動能的增量是等于恒力f所做功的多少，這與動能定理并不矛盾。四、 結(jié)論作為高中物理教師，筆者認(rèn)為在教學(xué)中應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：1. 利用動能定理解題之前，首先需要確定參考系，一旦選取參考系，不可輕易更換。在選取的參考系中求出合力所做的功以及動能的增量。2. 對于同一物體的運(yùn)動而言，在不同的參考系中求出的合力所做的功與動能的增量雖然不同，但動能定理卻是在任何慣性參考系中都適用（中學(xué)階段大抵可認(rèn)為是慣性參考系）。3. 在考試的命題中，盡量明確參考系，避免學(xué)生出現(xiàn)混淆，導(dǎo)致考試難度增加。動能定理是高中物理中的重點(diǎn)與難點(diǎn)，只有教師理解動能定理的內(nèi)涵及外延，才能更加輕松自如的授課，避免學(xué)生在課下解題的過程中出現(xiàn)模棱兩可的現(xiàn)象。參考文獻(xiàn)：1課程