(推荐)高中物理动能定理的推导过程

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动能地定理推导过程

第一步:说明物体的运动状态,并导出加速度计算式。

如图5—5所示:物体沿着不光滑的斜面匀加速向上运动,通过

A处时的即时速度为v0,通过B处时的即时速度为v t,由A处到B处的

位移为S。通过提问引导学生根据v t2-v02=2as写出:

第二步:画出物体的受力分析图,进行正交分解,说明物体

的受力情况。

图5─6是物体的受力分析图(这个图既可以单独画出,也

可补画在上图的A、B之间),物体受到了重力mg、斜面支持力N、

动力F、阻力f。由于重力mg既不平行于斜面,也不垂直于斜面,

所以要对它进行正交分解,分解为平行于斜面的下滑分力F1和垂直

于斜面正压力F2。然后说明:物体在垂直斜面方向的力N=F2;物体平行斜面方向的力F>f+F1(否则物体不可能加速上行),其合力为:

第三步:运用牛顿第二定律和①、②两式导出“动能定理”。

若已知物体的质量为m 、所受之合外力为、产生之加速度为a。

则根据牛顿第二定律可以写出:

③将①、②两式代入③式:

导出:④

若以W表示外力对物体所做的总功

若以E ko表示物体通过A处时的动能,以E kt表示物体通过B处时的动能

则:⑥

将⑤、⑥、⑦三式代入④式,就导出了课本中的“动能定理”的数学表达形式:

W=E kt-E ko

若以△E k表示动能的变化E kt-E ko

则可写出“动能定理”的一种简单表达形式:

W=△E k

它的文字表述是:外力对物体所做的总功等于物体动能的变化。这个结论叫做“动能定理”。第四步:在“动能定理”的基础上推导出“功能原理”。

在推导“动能定理”的过程中,我们曾经写出过④式,现抄列如下:

为了导出“功能原理”我们需要对其中的下滑分力做功项F1S进行分析推导。

我们知道,当斜面的底角为θ时,下滑分力F1和重力mg的关系如下:

(前面已有⑤、⑥、⑦式)⑧

上式中sinθ 如何表达呢?请看图5—7:物体在A处时的高度为h0,在B处时的高度为h t,则根据中学数学中所学过的三角函数知识可以写出下式:

将⑨式代入⑧式后进行推导:

将⑩式代入④式后进行推导:

若以代入⑾式,就导出了一种“功能原理”的数学表达形式:

Fs-fs=△E

+△E P

K

它的物理意义是:动力对物体做功Fs与物体克服阻力做功fs之差(不包括重力做的功),等于物体动能的变化量与势能的变化量之和。

若在⑾式基础上进行移项变化可导出下式:

若以代入⑿式,就可以写为:

Fs-fs=E t-E0

再以代入上式就可以导出“功能原理”的另一种数学表达形式:W

=△E

F

它的物理意义是:外力对物体对所做的总功W F(不包括重力做的功),等于物体机械能的变化量△E。(当W F>0时,△E>0,机械能增加;当W F<0时,△E<0,机械能减少。

例题:如图5—12所示:一辆车通过一根跨过滑轮

的绳PQ提升井中质量为m的物体。绳的P端拴在

车后的挂钩、Q端拴在的物体上。设绳的总长不变,

绳的质量、定滑轮的质量和尺寸、滑轮上的摩擦都

忽略不计。

开始时,车在A点,左右两侧绳都已绷紧并且

是竖直的,左侧绳长为H。提升时,车加速向左运

动,沿水平方向从A经过B驶向C,设A到B的距

离也是H,车过B点时的速度为v B。求:在车由A 移到B的过程中,绳Q端的拉力对物体做的功。

解答:设:汽车开到B处时,物体上升的即时速度为v、上升的高度为h,可以写下列二式:

则:根据:“功能原理”(动能定理再做一遍)

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