動能定律是熱學的重要規律.運用動能定律解題的基本思路如下:(1)選定研究對象,明晰它的運動過程.(2)剖析研究對象的受力情況和各個力的做功情況:受什么力?每位力是否做功?作證攻還是做開工?做多少功?之后求各個外力做功的代數和.(3)明晰物體在過程始末狀態的動能EK1和EK2.(4)列舉動能定律的等式W總=EK2-EK1及其他的解題多項式,進行求解.
一、應用動能定律求變力做功
變力做功通常用動能定律估算,應用時要清楚整個過程中動能的變化及其他力做的功.
例1質量為m的小球被系在輕繩一端,在豎直平面內做直徑為R的圓周運動,運動過程中小球遭到空氣阻力的作用.設某一時間小球通過軌道的最高點,此時繩子的拉力為7mg,隨后小球繼續做圓周運動,經過半個圓周恰能通過最低點,則在此過程中小球克服空氣阻力所做的功為().
A.14mgRB.13mgRC.12mgRD.mgR
解析:小球在圓最高點時,設速率為v1.
則7mg-mg=mv12R.①
設小球恰能通過最低點的速率為v0.
則mg=mv02R.②
設轉過半個圓周過程中小球克服空氣阻力做的功為W.
由動能定律,得
-mg2R-W=mv022-mv122.③
解得W=mgR2.
答案為C.
點評:該題中空氣阻力通常是變化的,又不知其大小關系,故只能按照動能定律求做功的大小,而應用動能定律時初、末兩個狀態的動能又要按照圓周運動求得,不能直接套用,這常常是該類題目的特性.
二、用動能定律判定能量的改變
做功的過程就是能量轉換的過程.做功的數值就是能量轉化的數值,這是功能關系的普遍意義.不同方式的能的轉換又與不同方式的功相聯系.熱學領域中功與能關系的主要方式有:
1.合外力(包括重力)做功等于物體動能的改變量.
2.與勢能有關的力(重力、彈簧彈力、電場力、分子力)做工等于是能的改變量.
3.由滑動磨擦力形成的熱等于滑動磨擦力除以相對路程Q=f?s相對
說明:將動能定律表達式中各力做功靈活移項就可判定各類能量的改變.
例2一小物體以100J的初動能滑上斜面,當動能降低80J時,機械能降低32J,則當物體滑回原出發點時動能為多少?
解析:注意什么力作功,對應哪些樣的能量變化.
設斜面夾角為θ,滑動磨擦力為F,動能降低80J時位移為s1.
按照功能關系:
動能降低量等于合外力做的功,即
80=(mgsinθ+F)s1.①
機械能的降低量等于除重力以外的力所做的功,即
32=Fs1.②
設物體從斜面底端到最低點位移為s2.則動能的降低量為100J動能定理的應用,即
100=(mgsinθ+F)s2.③
設機械能的降低量為WF,即為上劃過程中滑動磨擦力所做的總功.有
WF=F?s2.④
綜合①②③④有8032=100WF.
(由此可知,動能變化量之比等于阻力做功之比)
上滑及下降過程中滑動磨擦力都做負功,且數值相等動能定理的應用,所以一個往返磨擦力做負功總和為
WF總=2WF=80J.
故滑回高端時物體的動能EK=(100-80)J=20J.
三、使用動能定律求解多過程問題
物體運動有多個過程時,首要條件是確切剖析判定有多少個過程,之后挨個過程剖析有什么力做功,且各力做功
應與位移對應,并確定初、末態動能.
例3如圖,一質量為2kg的標槍從離地面2m高處自由下落,深陷沙坑中2cm深處,求石子對標槍的平均阻力.(g=10m/s)
解析:小球的運動包括自由落體和深陷沙坑減速運動兩個過程,知初、末態動能,運動位移,應選用動能定律解決.