动能定理应用的要点分析

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  动能定理是功能关系中应用最广泛的定理之一。正确理解动能定理的内涵和掌握其应用方法,是学习的关键。下面结合例子进行分析。
  一、正确理解动能定理的内涵
  动能定理可以表示为,式中左边是所有外力对物体做的总功,式中右边是末、初两状态物体的动能差。应用时,首先,选择研究对象,明确要研究的是哪一段过程。其次,对物体进行受力分析,计算各个力对物体做的功,求出这些功的代数和。再次,确定物体初、末状态的动能,未知量川符号表示。最后,根据动能定理列出方程求解。
  例1 一架飞机的质量m=5×103kg,起飞过程中从静止开始滑跑的距离为s=6×102m时,达到起飞速度υ=60m/s.在此过程中飞机受到的平均阻力是飞机重量的0.02倍(k=0.02),g=10m/s2,求飞机受到的牵引力。
  分析与解:以飞机为研究对象,飞机受到重力mg、支持力N、牵引力F、阻力f,其中重力和支持力小做功,牵引力做正功,阻力做负功,外力做的总功为(F-f)s,起飞过程的始末动能分别为0和,根据动能定理得,,代入数据解得F=1.6×104N。
  点拨:动能定理是针对一段过程的,应用时必须明确这段过程外力做的总功和物体始末状态的动能。
  二、明确动能定理的优越性
  动能定理不涉及物体运动过程中的加速度和时问,不考虑物体运动的路径如何,因而在只涉及位置变化与速度的力学问题中,应用动能定理比直接运用牛顿第二定律解题要简便。
  例2 一辆质量为m,速度为νo。的汽车在关闭发动机后沿水平地面滑行了距离L后停下来,试求汽车受到的阻力。
  分析与解:初学者往往想到用牛顿定律和运动学公式求解。实际上应用动能定理最简单。汽车在滑行的过程.阻力做负功为-fL,始末状态动能分别为和0,根据动能定理,有 解得
  点拨:在不涉及时间或不要求具体的细节问题,只关心初、末状态时,运用动能定理解题往往更为快捷。而且动能定理是计算物体位移或速率的简捷工具,当题目中涉及位移时可优先考虑动能定理,不论物体做什么形式的运动、受力如何,动能定理总是适用。
  三、掌握求变力做功的方法
  用动能定理处理问题无需考虑其具体的运动过程,只需注意初末状态即可,因此应用动能定理求变力做功和曲线运动的问题,可使解题过程简化。
  例3 一运动员的臂长为L,将质量为m的铅球推出,铅球出手的速度大小为Vo方向与水平方向成30度角,则该运动员对铅球所做的功是()。
  分析与解:初学者往往想到根据功的定义式W=Fscosθ求解,殊不知运动员对铅球的作用力是个变力,而功的定义式只能计算恒力做的功。若应用动能定理则问题迎刃而解。在推出铅球的过程,重力做负功为-mgLsin30°,推力做正功,设为W,铅球的始末动能分别为0和,根据动能定理,有,解得故选项C正确。
  点拨:动能定理既适用于恒力做功,也适用于变力做功,既适用于直线运动,也适用于曲线运动,既适用于单一运动过程,也适用于运动的全过程。
  四、抓住动能定理应用的关键
  应用动能定理处理运动问题的关键,在于分清过程中有几个力做功和做功的变化情况,以及初末状态的动能。
  例4 滑板是现在非常流行的一种运动,如图l所示,一滑板运动员以7m/s的初速度从曲面的A点下滑,运动到B点时速度仍为7m/s。若他以6m/s的初速度仍由A点下滑,则他运动到B点时的速度()。
  A.大于6m/s
  B.等于6m/s
  C.小于6m/s
  D.条件不足,无法计算
  分析与解:有的同学认为,运动员下滑的过程,重力做正功,滑动摩擦力做负功,而这两个力对运动员做的功与速度无关,根据动能定理可知,选项B正确。这种分析是错误的,错在哪里呢?关键是没有考虑到运动员做曲线运动时,速度越大,对轨道的压力越大,则滑动摩擦力越大,运动员克服摩擦力做功越大。因此,速度减小时,克服摩擦力做功减小。根据动能定理可知,选项A正确。
  点拨:动能定理经常用来解决曲线运动和变力做功的问题,解题时分析力的变化情况非常重要。
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