2016高考理綜復(fù)習(xí)方法總結(jié)：能量轉(zhuǎn)化與守恒

2016-01-21 16:08:55超級(jí)學(xué)團(tuán)文章作者：高學(xué)宇

　　作者標(biāo)簽：數(shù)理全能腦洞大開(kāi)性格開(kāi)朗

　　"能量不會(huì)憑空產(chǎn)生也不會(huì)憑空消失它只會(huì)從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，或者從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，而在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，總能量保持不變"這個(gè)Helmholtz提出的能量守恒定律作為物理學(xué)中的三大守恒（另外兩個(gè)試動(dòng)量守恒和角動(dòng)量守恒）是我們耳熟能詳?shù)模瑏?lái)看看我們能從這個(gè)定律中挖出什么有趣的東西。

　　我們所遇見(jiàn)的各種關(guān)于能量的問(wèn)題，本質(zhì)都是能量轉(zhuǎn)化的問(wèn)題，同時(shí)遵循能量守恒，而能量轉(zhuǎn)化一般通過(guò)力做功來(lái)實(shí)現(xiàn)，求一個(gè)力做功的一般表達(dá)式如下：

　　W=（F(x)為F在x方向上的分量）

　　下面我們來(lái)看幾個(gè)常見(jiàn)的模型：

　　（1）無(wú)外力做功的一維諧振子模型；

　　彈簧一端固定在墻上，另一端連著一個(gè)物塊，放在光滑的地面上，即為無(wú)外力做功的一位諧振子。現(xiàn)將物塊沿彈簧方向拉出一定距離后松開(kāi)物塊，我們來(lái)看下此后的情形：物塊會(huì)沿著彈簧方向做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，從平衡位置即彈簧長(zhǎng)度為原長(zhǎng)開(kāi)始，物塊動(dòng)能減少，彈簧彈性勢(shì)能增加，到最大位移處物塊動(dòng)能最小為0，彈簧彈性勢(shì)能最大，返回平衡位置的過(guò)程能量變化與之相反，在平衡位置，動(dòng)能最大，彈性勢(shì)能為0。整個(gè)過(guò)程中動(dòng)能和勢(shì)能的和不變。如果把t1時(shí)刻動(dòng)能記作T1，勢(shì)能記作V1,t2時(shí)刻動(dòng)能記作T2,勢(shì)能記作V2，則有以下能量守恒表達(dá)式：

　　T1+V1=T2+V2

　　（2）摩擦力做功模型：

　　物塊以某個(gè)初始動(dòng)能在某不光滑平面上自由滑動(dòng)，這個(gè)過(guò)程中多了摩擦力，然而能量依然守恒，只是摩擦力做的功都轉(zhuǎn)化成了內(nèi)能，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，動(dòng)能減少。內(nèi)能增加，總能量不變。記t1時(shí)刻動(dòng)能為T1，內(nèi)能為W1，t2時(shí)刻動(dòng)能為T2，內(nèi)能為W2，初始動(dòng)能為T0則有：

　　T1+W1=T2+W2=T0

　　W1，W2分別等于從初始時(shí)刻到t1，t2時(shí)刻摩擦力做的功

　　（3）熱力學(xué)系統(tǒng)中的能量守恒：

　　熱力學(xué)第一定律：熱量可以從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體也可以與機(jī)械能或其他能量互相轉(zhuǎn)換，但在轉(zhuǎn)換的過(guò)程中能量的總值保持不變。此定律可以看做熱現(xiàn)象中的能量守恒。假設(shè)現(xiàn)在我們有一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)1，內(nèi)能為U1，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的演化變成狀態(tài)2，內(nèi)能為U2，此過(guò)程中系統(tǒng)從環(huán)境中吸收能量為Q，系統(tǒng)對(duì)環(huán)境做的功為W，則由能量守恒為：

　　U1+Q-W=U2

　　擴(kuò)展：為何物理學(xué)中直說(shuō)能量守恒而不說(shuō)質(zhì)量守恒？

　　反應(yīng)前后質(zhì)量守恒，這個(gè)說(shuō)法看起來(lái)非常合理，然而也僅僅限于某些情形（包含宏觀尺度），到了微觀尺度中，質(zhì)量是不一定守恒的，而造成質(zhì)量不守恒的原因就在于Einstein提出的質(zhì)能方程E=mc^2，在原子核的相互反應(yīng)中都會(huì)伴隨著質(zhì)量損耗，而損耗的這部分質(zhì)量就變成了能量；另一個(gè)例子：正電子和負(fù)電子相遇會(huì)湮滅，產(chǎn)生光子和大量能量，光子的質(zhì)量是0，質(zhì)量依然不守恒。