师:今天我们一起学习动能定理的应用。首先对动能定理进行回顾与再认识,接着应用它求解不同类型的问题。
动能定理表达式为:$W_{合}=E_{k末}-E_{k初}$ 。$W_{合}$是所有力的功的总和,即合力的功。等式右边要用末状态动能减去初状态动能,不能颠倒。
计算合力的功有两种方式:一是分别算出各个力做的功,再求代数和;二是先把力合成,然后根据功的定义求解合力的功。
动能定理适用范围很广,既适用于直线运动,也适用于曲线运动;既适用于恒力做功,也适用于变力做功。
应用动能定理解题步骤如下:
第一步,确定研究对象,因为质量是研究对象的质量。
第二步,选择研究过程,确定初末状态,只有确定了过程,才能明确哪里是初,哪里是末。
第三步,分析过程中对象的受力情况,并写出各个力的功,以便求出$W_{合}$ 。
第四步,写出动能定理表达式并求解。
下面通过例题来应用动能定理。
例1:求解变力做功问题。
如图,运动员驾驶摩托车做腾跃特技表演。运动员从斜坡底部A处以$v_{0}=10$米每秒的初速度,保持摩托车以额定功率$P_{0}=1.8$千瓦行驶,经过$t = 13$秒冲上斜坡,从斜坡顶部B点水平飞出。已知人和车总质量为$180$千克,坡顶高度$h = 5$米,落地点距B点水平距离为$16$米,不计空气阻力,重力加速度取$10m/s2$。求摩托车冲上坡顶过程中克服摩擦力做的功。
读题注意关键词:额定功率、B点水平飞出、不计空气阻力。B点水平飞出且不计空气阻力,可知从B到落地是平抛运动。
分析从A到B过程中摩托车受力:有重力、支持力、摩托车提供的动力以及摩擦阻力。其中摩擦阻力和动力的大小与方向都在变化,都是变力。虽然$f$是变力,但我们可整体求$W_{F}$;动力虽也是变力,不过因功率恒定,可通过$W = P_{0}t$求解动力做功。另外,还可利用平抛规律求出B点初速度。
按此思路求解:选人和车为对象,取A到B为研究过程,A为初状态,B为末状态。这一过程中,动力做功$P_{0}t$,重力做功$-mgh$,弹力不做功,摩擦力做功未知,设为$W_{F}$ ,根据动能定理有:$P_{0}t - mgh + W_{F} = \frac{1}{2}mv^{2} - \frac{1}{2}mv_{0}^{2}$ 。$v_{0}$已知,但$v$未知,需再找方程。
从B到落地是平抛运动,根据平抛运动规律:竖直方向$\frac{1}{2}gt^{2} = h$ ,水平方向$v \times t = s$ ,联立可求出$v = 16$米每秒。将$v = 16$米每秒代入上式,可求出$W_{F} = -360$焦耳。因为摩擦力做负功,所以人车克服摩擦力做功$360$焦耳。
通过这道题,我们知道动能定理可求变力的功,无需用微元法;在恒定功率情况下,可用恒定功率乘以时间算出对应功。
例2:含有弹簧的问题。
如图,劲度系数为$k$的轻质弹簧一端固定在墙壁上,自由态时达到O点。一质量为$m$的物体以一定初速度由A点正对弹簧滑行,到达B点时速度为$0$,此后物体刚好回到A点。已知弹簧在弹性限度内,物体与水平地面间动摩擦因数为$\mu$ ,$AO$、$OB$距离分别为$L_{1}$ 、$L_{2}$ 。求全程弹簧弹力做功是多少?物体从O到B克服弹力所做的功是多少?
读题注意:自由态指弹簧原长;初速度数值未知;到达B点速度为$0$,即弹簧压缩最大处为B点;物体再次回到A点时速度为$0$ 。要分别求全程弹簧弹力做功以及从O到B克服弹力所做的功。
分析弹簧弹力做功:可根据弹簧弹力做功特点或功的定义分析。从O到B弹簧弹力是变力,变力做功可利用动能定理求解。
第一问,求全程弹簧弹力做功。
全过程中,弹簧真正做功从物块接触弹簧(即到达O点)开始,到离开弹簧结束。此过程弹簧从原长到压缩再回到原长,初末位置弹簧都处于原长状态,弹簧弹力做功为$0$ 。类比斜面轨道,小球从某点释放滚到对面斜面等高处,重力做功为$0$ ,同理弹簧弹力做功也为$0$ 。从功的定义解释:从O到B压缩弹簧,位移向左,弹力向右,弹簧对物块做负功;从B到O弹回时,位移向右,弹力也向右,弹簧对物块做正功,这两个过程完全对称,正负功抵消,所以全过程弹力做功为$0$ 。
