上课,同学们好,请坐。这节课,我们学习第八章第四节机械能守恒定律。
好,同学们,我们先来回忆一下伽利略的理想斜面实验,我们在讲牛顿第一定律的时候讲过,是不是?我们来画一下。
理想斜面实验,是假设有一个小球在a位置,它滚下,然后会滚到对面斜面的几乎相同高度的b位置,这就是理想斜面实验。
那同学们,假设这个过程,轨道是光滑的,也忽略空气阻力的影响。老师想问一问大家,在这个过程中什么物理量变化了?什么物理量没有变呢?来,小杨。很好,请坐。假如说小球的速度变化了,小球的高度变化了,那什么没有变呢?我们想一想,速度变化了,其实就是动能变化了,是不是?高度变化了,从能量的角度来讲,是重力势能变化了。我们可以发现在这个过程中动能和重力势能是在不断地改变的。
那我们来求一下,这三个位置它的动能和重力势能分别是多少啊?我们假设这个高度是h。先来看a位置,它的动能是0诶,Ek是0,它的重力势能Ep等于mgh。好,到达o点的时候,我们肯定很明显地发现重力势能是0了,也就是Ep等于0了。那Ek等于多少呢?我们上节课学过动能定理对不对?在这边只有重力做功,对不对?重力对小球做的功就等于末动能减去初动能,是不是?根据这个式子我们可以得到Ek,其实就等于mgh。
好,接下来小球滚到了b点,我们再说一下b点。它滚到b点停止了,所以说b点的动能Ek就等于0了。b点的这个重力势能就等于mgh。同学们有没有发现点什么东西啊?有没有发现点什么东西?好像它们的能量之和一直都是mgh。能量之和好像没有变,我们好像找到了一个守恒量,这只是我们一个猜想。我们先把这个来写一下,这其实是一个动能和重力势能的转化。动能和重力势能。
重力势能和动能它是通过什么来转化的?能量转化是通过做功来实现的,在这边就是通过重力做功来实现啊。重力做功实现相互转化,并且我们还发现它们之和好像一直是一个守恒量,这是我们的第一个猜想。
我们再来看一个情境。这是一个弹簧,右边拴了一个小球,现在这个小球是静止状态。老师把这个小球往左一摁,摁到这个位置,在此位置的时候,我们假设它的弹性势能Ep,假设它弹性势能是Ep,此刻它的动能Ek等于0,对不对,同学们?好,老师松手以后,这个弹性势能是不是会对小球做功,对不对?假设它又恢复到了原来中间的这个位置,在这个位置弹性势能为0。因为恢复原长了,所以弹性势能为0。那动能呢,动能Ek,根据动能定理,弹簧对小球做的功就等于小球动能的变化。初动能为0,末动能就等于Ep。很好,同学们对于上节课的动能定理掌握得非常好。到这个位置的时候,因为小球具有速度,对不对?它还会向右运动到这个位置,它停止了,此刻它的动能为零,然后它的弹性势能还是Ep啊。
