動能定理的基本概念
外力合力所做的功等于物體動能的變化。 這就是動能定理的內容。 動能定理也可以表示為:該過程中各組成部分所做的功的代數和等于動能的變化。
這里的總外力是指所有外力對研究對象的合力。
動能定理的表達
動能定理的基本表達式:F合s=W=ΔEk;
動能定理的其他表達式:
∫Fds=W=ΔEk;
F1s1+F2s2+F3s3+……=ΔEk;
盡管功是一個標量,但它有正值和負值。 最嚴格的公式是第二個公式; 最常用但有些困難的公式是第三個公式。
動能定理的來源
我們來推導出動能定理。 很多同學可能認為這是沒有必要的,但事實恰恰相反。
近年來,高考物理試題特別注重基礎知識的推導和應用。 了解各個知識點之間的聯系可以幫助你更好地理解物理考點。
只有了解了心中的動能定理,知道了它的由來,才能在考試中科學地運用動能定理解決問題。 動能定理的推導分為以下兩步:
(1)勻速直線運動動能定理的推導過程
如果物體做勻速直線運動,其受力情況為F=ma;
勻速直線運動公式:2as=v2-v02; 等式兩邊同時乘以m,再除以2,有:
mas=1/2(mv2-v02)=Ek2-Ek1=ΔEk;
上式左邊mas=F,s=W;
因此:F結合s=W=ΔEk;
這就是勻速直線運動情況下動能定理的推導過程。
(2)普通直線運動模態動能定理的推導過程
利用微積分的思想,我們將普通的運動模式分割成非常小的運動片段(微元法的應用;要求學生思考位移公式的推導過程)。
當我們的運動模式被無限劃分時,每個小段都可以被認為是一個勻加速線性運動模式(要么a>0;要么a
對于任意一段(從t=m到t=n),我們可以利用(1)中的推理過程,結合s=man=En-Em得到W=F
對于整個過程,我們有:
W合計=W1+W2+W3+……=ma1+ma2+ma3+……=(E2-E1)+(E3-E2)+(E4-E3)+……+(En-Em)+……=E結尾-E開頭
即W總是=E結束-E開始; 這就是普通直線運動模式下動能定理的推導過程。
在曲線運動模式下,動能定理也成立。 其推導過程這里不再分析。 有興趣的同學可以自己研究一下。
動能定理的意義
無論我們是研究外力做功,還是尋找物體動能的變化,除了最基本的定義之外,我們還有另外一種方法來解決。
動能定理建立了過程量(功)和狀態量(動能)之間的聯系。
當我們分析復雜的運動模式時,除了牛頓動力學之外,我們還可以利用動能定理來避免中間的復雜過程(加速等)。
動能定理與其他測試點相關
動能定理和其他知識點有太多的聯系。 例如,圓周運動問題,即從最低點到垂直平面內一點的運動,需要借助動能定理來解決。
兩個(或三個)復雜物體在摩擦下的運動有時很難用牛頓定律來解決,但用牛頓定律+動能定理來解決往往會變得更簡單。
動能定理也會與靜電場問題結合起來,比如解決庫侖力做功的問題。 由于是變力做功,沒有辦法直接根據功的定義來求解,所以往往通過動能定理來計算。
與電磁感應相結合,也是動能定理的常見測試題。 在這種情況下,常常研究導體棒的運動,常常研究導體棒在摩擦、安培力、外拉力作用下動能的變化。
如果仔細分析的話,你還會發現愛因斯坦的光電效應方程也和動能定理非常相似,或者說它是動能定理方程在光學中的推廣。
總之,動能定理的檢驗點太靈活了高中物理的知識點總結,幾何可以結合任何一章來做命題。 因此,從機械能出發,如果任何一章遇到復雜的函數關系問題,學生必須有意識地思考動能定理是否可以應用。
使用動能定理解決問題的步驟摘要
(1)確定研究對象和研究過程。 動能定理的研究對象只能是單一物體。 如果是一個系統,那么系統中的物體之間就不可能有相對運動。 (原因是系統中所有內力所做的總功此時不一定為零,還會產生或釋放其他形式的能量)。
(2)對研究對象進行受力分析。 (必須分析研究對象以外的物體對研究對象施加的力,包括重力)。
(3)寫出該過程中各外力共同做的功,或者分別寫出各力所做的功(注意做功的符號)。 如果研究過程中物體上的力發生變化,請寫下每個階段力所做的功。
(4)寫出物體的初動能和終動能高中物理的知識點總結,并根據動能定理求解。
應用動能定理解決問題時的注意事項
1 動能定理中的物理表達式都是標量。 當凈外力對物體做正功時,Ek2>Ek1,物體的動能增加; 反之,Ek1>Ek2,物體的動能減小;
2、動能定理所研究的物體應該是單個物體,也可以看作一個物體的整體系統。 如果它不是一個整體,那么就存在一個矛盾:分析哪個物體所受到的合外力? 研究哪個物體的初態和終態動能?
3、動能定理的計算公式一般以地面為參考系; 每個速度均以地面為參考系(不能替代相對速度)。
4、動能定理既適用于直線運動,也適用于曲線運動; 適用于恒力(外力之和)做功和變力做功; 力可以分段作用,也可以同時作用。 求每個力所做的功。 可以使用 的正負代數和。 這就是動能定理(相對于牛頓動力學)的優越性。
5、動能定理的總外力是作用在物體上的所有外力的總和。 進行計算時,繪制力圖。 制定公式時不要失去力量。
動能定理與機械能守恒的區別與聯系
區別
1 動能定理的研究對象是單一對象,而機械能守恒定律的研究對象一般是多個對象組成的系統; 它也可以是一個對象。
2 動能定理公式 等號左邊是合外力所做的功,右邊是動能的變化; 它是工作和能量之間的聯系。 機械能守恒定律方程的左邊是一種狀態下的機械能之和,右邊是另一種狀態下的機械能之和; 這是一個能量保持不變的方程。
連接
1.無需分析具體的加速度和時間,即可研究能量變化。
2 可用于求解動能(速度)或動能的變化。
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