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用动能定理解决问题的思路,应该从动能定理中去寻找。从动能定理本身去寻找解决问题的思路,有助于深刻理解动能定理的本质,也有助于学生分析问题、解决问题能力的提高。
用动能定理解决问题的思路是什么呢?我们先看动能定理的内容:在一个过程中对物体所做的功,等于物体在这个过程中动能的变化。即W=Ek2- Ek1=12mv22?12mv12,动能定理涉及一个力对物体做功的过程,在这个过程中W表示物体受的所有力对物体做的总功,即各力功的代数和。Ek2表示过程结束状态的动能Ek2=12mv22,Ek1表示过程开始状态的动能Ek1=12mv12,所以在用动能定理解决问题时的思路应是:
1 确定研究对象,W是对物体做的总功,12mv2 中m表示物体的质量。所以用动能定理解决问题时,首先要确定研究对象——物体。
2 对物体进行受力分析和过程分析,在对物体进行受力分析的基础上,才可以求物体所受各个力做的功,然后才能求力对物体做的总功W。也就是说,对物体进行受力分析是为求总功做准备。对物体运动过程的分析—是为了求各个力的功,=是为了确定物体运动过程中的初、末状态,初、末状态确定了,便于确定Ek2 和Ek1。需要说明的是,过程初、末状态的速率v1和v2 应该相对于同一个参考系,和过程分析中选的参考系一样。
3 根据动能定理列出方程,方程W=12mv22?12mv12中的W是指物体受的各个力对物体做功的代数和。需要说明的是,再求重力做功时用 WG=mgh1- mgh2比较方便,求弹簧弹力做功时用 WF= 12kx12?12kx22比较方便。
4 根据问题的需要补充一些力学方程,然后求解。
例1 物体从高出地面H处有静止自由落下,不考虑空气阻力,落至地面沙坑下h处停止,求物体在沙坑中受到的平均阻力是其重力的多少倍?
解析 物体的运动过程可分为自由落体和减速运动两个过程。设自由落体的末速度为v,有动能定理得mgH=12mv2 ,在减速运动过程中受重力和阻力,有动能定理得mgh- fh=0-12mv2,由以上两个方程可得f=mg(Hh+h)。
把物体的运动过程整体考虑,重力是全程做功,阻力是部分过程做功,有动能定理可得mg(H+h)—fh=0 因此f=mg(Hh+h)。
例2 质量为m的小孩坐在秋千板上,小孩离栓绳子的横梁为L。如果秋千摆到最高点时,绳子与竖直方向的夹角是,秋千板摆到最低点时,小孩对秋千板的压力是多大?
解析 很显然选小孩作为研究对象比较合适,小孩从最高点摆到最低点的过程中,受重力mg和秋千板对他的支持力F,支持力的方向与速度方向垂直,不做功,只有重力做功。设小孩在最低点的速度为v,有动能定理可得
mgl(1- cosθ)=12mv2 ①.
小孩在最低时,由牛顿第二定律可得 FN- mg=mv l 2 ②,又小孩在最低点时,小孩对秋千板的压力F 与秋千板对小孩的支持力是相互作用力,由牛顿第三定律可得FN’=FN ③
由①②③可得 FN’=
点评:小孩从最高点摆到最低点的过程中,只有重力做功,所以也可以用机械能守恒定律求解。
练习 某运动员将质量为m的足球用力F踢出,足球速度为v,运动了位移L而停止,则运动员踢足球时人对足球做的功为()
A FL B12mv2 C mv2 D无法确定
用动能定理解决问题的思路是什么呢?我们先看动能定理的内容:在一个过程中对物体所做的功,等于物体在这个过程中动能的变化。即W=Ek2- Ek1=12mv22?12mv12,动能定理涉及一个力对物体做功的过程,在这个过程中W表示物体受的所有力对物体做的总功,即各力功的代数和。Ek2表示过程结束状态的动能Ek2=12mv22,Ek1表示过程开始状态的动能Ek1=12mv12,所以在用动能定理解决问题时的思路应是:
1 确定研究对象,W是对物体做的总功,12mv2 中m表示物体的质量。所以用动能定理解决问题时,首先要确定研究对象——物体。
2 对物体进行受力分析和过程分析,在对物体进行受力分析的基础上,才可以求物体所受各个力做的功,然后才能求力对物体做的总功W。也就是说,对物体进行受力分析是为求总功做准备。对物体运动过程的分析—是为了求各个力的功,=是为了确定物体运动过程中的初、末状态,初、末状态确定了,便于确定Ek2 和Ek1。需要说明的是,过程初、末状态的速率v1和v2 应该相对于同一个参考系,和过程分析中选的参考系一样。
3 根据动能定理列出方程,方程W=12mv22?12mv12中的W是指物体受的各个力对物体做功的代数和。需要说明的是,再求重力做功时用 WG=mgh1- mgh2比较方便,求弹簧弹力做功时用 WF= 12kx12?12kx22比较方便。
4 根据问题的需要补充一些力学方程,然后求解。
例1 物体从高出地面H处有静止自由落下,不考虑空气阻力,落至地面沙坑下h处停止,求物体在沙坑中受到的平均阻力是其重力的多少倍?
解析 物体的运动过程可分为自由落体和减速运动两个过程。设自由落体的末速度为v,有动能定理得mgH=12mv2 ,在减速运动过程中受重力和阻力,有动能定理得mgh- fh=0-12mv2,由以上两个方程可得f=mg(Hh+h)。
把物体的运动过程整体考虑,重力是全程做功,阻力是部分过程做功,有动能定理可得mg(H+h)—fh=0 因此f=mg(Hh+h)。
例2 质量为m的小孩坐在秋千板上,小孩离栓绳子的横梁为L。如果秋千摆到最高点时,绳子与竖直方向的夹角是,秋千板摆到最低点时,小孩对秋千板的压力是多大?
解析 很显然选小孩作为研究对象比较合适,小孩从最高点摆到最低点的过程中,受重力mg和秋千板对他的支持力F,支持力的方向与速度方向垂直,不做功,只有重力做功。设小孩在最低点的速度为v,有动能定理可得
mgl(1- cosθ)=12mv2 ①.
小孩在最低时,由牛顿第二定律可得 FN- mg=mv l 2 ②,又小孩在最低点时,小孩对秋千板的压力F 与秋千板对小孩的支持力是相互作用力,由牛顿第三定律可得FN’=FN ③
由①②③可得 FN’=
点评:小孩从最高点摆到最低点的过程中,只有重力做功,所以也可以用机械能守恒定律求解。
练习 某运动员将质量为m的足球用力F踢出,足球速度为v,运动了位移L而停止,则运动员踢足球时人对足球做的功为()
A FL B12mv2 C mv2 D无法确定