动能定理的基本概念
外力合力所做的功等于物体动能的变化。 这就是动能定理的内容。 动能定理也可以表示为:该过程中各组成部分所做的功的代数和等于动能的变化。
这里的总外力是指所有外力对研究对象的合力。
动能定理的表达
动能定理的基本表达式:F合s=W=ΔEk;
动能定理的其他表达式:
∫Fds=W=ΔEk;
F1s1+F2s2+F3s3+……=ΔEk;
尽管功是一个标量,但它有正值和负值。 最严格的公式是第二个公式; 最常用但有些困难的公式是第三个公式。
动能定理的来源
我们来推导出动能定理。 很多同学可能认为这是没有必要的,但事实恰恰相反。
近年来,高考物理试题特别注重基础知识的推导和应用。 了解各个知识点之间的联系可以帮助你更好地理解物理考点。
只有了解了心中的动能定理,知道了它的由来,才能在考试中科学地运用动能定理解决问题。 动能定理的推导分为以下两步:
(1)匀速直线运动动能定理的推导过程
如果物体做匀速直线运动,其受力情况为F=ma;
匀速直线运动公式:2as=v2-v02; 等式两边同时乘以m,再除以2,有:
mas=1/2(mv2-v02)=Ek2-Ek1=ΔEk;
上式左边mas=F,s=W;
因此:F结合s=W=ΔEk;
这就是匀速直线运动情况下动能定理的推导过程。
(2)普通直线运动模态动能定理的推导过程
利用微积分的思想,我们将普通的运动模式分割成非常小的运动片段(微元法的应用;要求学生思考位移公式的推导过程)。
当我们的运动模式被无限划分时,每个小段都可以被认为是一个匀加速线性运动模式(要么a>0;要么a
对于任意一段(从t=m到t=n),我们可以利用(1)中的推理过程,结合s=man=En-Em得到W=F
对于整个过程,我们有:
W合计=W1+W2+W3+……=ma1+ma2+ma3+……=(E2-E1)+(E3-E2)+(E4-E3)+……+(En-Em)+……=E结尾-E开头
即W总是=E结束-E开始; 这就是普通直线运动模式下动能定理的推导过程。
在曲线运动模式下,动能定理也成立。 其推导过程这里不再分析。 有兴趣的同学可以自己研究一下。
动能定理的意义
无论我们是研究外力做功,还是寻找物体动能的变化,除了最基本的定义之外,我们还有另外一种方法来解决。
动能定理建立了过程量(功)和状态量(动能)之间的联系。
当我们分析复杂的运动模式时,除了牛顿动力学之外,我们还可以利用动能定理来避免中间的复杂过程(加速等)。
动能定理与其他测试点相关
动能定理和其他知识点有太多的联系。 例如,圆周运动问题,即从最低点到垂直平面内一点的运动,需要借助动能定理来解决。
两个(或三个)复杂物体在摩擦下的运动有时很难用牛顿定律来解决,但用牛顿定律+动能定理来解决往往会变得更简单。
动能定理也会与静电场问题结合起来,比如解决库仑力做功的问题。 由于是变力做功,没有办法直接根据功的定义来求解,所以往往通过动能定理来计算。
与电磁感应相结合,也是动能定理的常见测试题。 在这种情况下,常常研究导体棒的运动,常常研究导体棒在摩擦、安培力、外拉力作用下动能的变化。
如果仔细分析的话,你还会发现爱因斯坦的光电效应方程也和动能定理非常相似,或者说它是动能定理方程在光学中的推广。
总之,动能定理的检验点太灵活了高中物理的知识点总结,几何可以结合任何一章来做命题。 因此,从机械能出发,如果任何一章遇到复杂的函数关系问题,学生必须有意识地思考动能定理是否可以应用。
使用动能定理解决问题的步骤摘要
(1)确定研究对象和研究过程。 动能定理的研究对象只能是单一物体。 如果是一个系统,那么系统中的物体之间就不可能有相对运动。 (原因是系统中所有内力所做的总功此时不一定为零,还会产生或释放其他形式的能量)。
(2)对研究对象进行受力分析。 (必须分析研究对象以外的物体对研究对象施加的力,包括重力)。
(3)写出该过程中各外力共同做的功,或者分别写出各力所做的功(注意做功的符号)。 如果研究过程中物体上的力发生变化,请写下每个阶段力所做的功。
(4)写出物体的初动能和终动能高中物理的知识点总结,并根据动能定理求解。
应用动能定理解决问题时的注意事项
1 动能定理中的物理表达式都是标量。 当净外力对物体做正功时,Ek2>Ek1,物体的动能增加; 反之,Ek1>Ek2,物体的动能减小;
2、动能定理所研究的物体应该是单个物体,也可以看作一个物体的整体系统。 如果它不是一个整体,那么就存在一个矛盾:分析哪个物体所受到的合外力? 研究哪个物体的初态和终态动能?
3、动能定理的计算公式一般以地面为参考系; 每个速度均以地面为参考系(不能替代相对速度)。
4、动能定理既适用于直线运动,也适用于曲线运动; 适用于恒力(外力之和)做功和变力做功; 力可以分段作用,也可以同时作用。 求每个力所做的功。 可以使用 的正负代数和。 这就是动能定理(相对于牛顿动力学)的优越性。
5、动能定理的总外力是作用在物体上的所有外力的总和。 进行计算时,绘制力图。 制定公式时不要失去力量。
动能定理与机械能守恒的区别与联系
区别
1 动能定理的研究对象是单一对象,而机械能守恒定律的研究对象一般是多个对象组成的系统; 它也可以是一个对象。
2 动能定理公式 等号左边是合外力所做的功,右边是动能的变化; 它是工作和能量之间的联系。 机械能守恒定律方程的左边是一种状态下的机械能之和,右边是另一种状态下的机械能之和; 这是一个能量保持不变的方程。
连接
1.无需分析具体的加速度和时间,即可研究能量变化。
2 可用于求解动能(速度)或动能的变化。
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