力学中“势能”概念教学的逻辑思路分析

2017-03-15邵雪辉李庆丽黄海燕魏作余

山西青年 2017年6期

关键词：重力势能势能引力

邵雪辉李庆丽黄海燕魏作余

1.河北北方学院，河北张家口 0750001；2.张家口学院，河北张家口 075000

力学中“势能”概念教学的逻辑思路分析

邵雪辉1*李庆丽2黄海燕2魏作余2

1.河北北方学院，河北张家口 0750001；2.张家口学院，河北张家口 075000

势能是大学物理学中十分重要的一个概念，其在力学部分中引入。实践证明，合理强化对势能概念教学的逻辑思路，对学生深入理解概念和掌握其物理实质很重要。如果按照势能存在的物理基础、所有者、相对性及地球表面重力势能公式与万有引力势能公式统一的逻辑思路进行教学，会收到良好的教学效果。

势能；相对性；重力势能；弹性势能；万有引力势能

势能是大学物理学中应用十分广泛的一个重要概念，在力学部分的教学中，势能主要讲述重力势能、弹性势能和万有引力势能。在长期力学教学实践中，笔者发现学生对势能概念的理解不透彻、掌握不牢固，主要表现在：对势能引进的物理基础不重视、对势能的所有者不清楚、对势能的相对性理解浅薄以及对地表附近万有引力势能公式和重力势能公式上的不同原因存在模糊认识，这一状态直接影响后继课程的学习，特别是《电磁学》、《理论力学》等课程的学习，针对这一状态，笔者带领的大学物理教学团队对“势能”概念教学的逻辑思路进行分析并积极实践，取得了比较好的教学效果。具体教学思路和步骤如下：

一、基于势能存在条件之上的势能概念诠释

势能存在的物体系，必须是有保守力相互作用的系统，保守力对质点所做的功只与质点的初、末位置有关，与起点到终点的运动路径无关，这是势能存在的物理基础[1]。功是能量变化的量度，故保守力做功是与位置有关的能量变化的量度，这个与位置有关的能量就是势能。它的定义是具有保守力作用的物理系统，在相对位置一定的情况下，具有一定的相互作用能，它是体系状态的函数。因此，势能的存在已经和保守力紧密结合在一起，离开了物体系，保守内力就不存在，势能也不会存在。相关教材中都有关于重力做功、弹力做功、万有引力做功的推导过程，得到了上述三力做功只与初、末位置有关，与具体路径无关这一结论。事实上如果课时量少，简要说明一下推导结论，讲清势能存在的物理基础才是重要环节。

二、势能所有者的强调

由于势能的改变决定于存在保守力的物体系中物体间相对位置的改变。故重力势能的变化，决定于物体相对地球的变化；弹性势能的变化，决定于弹簧各部分的相对位置的变化，所以势能不应看作属于某一物体，而应属于存在保守力的整个物体系[2-3]。重力势能属物体与地球组成的系统共有，弹性势能属于物体和弹簧组成的弹性系统。以重力势能表达式来说明，在一定精度范围内，重力就是在地球表面附近的万有引力，由物体与地球表面相距为h时该系统所具有的引力势能可以表示成mgh，许多学生经常说物体的重力势能是mgh，这种说法是错误的，在万有引力的作用下，地球和物体都会沿二者质心连线上相向运动，万有引力对二者都要做功，而万有引力所做的功等于万有引力势能增量的负值，对于地球和物体组成的系统而言，由于物体质量较小，在万有引力作用下，具有较大的位移，做功相对较大，相反，地球的位移很小，万有引力的功比较小，有人做过计算设物体质量数量级为104(单位为千克)，物体运动速度取第一宇宙速度数值，可得地球位移数值的数量级为10-15(单位为米)，实际上可以认为地球未发生任何位移，万有引力对地球做功为零，故地球和物体系统由于地球存在的万有引力势能为零，所以系统的万有引力势能为mgh。

三、势能的相对性诠释

势能是体系状态的函数，但是要确定该状态下体系的势能值时，必须选定体系的某种状态作为势能的参考点，由此计算体系其它状态的势能值[4-5]。习惯上把势能参考点选取在保守力为零的状态，如选弹簧外于自由伸展状态时，弹簧对质点的作用力为零，人们通常取这种状态为弹性势能零点，物体与物体的引力随着相对距离的增大而减小，且相距无穷远处为零，所以通常就取物体与物体相距无穷远处为引力势能参考零点。对于重力势能，由于地球附近重力为一恒量，为了方便，人们又通常把物体位于地球表面上的这种状态规定为重力势能的参考零点。值得一提的是势能零点选择是任意的。选择不同点作为势能的参考点，系统的势能值会不同。