力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。这个结论叫做动能定理(theorem ofkinetic energy)。
如果物体受到几个力的共同作用,动能定理中的W即为合力做的功,它等于各个力做功的代数和。例如,一架飞机在牵引力和阻力的共同作用下,在跑道上加速运动,速度越来越大,动能就越来越大。牵引力和阻力的合力做了多少功,飞机的动能就增加多少。
本书中,动能定理是在物体受恒力作用,并且做直线运动的情况下得到的。当物体受变力作用,或做曲线运动时,我们仍可采用过去的方法,把过程分解成许多小段,认为物体在每小段运动中受到的是恒力,运动的轨迹是直线,这样也能得到动能定理。
正因为动能定理适用于变力做功和曲线运动的情况,所以在解决一些实际的力学问题时,它得到了广泛的应用。
3.说明
①动能定理揭示了物体的动能变化与外力功的关系,功是物体动能变化的原因。
当合力对物体做正功时,末动能大于初动能,动能增加;当合力对物体做负功时,末动能小于初动能,动能减少;当合外力的功等于零时,初、末状态的动能相等。
②动能定理中的功应包括一切外力的功。
动能定理中的W即为合力做的功,它等于各个力做功的代数和。在某一过程中,各力的功可以是同时的,也可以是不同阶段的。
③动能定理既适合于恒力做功,也适合于变力做功,既适用于直线运动,也适用于曲线运动。
动能定理的特点是不必追究全过程的运动性质和状态变化的细节,对于求解变力功,曲线运动中的功,以及复杂过程中的功能转化,动能定理都提供了方便。
④在中学阶段,动能定理的研究对象是单个质点。
动能定理反映功这个过程量和动能这个状态量之间的关系,动能定理表示了过程量等于状态量的改变量的关系。给出了力对空间累积的结果。
⑤动能定理是标量式,式中的功和动能必须是相对于同一惯性参考系的。
三、动能定理的应用
1.用动能定理解题的步骤
①确定研究对象及所研究的物理过程;
②分析物体的受力情况,明确各个力是否做功,做正功还是做负功,进而明确合外力的功;
③确定始、末态的动能;
④根据动能定理列方程;
⑤求解方程、分析结果。
2.例题
【例题1】一架喷气式飞机,质量m=5.0×103kg,起飞过程中从静止开始滑跑。当位移达到l=5.3×102m时,速度达到起飞速度v=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。求飞机受到的牵引力。
分析 滑跑过程中牵引力与阻力的合力对飞机做功。本题已知飞机滑跑过程的始末速度,因而能够知道它在滑跑过程中增加的动能,故可应用动能定理求出合力做的功,进而求出合力、牵引力。
飞机滑行时除了地面阻力外,还受到空气阻力,后者随速度的增加而增加。本题说"平均阻力是飞机重量的0.02倍",只是一种粗略的估算。
解法一:以飞机为研究对象,受到重力、支持力、牵引力和阻力作用,它做匀加速直线运动。
根据牛顿第二定律有: