代表作用在運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)上的合外力的功。從動(dòng)能定律深入領(lǐng)會(huì)“功”和“動(dòng)能”兩個(gè)概念之間的區(qū)別和聯(lián)系。動(dòng)能是反映物體本身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)學(xué)量,物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)一定,能量也就惟一確定了,故能量是“狀態(tài)量”,而功并不決定于物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),而是和物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化過程,即能量變化的過程相對應(yīng)的,所以功是“過程量”。功只能量度物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí),它的能量變化了多少,而不能量度物體在一定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下所具有的能量,有的書上把動(dòng)能定律稱之為動(dòng)能原理。對原理、定理分辨不嚴(yán)格,本辭條按課本教材要求,稱“動(dòng)能定律”。此定律彰顯了功和動(dòng)能之間的聯(lián)系。稱為定律的緣由是由于它是從牛頓定理,經(jīng)物理嚴(yán)格推論下來的,并不能擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。因?yàn)閯?dòng)能定律不涉及物體運(yùn)動(dòng)過程中的加速度和時(shí)間,不論物體運(yùn)動(dòng)的路徑怎樣,因此在只涉及位置變化與速率的熱學(xué)問題中,應(yīng)用動(dòng)能定律比直接運(yùn)用牛頓第二定理要簡單。
應(yīng)用動(dòng)能定律解題的基本步驟
(1)確定研究對象,研究對象可以是一個(gè)單體也可以是一個(gè)系統(tǒng).
(2)剖析研究對象的受力情況和運(yùn)動(dòng)情況,是否是求解“力、位移與速度關(guān)系”問題.
(3)若是,按照W合=Ek2-Ek1列式求解.
動(dòng)能定律和功能原理
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動(dòng)能定律
把幾個(gè)有互相作用的質(zhì)點(diǎn)所組成的系統(tǒng)作為研究對象,闡述功與能之間所遵守的規(guī)律。首先,把動(dòng)能定律的關(guān)系式推廣到由幾個(gè)質(zhì)點(diǎn)組成的系統(tǒng)。這時(shí),用Ek和Ek0分別表示系統(tǒng)內(nèi)所有質(zhì)點(diǎn)在終態(tài)和初態(tài)的總動(dòng)能,W表示作用在各質(zhì)點(diǎn)上所有的力所做的功的總和,則有
W=Ek-Ek0
值得注意的是,所有的力所做的功的代數(shù)和,不是合力的功。由于由幾個(gè)質(zhì)點(diǎn)組成的系統(tǒng),不同于一個(gè)質(zhì)點(diǎn),各力作用點(diǎn)的位移不一定相同。斥力又可分辨為外力和內(nèi)力,外力是指系統(tǒng)外其它物體對系統(tǒng)內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)的斥力,內(nèi)力是指系統(tǒng)內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)之間的互相斥力。其實(shí)內(nèi)力的合力為零,但內(nèi)力的功通常不為零,由于各力作用點(diǎn)的位移不一定相同。因而,對于系統(tǒng)來說,上式中的W應(yīng)等于外力所做的功與內(nèi)力所做的功之和,所以,上式可改寫為
W外+W內(nèi)=Ek-Ek0(1)
這就是質(zhì)點(diǎn)系的動(dòng)能定律,它在慣性參考系中創(chuàng)立。
功能原理
系統(tǒng)的內(nèi)力可分為保守內(nèi)力和非保守內(nèi)力。因而,內(nèi)力的功W內(nèi)應(yīng)等于保守內(nèi)力的功與非保守內(nèi)力的功之和。所以(1)式可寫為
W外力+W保守內(nèi)力+W非保守內(nèi)力=Ek-Ek0
因?yàn)楸J貎?nèi)力所做的功可用系統(tǒng)勢能的降低來表示,即W保守內(nèi)力=Ep0-Ep,所以,上式可改寫為
W外力+W非保守內(nèi)力=(Ek+Ep)-(Ek0+Ep0)
系統(tǒng)的動(dòng)能和勢能之和稱作系統(tǒng)的機(jī)械能E,即E=Ek+Ep,則上式又可寫為
W外力+W非保守內(nèi)力=E-E0
(2)
上式說明:系統(tǒng)從初態(tài)變化到終態(tài)時(shí),它的機(jī)械能的增量等于外力的功和非保守內(nèi)力的功的總和,這稱為系統(tǒng)的功能原理。由于功能原理是在質(zhì)點(diǎn)系的動(dòng)能定律中引入勢能而得出的,所以它和質(zhì)點(diǎn)系動(dòng)能定律一樣也是在慣性參考系中才創(chuàng)立。
值得注意的是,質(zhì)點(diǎn)系的動(dòng)能定律和功能原理都給出系統(tǒng)的能量的改變和功的關(guān)系。后者給出的是動(dòng)能的改變和功的關(guān)系,應(yīng)該把所有的力的功都估算在內(nèi);前者給出的則是機(jī)械能的改變和功的關(guān)系,因?yàn)闄C(jī)械能中的勢能的改變早已反映了保守內(nèi)力的功,因此只需估算保守內(nèi)力之外的其它力的功。
“動(dòng)能定律”和“功能原理”有哪些聯(lián)系和區(qū)別?
研究“外力對物體做功”和“物體機(jī)械能變化”的關(guān)系是熱學(xué)中的重要問題之一。“動(dòng)能定律”和“功能原理”都是抒發(fā)這些關(guān)系的規(guī)律,只是抒發(fā)的方式不同,但它們的本質(zhì)是相同的。
*在“動(dòng)能定律”中只提動(dòng)能而不提勢能;在“功能原理”中既提動(dòng)能也提勢能。
*在“動(dòng)能定律”中包含重力所做的功;在“功能原理”中不包含重力所做的功。
*在“動(dòng)能原理”中所包含的重力對物體所做的功與在“功能原理”中所提及的物體重力勢能的變化是對同一化學(xué)現(xiàn)象的不同敘述。
*個(gè)別熱學(xué)問題,既可以用“動(dòng)能定律”求解,也可以用“功能原理”求解。具體怎么選擇,常常要按照題意而定。選擇恰當(dāng)動(dòng)能定理公式,除了解題方便,但是不易失誤。(注:目前的初三數(shù)學(xué)課本只講“動(dòng)能定律”,但有關(guān)功能原理的思想也分布在課文之中了。假如中學(xué)生的基礎(chǔ)不太好動(dòng)能定理公式,若為減少負(fù)擔(dān),也可只學(xué)習(xí)和應(yīng)用“動(dòng)能定律”。)
*在運(yùn)用“動(dòng)能定律”解題時(shí)應(yīng)該注意:在公式W=△EK中不含勢能的變化(△EP),并且在W中包含注重力做功WG。在運(yùn)用“功能原理”解題時(shí)應(yīng)該注意:在公式WF=△E中既含動(dòng)能的變化也含勢能的變化,即△E=△EK+△EP,并且在WF中不包含重力做功WG。(注:也不包括重力分解出的下降分力做功!)其實(shí)必須明晰:W與WF的區(qū)別;△EK與△E的區(qū)別。
另外,這又一篇比較精典的文章,僅夠參考: