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关于动能定理的一点反思
作者:火焱 | 来源:网络转摘 | 时间:2010-08-01 | 【 】 |   
动能定理并不是力学中一个新的、独立的定律。它是从功和能的定义出发,直接由牛顿第二定律导出的。
由牛顿第二定律∑F= maa=(vt2-v02)/2s可得: ∑Fs=(1/2)m vt2 -(1/2)m v02,这就是动能定理。需要说明的是:由于牛顿第二定律中的加速度a物体的加速度,所以,由公式vt2-v02=2as所确定的s也是物体的位移(注意:s不是力的作用点的位移)。
应用动能定理列方程时往往需要计算合外力对物体所做的功。动能定理中的“合外力对物体所做的功”在任何情况下都等于“各个分力对物体所做的功的代数和”吗?
如:质量为M的长方形木块静止在光滑的水平桌面上。某时刻,质量为m的小铁块(可视为质点)以水平向右的速度v0从长方形木块的左端滑上木块且未滑出,设铁块相对木块静止时,木块移动的位移大小为L,铁块相对木块的位移大小为l,若铁块所受滑动摩擦力的大小为f,试求:木块所受合力对木块所做的功。
先分析“合外力对木块所做的功”。由受力分析可知:木块所受合力的大小为f,方向水平向右。故:“木块所受合力对木块所做的功”等于fL
再分析“各个分力对木块所做的功的代数和”。木块受到4个力的作用:重力、支持力、压力和水平向右的滑动摩擦力。重力、支持力和压力对木块所做的功为零;由于滑动摩擦力的作用点在木块上是移动的,且力的作用点的位移是(L+l),所以,根据普通物理中功的计算公式可得,滑动摩擦力对木块所做的功为:
fL+l),故:“各个分力对木块所做的功的代数和”为fL+l)。
显然,在上述例题中,“合外力对木块所做的功”与“各个分力对木块所做的功的代数和”是不相等的。
问题出在哪儿呢?上题中,如果改为:某时刻,用水平恒力F拉动木块,木块向右移动L后又立刻撤去F,您可能就不会有这样的疑问了。二者不相等的原因,关键在于:滑动摩擦力的作用点在木块上是移动的,此时木块不能被看做质点
大学物理教材中所说的“合外力对物体所做的功等于各个分力对物体所做的功的代数和”是有前提条件的,这个前提就是“质点力学”。换句话说:只有物体可以被看做质点的时候,合外力对物体所做的功才会等于各个分力对物体所做的功的代数和
限于高一学生的认知水平,教学中,过分强调W=Fs cos θ中的s是“力的作用点位移的大小”,我认为是欠妥的。饭要一口一口的吃,路要一步一步地走。
初中阶段,我们可以这样讲:“功等于力跟物体在力的方向上通过的距离的乘积”;高中阶段,我们可以先这样说:“力对物体所做的功,等于力的大小、位移的大小、力与位移夹角的余弦这三者的乘积”,等到了高三一轮复习时,我们就可以再适当加深一点了:将“位移的大小”改为“力的作用点位移的大小”,然后,精选几个学生能够接受的典型例题练习一下即可。
例1、问:某人蹲在地面上,用力向上跳起,地面对人的支持力是否做功?(不做功。)既然不做功,那么,人体的机械能为什么会增加呢?(人体消耗了体内的生物能。)
例2、某人从高为H的高台上直立跳下(可视为自由落体),脚落地后,两腿弯曲,重心又下降了h后,静止。求地面对人的平均作用力的大小。
注意:由于地面对人的平均作用力的作用点始终没动,所以,地面对人的平均作用力是不做功的。既然地面对人的平均作用力不做功,那么,怎样应用动能定理列方程呢?应用动能定理列方程时,可用一个作用在重心上的等效的力来代替。模型:重物下面固定一个轻质弹簧,然后,让该系统自由下落。
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