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动能定理是由牛顿定律推导出来的,在处理动力学问题时,动能定理比牛顿定律的应用更加广泛,在不涉及加速度和时间的情况下,研究运动和力的关系时,用动能定理求解物理问题一般较为方便,下面通过几例来谈谈动能定理的优越性。
一、用动能定理求合力或分力做的功
若给出物体的质量和初速度,动能变化量能够确定,一般利用动能定理求合力或分力做的功,有时比利用牛顿第二和运动学公式简单的多。
例1.某人将1kg的物体由静止向上提起1m,这时物体的速度为2m/s,(g取10 ),则下列说法正确的是
A手对物体做功12J B 合外力做功为2J
C合外力做功为12J D物体克服重力做功为10J
解析:依题意手对物体做正功,重力对物体做负功,由动能定理得W合=2J,B对C错。由于W合=W手 —mgh,所以W手=12J,A对。物体克服重力做的功为mgh=10J,D对。故正确选项为A,B,D。
二、用动能定理求动能的变化量
若相互作用的物体受的力为恒力,且已知位移关系,要确定动能的变化问题,有时利用动能定理转化为求合力做的功比较简单。
例2.一木块静止于光滑水平面上,现有一个水平飞来的子弹射入此木块并深入2cm,而相对于木块静止,同时间内木块被带动了1cm,则子弹损失的动能、木块获得的动能以及子弹和木块共同损失的动能三者之比为:
解析:设子弹深入木块深度为d,木块移动s,则子弹对地位移为d+s,设子弹与木块相互作用力为f,由动能定理,子弹损失的动能等于子弹克服木块阻力所做的功,即:ΔE1=f(d+s),木塊所获得的动能等于子弹对木块作用力所做的功,即ΔE2=fs,子弹和木块共同损失的动能为ΔE3=ΔE1—ΔE2=fd,即三者之比为(d+s):s:d=3:1:2,故正确选项为A
三、用动能定理求变力做功
若求某一变力做功,不能直接用W=Fscosθ,若动能的变化能够确定,则可利用动能定理处理。
例3、如图1所示,AB为 圆弧轨道,半径为R=0.8m,BC是水平轨道,长S=3m,BC处的摩擦系数为μ= ,今有质量m=1kg的物体,自A点从静止起下滑到C点刚好停止。求物体在轨道AB段所受的阻力的功。
解析:物体在从A滑到C的过程中,有重力、AB段的阻力、BC段的摩擦力共三个力做功, WG=mgR
由于物体在AB段受的阻力是变力,做的功不能直接求。根据动能定理可知:
四、应用动能定理简解多过程问题
物体在某个运动过程中包含有几个运动性质不同的小过程(如加速,减速的过程),此时可以分段考虑,也可以对全过程考虑,但如能对整个过程利用动能定理列式则使问题简化。
例4、如图2所示,物块 从高为 的斜面上滑下,又在同样材料的水平面上滑行 后静止,已知斜面倾角为 ,物块由斜面到水平面时圆滑过渡。
求:物块与接触面间的动摩擦因数?
解析:物体在斜面上下滑时摩擦力做负功,重力做正功,动能增加,在水平面上滑行时只有
摩擦力做负功,最后减速到零,全
过程动能变化量为零,可在全过程
中应用动能定理求解。
全过程中应用动能定理:
其中a为物体初末两位置连线与水平面夹角。
五、既能用于直线运动,又能用于曲线运动。
例5.如图3所示,匀强电场场强E=4V/m,方向水平向左,匀强磁场的磁感应强度B=2T,方向垂直纸面向里,质量m=1kg的带正电小物体A,从M点沿绝缘粗糙的竖直墙壁无初速下滑,它滑行h=0.8m到N点时脱离墙壁做曲线运动,在通过P点瞬时A受力平衡,此时其速度与水平方向成45°角,设P点与M点的高度差为H=1.6m。g取10m/s210。试求:
(1)A沿墙壁下滑时,克服摩擦力做的功 是多少?
(2)P点与M点的水平距离S是多少?
