動(dòng)能定律是熱學(xué)的重要規(guī)律.運(yùn)用動(dòng)能定律解題的基本思路如下:(1)選定研究對(duì)象,明晰它的運(yùn)動(dòng)過程.(2)剖析研究對(duì)象的受力情況和各個(gè)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(gè)外力做功的代數(shù)和.(3)明晰物體在過程始末狀態(tài)的動(dòng)能EK1和EK2.(4)列舉動(dòng)能定律的等式W總=EK2-EK1及其他的解題多項(xiàng)式,進(jìn)行求解.
一、應(yīng)用動(dòng)能定律求變力做功
變力做功通常用動(dòng)能定律估算,應(yīng)用時(shí)要清楚整個(gè)過程中動(dòng)能的變化及其他力做的功.
例1質(zhì)量為m的小球被系在輕繩一端,在豎直平面內(nèi)做直徑為R的圓周運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)過程中小球遭到空氣阻力的作用.設(shè)某一時(shí)間小球通過軌道的最高點(diǎn),此時(shí)繩子的拉力為7mg,隨后小球繼續(xù)做圓周運(yùn)動(dòng),經(jīng)過半個(gè)圓周恰能通過最低點(diǎn),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(diǎn)時(shí),設(shè)速率為v1.
則7mg-mg=mv12R.①
設(shè)小球恰能通過最低點(diǎn)的速率為v0.
則mg=mv02R.②
設(shè)轉(zhuǎn)過半個(gè)圓周過程中小球克服空氣阻力做的功為W.
由動(dòng)能定律,得
-mg2R-W=mv022-mv122.③
解得W=mgR2.
答案為C.
點(diǎn)評(píng):該題中空氣阻力通常是變化的,又不知其大小關(guān)系,故只能按照動(dòng)能定律求做功的大小,而應(yīng)用動(dòng)能定律時(shí)初、末兩個(gè)狀態(tài)的動(dòng)能又要按照?qǐng)A周運(yùn)動(dòng)求得,不能直接套用,這常常是該類題目的特性.
二、用動(dòng)能定律判定能量的改變
做功的過程就是能量轉(zhuǎn)換的過程.做功的數(shù)值就是能量轉(zhuǎn)化的數(shù)值,這是功能關(guān)系的普遍意義.不同方式的能的轉(zhuǎn)換又與不同方式的功相聯(lián)系.熱學(xué)領(lǐng)域中功與能關(guān)系的主要方式有:
1.合外力(包括重力)做功等于物體動(dòng)能的改變量.
2.與勢能有關(guān)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(dòng)磨擦力形成的熱等于滑動(dòng)磨擦力除以相對(duì)路程Q=f?s相對(duì)
說明:將動(dòng)能定律表達(dá)式中各力做功靈活移項(xiàng)就可判定各類能量的改變.
例2一小物體以100J的初動(dòng)能滑上斜面,當(dāng)動(dòng)能降低80J時(shí),機(jī)械能降低32J,則當(dāng)物體滑回原出發(fā)點(diǎn)時(shí)動(dòng)能為多少?
解析:注意什么力作功,對(duì)應(yīng)哪些樣的能量變化.
設(shè)斜面夾角為θ,滑動(dòng)磨擦力為F,動(dòng)能降低80J時(shí)位移為s1.
按照功能關(guān)系:
動(dòng)能降低量等于合外力做的功,即
80=(mgsinθ+F)s1.①
機(jī)械能的降低量等于除重力以外的力所做的功,即
32=Fs1.②
設(shè)物體從斜面底端到最低點(diǎn)位移為s2.則動(dòng)能的降低量為100J動(dòng)能定理的應(yīng)用,即
100=(mgsinθ+F)s2.③
設(shè)機(jī)械能的降低量為WF,即為上劃過程中滑動(dòng)磨擦力所做的總功.有
WF=F?s2.④
綜合①②③④有8032=100WF.
(由此可知,動(dòng)能變化量之比等于阻力做功之比)
上滑及下降過程中滑動(dòng)磨擦力都做負(fù)功,且數(shù)值相等動(dòng)能定理的應(yīng)用,所以一個(gè)往返磨擦力做負(fù)功總和為
WF總=2WF=80J.
故滑回高端時(shí)物體的動(dòng)能EK=(100-80)J=20J.
三、使用動(dòng)能定律求解多過程問題
物體運(yùn)動(dòng)有多個(gè)過程時(shí),首要條件是確切剖析判定有多少個(gè)過程,之后挨個(gè)過程剖析有什么力做功,且各力做功
應(yīng)與位移對(duì)應(yīng),并確定初、末態(tài)動(dòng)能.
例3如圖,一質(zhì)量為2kg的標(biāo)槍從離地面2m高處自由下落,深陷沙坑中2cm深處,求石子對(duì)標(biāo)槍的平均阻力.(g=10m/s)
解析:小球的運(yùn)動(dòng)包括自由落體和深陷沙坑減速運(yùn)動(dòng)兩個(gè)過程,知初、末態(tài)動(dòng)能,運(yùn)動(dòng)位移,應(yīng)選用動(dòng)能定律解決.