解析:(1)物体从M到N过程中受力如图4所示,
(2).对小球在P点进行受力分析如图5所示,小球通过 点时A受力平衡,则重力mg和电场力FE的合力与洛伦兹力FB的大小相等方向相反则:
一、用动能定理求合力或分力做的功
若给出物体的质量和初速度,动能变化量能够确定,一般利用动能定理求合力或分力做的功,有时比利用牛顿第二和运动学公式简单的多。
例1.某人将1kg的物体由静止向上提起1m,这时物体的速度为2m/s,(g取10 ),则下列说法正确的是
A手对物体做功12J B 合外力做功为2J
C合外力做功为12J D物体克服重力做功为10J
解析:依题意手对物体做正功,重力对物体做负功,由动能定理得W合=2J,B对C错。由于W合=W手 —mgh,所以W手=12J,A对。物体克服重力做的功为mgh=10J,D对。故正确选项为A,B,D。
二、用动能定理求动能的变化量
若相互作用的物体受的力为恒力,且已知位移关系,要确定动能的变化问题,有时利用动能定理转化为求合力做的功比较简单。
例2.一木块静止于光滑水平面上,现有一个水平飞来的子弹射入此木块并深入2cm,而相对于木块静止,同时间内木块被带动了1cm,则子弹损失的动能、木块获得的动能以及子弹和木块共同损失的动能三者之比为:
解析:设子弹深入木块深度为d,木块移动s,则子弹对地位移为d+s,设子弹与木块相互作用力为f,由动能定理,子弹损失的动能等于子弹克服木块阻力所做的功,即:ΔE1=f(d+s),木塊所获得的动能等于子弹对木块作用力所做的功,即ΔE2=fs,子弹和木块共同损失的动能为ΔE3=ΔE1—ΔE2=fd,即三者之比为(d+s):s:d=3:1:2,故正确选项为A
三、用动能定理求变力做功
若求某一变力做功,不能直接用W=Fscosθ,若动能的变化能够确定,则可利用动能定理处理。
例3、如图1所示,AB为 圆弧轨道,半径为R=0.8m,BC是水平轨道,长S=3m,BC处的摩擦系数为μ= ,今有质量m=1kg的物体,自A点从静止起下滑到C点刚好停止。求物体在轨道AB段所受的阻力的功。
解析:物体在从A滑到C的过程中,有重力、AB段的阻力、BC段的摩擦力共三个力做功, WG=mgR
由于物体在AB段受的阻力是变力,做的功不能直接求。根据动能定理可知:
四、应用动能定理简解多过程问题
物体在某个运动过程中包含有几个运动性质不同的小过程(如加速,减速的过程),此时可以分段考虑,也可以对全过程考虑,但如能对整个过程利用动能定理列式则使问题简化。
例4、如图2所示,物块 从高为 的斜面上滑下,又在同样材料的水平面上滑行 后静止,已知斜面倾角为 ,物块由斜面到水平面时圆滑过渡。
求:物块与接触面间的动摩擦因数?
解析:物体在斜面上下滑时摩擦力做负功,重力做正功,动能增加,在水平面上滑行时只有
摩擦力做负功,最后减速到零,全
过程动能变化量为零,可在全过程
中应用动能定理求解。
全过程中应用动能定理:
其中a为物体初末两位置连线与水平面夹角。
五、既能用于直线运动,又能用于曲线运动。
例5.如图3所示,匀强电场场强E=4V/m,方向水平向左,匀强磁场的磁感应强度B=2T,方向垂直纸面向里,质量m=1kg的带正电小物体A,从M点沿绝缘粗糙的竖直墙壁无初速下滑,它滑行h=0.8m到N点时脱离墙壁做曲线运动,在通过P点瞬时A受力平衡,此时其速度与水平方向成45°角,设P点与M点的高度差为H=1.6m。g取10m/s210。试求:
(1)A沿墙壁下滑时,克服摩擦力做的功 是多少?
(2)P点与M点的水平距离S是多少?
解析:(1)物体从M到N过程中受力如图4所示,
(2).对小球在P点进行受力分析如图5所示,小球通过 点时A受力平衡,则重力mg和电场力FE的合力与洛伦兹力FB的大小相等方向相反则: